מדען אורח ד"ר אביגדור אלדר

כיצד קהילת חיידקים מרסנת את הרמאים שבתוכה? האם גם אדם הוא "קהילה" המורכבת מגנים בעלי ניגוד אינטרסים? ואיך פיענוח שפות החיידקים יסייע להילחם בהם?
X זמן קריאה משוער: 7 דקות

מהי, לדעתך, פריצת דרך משמעותית או מסקרנת ביותר שנעשתה בתחום המחקר שלך בשנים האחרונות?

ידוע כבר שנים רבות שחיידקים חיים בקהילות וכי הם מקיימים אינטראקציות בינם לבין עצמם, אך באופן מסורתי, רוב המחקר התמקד בחיידק הבודד: האופן בו תנאי סביבה או חומרים שונים משפיעים על חיידקים מזנים שונים. זוהי גישה רדוקציוניסטית יעילה המאפשרת ללמוד כל מה שאפשר על האורגניזם ברמת קיומו הבסיסית, אבל בשלב מסוים היא מתחילה למצות את עצמה. לכן, בעשור האחרון יש הרבה יותר דגש על אינטראקציות חברתיות בין חיידקים: אילו מסרים הם מעבירים, כיצד הם משתמשים בסביבה הטבעית שלהם כדי להעביר מסרים אלה, מהם כלי הנשק העומדים לרשותם, ובאילו אסטרטגיות הם משתמשים כדי לנצל את הקהילה בה הם חיים. השינוי בדגש, מהפרט לקולקטיב, הניב כלים חדשים להבנת ההשפעה האקולוגית שיש לחיידקים כמכלול, הן על הבריאות שלנו והן על העולם סביבנו. מדי שבוע מתפרסמים בכתבי העת הנחשבים ביותר מאמרים אודות אוכלוסיות החיידקים שבמערכת העיכול. מדובר באלפי זנים של חיידקים ועם הזמן, הולכת ונחשפת כמות עצומה של תפקידים מעניינים שיש לחיידקים אלה. כמו למשל חיוניותם בתפקוד המערכת החיסונית, הקשר שיש להם עם מערכת העיכול בכלל והנטייה להשמנה בפרט, התחרות בינם לבין חיידקים גורמי מחלות, ההשפעה שלהם על פעילות נוירולוגית במוח ועוד.

מהם המחקרים שמעסיקים אותך בתקופה זו?

ההתפתחות האבולוציונית של הפרט היא, למעשה, השאיפה להגיע למצב אופטימאלי: השגת מקסימום משאבים במינימום מאמץ. אחת הדרכים לשפר את מצב הפרט היא לחבור לקהילה. שיתוף הפעולה בין אינדיבידואלים מאפשר להם לשגשג יותר מכפי שהיו משגשגים לבדם. לדוגמה: אנחנו יודעים שחיידקים אינם יכולים לעכל מזון בתוכם, אלא הם משחררים אנזימים המפרקים חומרים בסביבה והעיכול מתרחש מחוצה להם (למשל, חיידקים בתפוח אדמה המשחררים אנזים שמפרק עמילן לגלוקוזה). כאשר ריכוז החיידקים גבוה דיו, מאמץ קבוצתי במשימת העיכול יניב יותר מזון עבור הפרט מאשר אילו היה לבדו. אך למעשה, קיימת אפשרות לשגשג אפילו יותר מלהיות חבר פעיל בקהילה, אם אחד החיידקים יעבור שינוי גנטי ויפסיק להשקיע אנרגיה בפירוק המזון הוא ינצל את "חבריו" ויחיה על חשבונם. וכאן טמון פרדוקס: השאיפה להיות חבר בקהילה ולשגשג באמצעותה, היא זו שמייצרת תמריץ לבגוד בקהילה ובסופו של דבר עלולה לגרום להחרבתה. לכן, כאשר בוחנים אבולוציה חברתית, שמים דגש על המתח הזה, שבין שיתוף פעולה לבין קונפליקט בין חברי הקהילה.

העיקרון הכללי הזה נכון לגבי אבולוציה חברתית של מיקרו-אורגניזם כמו חיידק כפי שהוא נכון בחברה האנושית, אך השאלה המעניינת לגבי חיידקים, היא איך יצורים כל כך פשוטים מבטאים את הקונפליקט הזה וכיצד הם פותרים אותו. אחד ההסברים המקובלים הוא המבנה המרחבי של אוכלוסיות החיידקים. ככל הנראה, נוצר באופן ספונטאני מרחב שמפריד בין רמאים ומשתפי פעולה וזה נותן יתרון למשתפי הפעולה, משום שרמאים לבדם אינם יכולים להתקיים- אין להם את מי לנצל. השאלה היא איך זה בדיוק קורה.

שגשוג קהילה מוּתנה בתקשורת בין חבריה. חיידקים מפרישים כל הזמן פרומונים המשמשים כמסר לחיידקים אחרים. לכאורה, זו מערכת תקשורת פרימיטיבית ביותר כי לכל קהילה יש רק מסר אחד שיכול לעבור בין חבריה. לצורך המחשה, זה כמו שבחברה שלנו כל אדם יוכל לומר ולהבין מילה אחת בלבד. מדוע זה בכל זאת אפקטיבי? משום שרק מעל ריכוז מסוים של חיידקים הסיגנל יהיה חזק מספיק כדי שהם יוכלו לקלוט אותו. עד שזה קורה, אוכלוסיית החיידקים הדלילה אינה מתפקדת כקהילה אלא כאוסף בודדים. רק כאשר הסיגנל חזק דיו, כולם קולטים שהצפיפות גדולה מספיק כדי שזה ישתלם להם להשקיע יותר אנרגיה בפירוק המזון, וכך להעצים את הקולקטיב ובתמורה, גם את עצמם. אבל כאן בדיוק זה נעשה מעניין כי מתפתחות כל מיני אסטרטגיות של ניצול.

הפרשת האנזים לפירוק מזון ושידור הסיגנל שמודיע לכל השאר להפריש גם כן את האנזים – שתי פעולות אלה מאפשרות סוגים שונים של מניפולציות. למשל, חיידק שלומד לייצר סיגנל מבלי לייצר את האנזים יצליח להשלות את חבריו שהוא עובד כמותם אך למעשה, הוא ינצל אותם. אפשרות אחרת היא האזנה מודיעינית: לפתח קולטן שידע לזהות סיגנל של קהילות חיידקים מתחרות כדי לייצר אנטיביוטיקה נגדן.

עמיתי ואני חוקרים את השפעת עושר השפות של קהילות החיידקים. אנחנו רואים, למשל, שבתוך קהילה מסוימת חיידקים נוטים לשנות מעת לעת את שפת הסיגנל שלהם. לכאורה זה מאוד מוזר: מדוע שאינדיבידואל בקהילת דוברי גרמנית יחליף את שפתו לצרפתית מבלי שיהיה לו עם מי לדבר בשפה זו? אבל אצל החיידקים זו מתבררת כאסטרטגיה מוצלחת. החלפת שפת הסיגנל הופכת את החיידק ל"חירש" לשפת הקהילה שלו. כאשר הוא אינו שומע את הסיגנל שלהם הוא מפסיק להשקיע אנרגיה בפירוק המזון וכך, למעשה, מנצל את הקהילה. אבל הוא לא לוקח את הבגידה רחוק מדי. לוּ הפסיק בכלל לייצר סיגנלים, הוא היה מתרבה על חשבון הקהילה ואז קהילת הבוגדים סביבו היתה גוועת ומתה, משום שלחיידקים שבמרכזה לא היה את מי לנצל. אבל החלפת השפה הופכת אותו ל"חצי בוגד" כי כאשר הוא יתרבה, תיווצר קהילה חדשה של משתפי פעולה באמצעות השפה החדשה שהוא אימץ לעצמו. כאשר קהילה זו תהיה מפותחת דיה, חיידקים בתוכה עשויים שוב לשנות את שפתם ולייצר מובלעת נוספת שתתפתח לקהילה נוספת וכן הלאה. אסטרטגיית שינוי השפה היא דוגמה מרתקת למתח שבין שיתוף הפעולה לבין הניצול האגואיסטי.

כיצד אתה רואה את העתיד של תחום המחקר שלך?

כיוון מחקרי אחד הוא להבין אקולוגיות חיידקים בהקשר יותר ויותר טבעי. כיום אנחנו בעיקר בוחנים את אוכלוסיות החיידקים במעבדה אבל אבולוציה אמיתית אינה מתרחשת במעבדה אלא בטבע. לכן הולכים ומתרבים הכלים המאפשרים למדענים לצאת החוצה ולחקור את החיידקים בסביבתם הטבעית.
כיוון נוסף הוא לקחת את הידע על דרכי התקשורת של החיידקים ולנצל אותו לטובת האדם. הבנת הסיגנלים השונים ואופן השימוש בהם יאפשר לפתח בעצמנו מניפולציות על אוכלוסיות החיידקים השונות. זו מעין מקבילה ביולוגית ללוחמה אלקטרונית. אפשר, למשל, לייצר עומס יתר של סיגנלים כדי לגרום למעט חיידקים להאמין שהם קהילה גדולה וכך לגרום להם לעבוד קשה יותר, לרוקן את משאביהם ולמנוע מהם מלכתחילה להתפתח לקהילה מסוכנת. או שניתן להפוך את החיידקים המזיקים ל"חירשים": לשחרר חומר הסותם את הקולטנים שבאמצעותם הם מאזינים לסיגנלים של חבריהם. אפשרות נוספת היא להנדס חיידקים טובים שיילחמו במזיקים. לאחרונה פורסם מחקר מעניין על עכברים, המראה את הפוטנציאל הטמון באפשרות זו.

כאשר חיידק כולרה משגשג בגוף הוא מגיע לנקודה שבה נהיה לו צפוף מדי ועליו למצוא מפלט החוצה כדי למצוא גוף פונדקאי אחר. בנקודה זו הוא מפריש רעלנים הגורמים לגוף לשלשל וחלק מהחיידקים תופסים טרמפ על הצואה ונפלטים החוצה. החוקרים לקחו חיידק אחר, ידידותי לגוף, ובאמצעות הנדסה גנטית גרמו לו להפריש סיגנלים המאותתים לחיידק הכולרה. כך הם הצליחו למנוע הידבקות משום שחיידק הכולרה, שקלט את המסר (הכוזב) שיש כבר בגוף אוכלוסייה צפופה של חיידקים כמותו, "הסיק" שהגוף הזה כבר תפוס ואין טעם להשתרש בו.

מהו ההסבר האלגנטי, העמוק או היפה בעיניך לתופעה כלשהי?

קונספט הגן האנוכי של ריצ'רד דוקינס הוא בעיני הסבר אלגנטי לאופן בו כל אורגניזם הוא למעשה אוסף הגנים המרכיבים אותו. כלומר, את הגבול בין הפרט לקולקטיב אפשר לשרטט לא רק בקהילות חיידקים, אלא גם באוסף הגנים שהם אנחנו. הנטייה הטבעית היא אמנם לראות בגנים חלק ממנגנון שלם – בעל חיים – אך גם הגן הבודד הוא ישות אבולוציונית עצמאית. זו הסיבה שלצד התיאום הרב שבין הגנים בגוף, דוקינס מביא דוגמאות רבות למצבים שבהם מתרחשים קונפליקטים בקולקטיב הזה (למשל, מקרים שבהם באותו הגוף העותק הגנטי האימהי נמצא בקונפליקט עם העותק הגנטי האבהי). ההסבר הזה עולה בקנה אחד עם עקרונות האבולוציה החברתית. גם בגוף אנחנו הרי מכירים מקרים בהם גנים "בוגדים" בקולקטיב ומשתכפלים לכדי גידול סרטני. זו כמובן רמיה שאינה משתלמת, משום שאם היא מצליחה מדי, היא גורמת למוות של הגוף יחד עם הגידול הבוגדני עצמו. לכן הגנים פיתחו שלל אסטרטגיות לעצור את התפתחות הבגידה בשלבים מוקדמים (למשל, תאים סרטניים מתוכנתים להתאבד לפני שהם מצליחים להשתכפל ולשגשג, ואם זה לא מצליח, הגוף מפעיל סוכנים שנותנים להם פקודה להתאבד).

ההסבר של הגן האנוכי הוא מרתק בעיני, לא רק מבחינת התפיסה הפילוסופית המציעה פרספקטיבה מעניינת על הקיום שלנו (אנחנו בסך הכל "נשאים" של מטען גנטי), אלא גם מבחינה אבולוציונית. כל קולקטיב – של תאים, חיידקים או בעלי חיים המקיימים ביניהם שיתוף פעולה – טומן בחובו את פוטנציאל הבגידה. מנגד, אסור שבגידה תהיה מוצלחת מדי, אחרת הקולקטיב יאבד את יתרונותיו. כך נוצרים כל הזמן מנגנונים שנועדו למשטר ולדכא בגידות. זהו מרוץ חימוש בלתי נגמר שבאופן מעניין, הוא זה שמעלה עם הזמן את תחכום שיתוף הפעולה בקולקטיב ואת מורכבותו של האורגניזם כמכלול.

לגבי מה אתה אופטימי?

עם הזמן אנחנו רואים שכל אנטיביוטיקה, תוך פרק זמן מסוים, גורמת לחיידקים לפתח עמידות נגדה. כיום יש מספר יחסית מוגבל של משפחות אנטיביוטיקה ומה שנותר לעשות איתן, הוא לפתח מהן גרסאות חדשות שהחיידקים עדיין לא מכירים. אבל זוהי גישה שתגיע לכלל מיצוי בעתיד הלא רחוק וכבר כיום ישנם מינים שעמידים לרוב סוגי האנטיביוטיקה.

אבל אנחנו רחוקים ממיצוי האפשרויות. יש עוד הרבה מאוד מה לעשות. הזכרתי קודם את השימוש בידע אודות התקשורת בין קהילות חיידקים ואכן, אחד הכיוונים המעניינים הוא לפתח שליטה באקולוגיה של החיידקים שבתוכנו. למעשה, אפילו בשימוש באנטיביוטיקה יש כיוונים יצירתיים חדשים. אחת הבעיות, למשל, היא שישנם חיידקים רבים העמידים לאנטיביוטיקה כאשר הם במצב רדום. הם אמנם לא מזיקים לגוף במצב הזה, אך משמשים כרזרבות לחיידקים הפעילים ולכן מהווים מקור כרוני להדבקה. בשנים האחרונות מתחילים להבין אילו מנגנונים במצב הרדום מאפשרים את העמידות לאנטיביוטיקה ושיטת טיפול שקיבלה פרסום לאחרונה, משרטטת כיוון קליני עתידי מעניין: לתת תרופה שתוציא את החיידקים מתרדמתם ותחזיר את רגישותם לאנטיביוטיקה. אז על אף כל החששות, אני חושב שעוד לא נאמרה המילה האחרונה במלחמה נגד החיידקים.

מחשבה זו התפרסמה באלכסון ב


תגובות פייסבוק

2 תגובות על ד"ר אביגדור אלדר