במשך שנים רבות, חוקרים מכל העולם התלבטו בשאלה: איך חיידקים זזים? מחקר בינלאומי חדש שופך אור על מנגנון התנועה של אותם יצורים מיקרוסקופיים, דרך בחינה מחודשת של החלבונים שמרכיבים אותם.
כשאחות אנגלייה בשם קלייר ביצ'ם מוצאת את עצמה פתאום בעיצומה של המאה ה-18, מתמודדת עם תככים, מלחמות, ואנשים שחושדים בה כמרגלת או כמכשפה – הידע הרפואי שלה עוזר לה לשרוד ולהציל אחרים. אך לצד זאת, ביצ'ם נתקלת בקושי לשכנע את מכריה החדשים שהמידע הרפואי שהיא מוסרת להם מהעתיד הוא אכן מהימן. כך, לדוגמה, כשהיא מספרת להם על קיומם של חיידקים – היא נתקלת בספקותיהם לגבי קיומם של אותם יצורים בלתי נראים, שמסתובבים תמידית בגוף האדם וגורמים גם למחלות.
אבל אפילו שביצ'ם, גיבורת סדרת הספרים והטלוויזיה "נוכרייה", חזרה לעבר כשהיא מצוידת היטב במידע עדכני – כנראה שגם לאחות המלומדת היו פערי ידע גדולים בנושא החיידקים, כמו לכל אנשי הרפואה במאה ה-21.
על אף שחיידקים כבר נחקרו רבות, גם בימינו שאלות גדולות עליהם נותרו ללא תשובה. אחת מאותן שאלות נוגעת לאופן התנועה של היצורים המיקרוסקופיים הללו, שזזים בזכות איבר קטן שמתקרזל (תנועה שמזכירה פרופלור או פותחן יין). עד כה, המנגנון שמאפשר את אותה ההתקרזלות – נותר בגדר תעלומה. אך לאחרונה חוקרים מצאו הסבר לתופעה המשונה: מחקר בינלאומי חדש מצא שיכולתם של החיידקים לנוע מתאפשרת בזכות העובדה שלחלבון שמרכיב את איברי התנועה שלהם יש מגוון צורות שונות, שלא היו מוכרות עד כה. אז מה בדיוק הקשר בין תנועת חיידקים לחלבונים?
חלבון – צורות רבות לו
חיידקים זזים באמצעות שוטון: איבר שמזכיר שוט או זנב. פרופ' יורם גרשמן, ביוכימאי ומיקרוביולוג במכללת אורנים ובאוניברסיטת חיפה, מסביר שעד לאחרונה ההנחה במחקר הייתה שכל חיידק – ובהתאם לכך, גם השוטון שלו – בנוי מחלבון בעל צורה אחת. אבל במחקר החדש ערערו על התפיסה הזאת, והשתמשו באמצעים מתקדמים כדי לבדוק אותה.
עד לא מזמן, מחקרים דומים לזה, שעסקו בתנועת חיידקים, בוצעו באמצעות טכנולוגיית גיבוש (שכוללת בין השאר את הקפאתו של החלבון כגביש – כלומר, כחומר שמורכב ממבנה בסיסי שחוזר על עצמו). "החיסרון בתהליך זה הוא שגביש מאופיין בחלקים זהים, וכך, בשיטה זאת, החלבונים מקבלים צורה אחת ויחידה", מסביר גרשמן.
לעומת זאת, במחקר החדש החוקרים השתמשו במיקרוסקופ אלקטרונים קריוגני (cryo-EM), וכן במידול ממוחשב מתקדם. לדברי גרשמן, בטכנולוגיה החדשה, בשונה מזו שהייתה נהוגה עד כה, החלבונים עוברים הקפאה עמוקה ומהירה, בתהליך ששומר על מגוון הצורות השונות שלהם. זאת ועוד, סוג המיקרוסקופ שבו השתמשו החוקרים אפשר להם לבחון את החלבונים ברזולוציה גבוהה מאוד, שלא מתאפשרת במיקרוסקופ אופטי רגיל.
נעים כמו פרופלור
"עד כה לא היה ברור כיצד מתקבל מבנה מקורזל של שוטון, מצורה אחת בלבד של חלבון", מסביר גרשמן. "בדיוק כמו בלגו: אם יש לנו רק חלקים זהים מסוג מסוים, נהיה מוגבלים מבחינת הצורות שנוכל לבנות". ואכן, במחקר התגלה שהחלבון שמרכיב את השוטון הוא לא בעל צורה אחת קבועה, אלא יכול להתקיים ב-11 מצבים לפחות, שבכל אחד מהם המולקולות שלו הן בעלות מבנה שונה; מגוון המצבים הללו הוא שמאפשר למבנה מקורזל להיווצר, ובכך – מאפשר את תנועת החיידקים.
אז במקום ללכת, לעוף או לשחות בדרכים המוכרות לנו, חיידקים נעים באמצעות בסיס השוטון, שמסתובב בתוך קרום התא שלהם, דוחף אותם קדימה – וכל זאת, בשל צורתם המגוונת של החלבונים שמרכיבים אותם.
אחים לאבולוציה
וזה לא הדבר היחיד שהחוקרים גילו כשהם השתמשו במיקרוסקופ המתקדם. מלבד מנגנון התנועה, החוקרים בחנו ארכאונים (Archaea)– מיקרואורגניזמים (יצורים מיקרוסקופיים) שנקראים גם "חיידקים קדמונים"; יצורים שעל אף שמם, הם דווקא דומים יותר לאיקריוטים (Eukaryotes, קבוצת יצורים שכוללת בין היתר את בני האדם, בעלי החיים והצמחים). הארכאונים הם יצורים חד-תאיים שחיים בסביבות הקיצוניות ביותר בכדור הארץ, כמו תחתית האוקיינוס, בריכות חומציות ומאגרי נפט.
"החיידקים והארכאונים התפצלו אבולוציונית לפני כ-4 מיליארד שנה, וגם השוטונים שלהם שונים מאוד", מסביר גרשמן. "אבל כשהחוקרים התבוננו בשוטונים של הארכאונים, הם גילו שגם שם, בדומה לחיידקים, החלבון שמרכיב את השוטון יכול להתקיים ב-10 מצבים שונים, מאפיין שמאפשר לשוטון להתקרזל".
פירוש הדבר הוא שגם אצל החיידקים וגם אצל הארכאונים, ללא תלות אלו באלו, התפתחה היכולת לנוע על ידי קרזול השוטון באמצעות השילוב בין מבני החלבונים השונים. התופעה הזאת, שבמסגרתה מינים שונים שמתפתחים בנפרד – "מוצאים" פתרון אבולוציוני דומה עקב צרכים דומים, נקראת "אבולוציה מתכנסת".
ננו-רובוטים ששוחים בכלי הדם
לדברי גרשמן, למחקר החדש עשויות להיות השלכות במספר היבטים פרקטיים. "חיידקים משתמשים בשוטונים למטרות שונות, כמו שחייה והיצמדות למשטחים, וכך הם שוחים גם בתוך הגוף שלנו, ובתוך מכשירים שמחוברים לגופנו, כמו קטטר או צינורות אינפוזיה", הוא מסביר. "חיידקים ששוחים במכשור רפואי יכולים לגרום לזיהומים ולדלקות, וככל שנבין טוב יותר כיצד הם עושים זאת, נוכל גם ללמוד איך להתמודד עם התופעה הזאת".
נוסף לכך, גרשמן מספר שהגילויים החדשים עשויים לתרום גם בתחום המיקרו-רובוטים והננו-רובוטים. "כיום כבר מנסים לפתח מערכות מהונדסות שישחו בתוך הוורידים והעורקים שלנו ויבצעו פעולות רפואיות שונות – לדוגמה, יורידו את רמת הכולסטרול בדם או ירפאו פצעים", הוא מרחיב. "אבל כדי לעשות זאת, צריך לבנות מעין מנוע זעיר שיאפשר למערכות אלה לנוע. הבנה טובה של אופן פעולת השוטון עשויה לאפשר לנו לבנות מערכת שדומה לו. ואם הננו-רובוטים יהיו בנויים מחלבונים, בדומה לחיידקים, יהיה להם יתרון נוסף: הם יהיו מתכלים", הוא מסכם.
