Deinococcus radiodurans - החיידק העמיד לקרינה

החיידק Deinococcus radiodurans (ביוונית - Deinos = מוזר) התגלה לראשונה בשנת 1956, כאשר מזון במספר קופסאות, מאצווה של שימורי מזון שהוקרנה בקרינת גמא (שאמורה להשמיד את כל המיקרואורגניזמים), התקלקל. בבדיקת הגורם לקלקול נמצא חיידק שעמיד לרמות קרינה שלא מ"העולם הזה" (פשוטו כמשמעו). וזאת מלבד היותו עמיד לתנאי קור ויובש קיצוניים ביותר. עמידותו לשלושת הגורמים האלה זיכתה את החיידק בתואר "החיידק הקשוח ביותר בעולם" ובתואר זה הוא נכנס ב-1995 לספר השיאים של גינס.

חיידקי Deinococcus radiodurans מבעד למיקרוסקופ.

By kind permission of Prof. Michael Daly, Department of Pathology, Uniformed Services University of the Health Sciences,  Bethesda, Maryland

 

החיידק מוזר גם בכך, שהוא החיידק היחיד שנצבע חיובית בצביעת גרם, שאינו שייך לקבוצה הסיסטמתית הכוללת את כל שאר החיידקים הגרם חיוביים. בבחינה מדוקדקת של מבנה המעטפת שלו, מסתבר שהמבנה הבסיסי שלה הוא של חיידקים גרם שליליים, אך תוספת של מספר שכבות הייחודיות לחיידק היא זו שמונעת מקומפלקס הצבע והיוד להשטף מהחיידק.

מבחינה גנטית הוא שייך לקבוצה נפרדת, ה-Deinococcales, הכוללת גם את החיידק (הגרם שלילי) Thermus aquaticus - חיידק תרמופילי שממנו הפיקו את האנזים הראשון (פולימרז ה-DNA) ששימש לראקציית ה-PCR.

מבנה המעטפת של Deinococcus radiodurans. שימו לב למספר השכבות.
באדיבות ד"ר פנחס פוקס, המכון הביולוגי בנס ציונה.

החיידק עמיד עד רמות קרינה של כ-5 מיליון ראד. לשם השוואה, רמת קרינה של 500-600 ראד היא קטלנית לבני אדם. רמות גבוהות כאלה של קרינה, טוענים החוקרים Minton ו-Daly, לא התקיימו לעולם על פני כדור הארץ - גם לא בראשית היווצרותו. מכאן נובעת שאלה אבולוציונית מעניינת. ממה נובעת עמידותו של החיידק לקרינה? אם קרינה כזו לא הייתה קיימת - איזה לחצים אבולוציוניים גרמו להופעת העמידות? האם הופעת העמידות היא תופעת לוואי של עמידות ליובש, למשל? או שהחיידקים הנ"ל הגיעו מאי שם בחלל החיצון ממקום שבו רמות הקרינה גבוהות ביותר... אולי ממאדים, שם קרינת הרקע גבוהה בהרבה מזו שעל כדור הארץ, כפי שטוענים מספר חוקרים רוסים.

התעשייה הביוטכנלוגית אמצה מיד לחיקה את החיידק לצורכי ניקוי וטיהור אזורים עם פסולת כימית ורדיואקטיבית. החיידקים המוכרים, שמסוגלים לטהר ולמחזר את הפסולת הכימית, נקטלים על-ידי הקרינה הרדיואקטיבית והאזור נשאר מזוהם.

אמנם D. radiodurans אינו מפרק ממיסים אורגניים, כטולואן ופנול, אך הכנסת הגנים המתאימים לחיידק, יצרה "חיידק על" שמסוגל לפרק את הממיסים האורגניים גם בסביבה רדיואקטיבית. הכנסת אופרונים לעמידות ומיחזור מתכות כבדות, ככספית, יצרה את "החיידק הממחזר האולטימטיבי". (לכתבה בנושא של אמיר עדן, "סופר חיידק", מגליליאו)

מה מאפשר לחיידק לעמוד בפני רמות הקרינה הגבוהות? החשוד הראשון היה הצבען הוורוד של החיידק, הקרטנואיד. שנים רבות טענו החוקרים שנוכחות הצבענים בחיידקים בכלל מסייעת להם להגן על עצמם מפני קרינה. ניסוי פשוט (יחסית) - בידוד מוטנטים חסרי צבע של החיידק וחשיפתם לרמות קרינה גבוהות שלל זאת. מוטנטים חסרי צבען עמידים לקרינה באותה מידה כמו זן הבר הוורוד.

תרבית חיידקי Deinococcus radiodurans על צלחת פטרי. שימו לב לצבען הורוד.
Prof. Michael Daly, Department of Pathology, Uniformed Services University of the Health Sciences,  Bethesda, Maryland

הקרינה פוגעת ישירות בחומר התורשתי של החיידק והחיידק משתמש במספר מערכות תיקון לתיקון הנזקים השגרתיים של הקרינה. אך בעוד שחיידק רגיל יכול לתקן עד כ-5 פגיעות בו זמניות ב-DNA, יכול D. radiodurans לתקן למעלה ממאתיים.

האם מערכות תיקון לנזקי קרינה הן הגורם לעמידות היתר בחיידק זה? - בדיקה מדוקדקת של מערכות התיקון של D. radiodurans, ואף החלפתם באנזימי מפתח מקבילים מ-Escherichia coli מצאה שאכן מערכות התיקון הכרחיות לעמידות, אך לא הן האחראיות לעמידות היתר של החיידק. הניסויים שנעשו בחיידק פורטו במאמרו של ד"ר פנחס פוקס, "הדינוקוקוס, האורגניזם היציב  ביותר עלי אדמות", מ"סינתזיס" 13 - 1996.

הפתרון לתעלומה נמצא בשנת 2003, במעבדתו של פרופ' אבי מינסקי ממכון וייצמן. מסתבר, שהכרומוזום החיידקי ארוז במבנה הדוק דמוי טבעת, שאינה מאפשרת לשברי ה-DNA הנוצרים כתוצאה מנזקי הקרינה והנפלטים מהכרומוזום, להגיע לציטופלזמה ולהעלם שם. מה שמאפשר למערכות התיקון לתקן את הנזקים בקלות יחסית - יש לחבר מחדש את חתיכות ה-DNA השבורות, ולא לייצר אותן מחדש. וזה מה שמקנה לו את ההגנה מפני הקרינה.

המבנה הטבעתי של ה-DNA של Deinococcus radiodurans.
ממעבדתו של פרופ' אברהם מינסקי, מכון ויצמן למדע

ולא רק זה, מסתבר שהחיידק מכיל ארבעה עותקים של החומר התורשתי, שכל אחד מהם נמצא במדור תאי נפרד. שלפחות שניים מהם תמיד ארוזים במבנה הטבעתי ומשמשים כגיבוי, ואילו אחד או שני העותקים האחרים "משוחררים" מהמבנה הטבעתי ונמצאים בשימוש מערכות התעתוק והתרגום. אם נפגע אחד העותקים הוא מתוקן על ידי אנזימי התיקון, ומייד אחר-כך "משתחרר" אחד המבנים הטבעתיים במדור הסמוך והכרומוזום "המשוחרר" עובר דרך פתח מיוחד למדור בו נמצא הכרומוזום ה"מתוקן" לצורך השוואה ושחזור של המידע התורשתי.

ארבעת המדורים בתא של Deinococcus radiodurans.
ממעבדתו של פרופ' אברהם מינסקי, מכון ויצמן למדע 

     

ניתן לקרוא על כך גם באתר של מכון וייצמן למדע.

פורסם במקור באתר פרויקט תמיד, האוניברסיטה הפתוחה - 2003.