החיים הקרומיים של החיידקים

האם החיידקים הם יצורים רב תאיים?

כולנו גדלנו על כך, שאחד ההבדלים הבולטים בינינו לבין החיידקים הוא העובדה שאנחנו יצורים רב-תאיים ושהחיידקים הם יצורים חד-תאיים. הבדל זה מתבטא בארבעת המאפיינים הבאים:

• התמיינות - לתאים שבגופנו יש התמחויות וחלוקת תפקידים: יש תאי עצב, תאי שריר, תאי עור ועוד רבים אחרים. שני סוגי תקשורת: יש תקשורת 
  בין-תאית בתוך אותו יצור רב-תאי, ויש תקשורת בין פרטים שונים בתוך אותו מין ביולוגי ובין מינים שונים. 
• שיעור קטן מאוד מהתאים משתתפים ברבייה ובהעברת הגנים: רק תאי המין - הגמטות (תאי הזרע ותאי הביצה) - לרוב מפרטים שונים, הם שמתלכדים 
  ויוצרים את הזיגוטה, שתתפתח ליצור החי של הדור הבא. 
• אפופטוזה (התאבדות מתוכננת): התופעה של "הקרבה עצמית" של תאים למען "רווחתו וקיומו של האורגניזם שלם" היא תופעה נפוצה. למשל - 
  "התאבדות" של תאי הבסיס של העלה כדי שתתאפשר השלכת, או "התאבדות" מתוכננת של תאים בכף היד או בכף הרגל שמאפשרת את היפָרדות האצבעות. 
  גם בתאים שנפגעים (על ידי נגיפים או שהופכים לממאירים) מופעלת (לרוב מבחוץ) ההשמדה העצמית. 

ולגבי החיידקים - שאותם מגדלים במעבדה זה כ-150 שנה, מאז תקופתו של לואי פסטר, ו"מכירים" אותם היטב, בצורה יחידאית (הנקראת גם פלנקטונית) - גובשו הדעות הבאות:

• התמיינות אינה קיימת כמעט - וכאשר היא קיימת היא היוצא מן הכלל.
  
• אין תקשורת - לשם מה צריכים יצורים שחיים בגפם ולעצמם תקשורת?
  
• כל תא מתחלק לשני צאצאים המהווים את הדור הבא.
  
• כל חיידק לוחם את מלחמת הקיום וההישרדות שלו למען עצמו בלבד!

האם זו האמת על החיידקים? או שאולי זה מה שאנו רואים במעבדה שונה מן הדברים בטבע?

אתייחס כאן לשני הסעיפים הראשונים - התמיינות ותקשורת. בשני האחרונים נדון בהזדמנות אחרת.

הבה נתבונן בחיידק Psudomonas aeruginosa - זהו חיידק נפוץ במקומות לחים ובבתי חולים, ומהווה פעמים רבות בעיה חמורה לטיפול. ניקח לדוגמה בחור שדרך על מסמר דרך נעל ההתעמלות. הפצע הזדהם והבחור הגיע לטיפול בחדר המיון. תרבית חיידקים שנלקחה ממנו חזרה למחרת מהמעבדה עם תשובה: המזהם הוא Psudomonas aeruginosa (ואנחנו לא מתפלאים - הרי הסביבה הלחה של פנים הנעל היא חממה מצוינת לחיידק) והוא (החיידק) רגיש לתרופות האנטיביוטיות א', ב', ו-ג'. כשמטפלים בבחור באנטיביוטיקה א' והטיפול לא עוזר ומצבו הכללי ממשיך להחמיר. מטפלים בו באנטיביוטיקה ב' - וגם היא לא עוזרת. במקרה הטוב - ייתכן שחומר ג' אכן יעזור.

האם קיבלנו תשובה שגוייה מהמעבדה? לא! משום שאם נבדוק שוב, נראה שאכן מדובר באותו חיידק. מסתבר שבגוף החולה החיידק מתנהג אחרת. הוא אינו יחידאי כפי שצפינו בו במעבדה. החיידקים משתפים ביניהם פעולה ויוצרים מבנים קרומיים רב תאים המכונים ביופילמים (biofilms). בקרומים אלה משתנה המטבוליזם של החיידק היחידני. על פני המעטפת החיצונית של החיידק מופיעים חלבונים חדשים, ואלה מסייעים לו בהתקשרות הפיזית עם שכניו. חלבונים אחרים, למשל כאלה האחראים לתנועה של חיידק, מפסיקים להיווצר. החיידק מפריש לסביבה את כל הארסנל התוקפני שלו, רעלנים ואנזימים מסוגים שונים, שהם הגורמים לתסמיני המחלה שאותם אנו מזהים אצל החולה - שהחיידק היחידני אינו מפריש. השיכוב (מהמילה שכבות) של החיידקים בקרום מקשה על החומרים האנטיביוטיים להגיע אליהם, ואם נפגעים חיידקים מהחומרים האנטיביוטיים, אלה רק החיידקים שבחזית הקרום, ואילו החיידקים שבשכבות הפנימיות של הקרום לא נפגעים בכלל.

קרום של Psudomonas aeruginosa

הראשון שהבחין בקרומים החיידקיים, בלי שהגדיר אותם ככאלה, עוד במהלך המאה ה-17, היה אנטוני ון לוונהוק. הוא צפה, מבעד למיקרוסקופ שבנה, בחומר הלבן שגירד משיניו. החלוץ במחקר הקרומים החיידקיים בזמננו הוא המיקרוביולוג ויליאם קוסטרטון (Costerton) מאוניברסיטת מונטנה. בשנות השבעים של המאה הקודמת הוא חקר את האקולוגיה של החיידקים בפלגים הזורמים בהרים ומצא ש- 99.99 אחוזים מחיידקים אלה ספוחים לסלעים בשכבה רירית. הוא טבע את המונח Biofilm (שאותו תרגמנו לקרום ביולוגי, או קרום חיידקי), שבו אנו משתמשים עד היום.

וכיצד יודעים חיידקי ה-Pseudomonas להשתנות ממצב יחידאי למצב "קרומי"? - מסתבר שמדובר בשילוב של שני גורמים. הראשון - התחושה של החיידקים שהם לא לבד, והשני, קיום של משטח שעליו יוכלו ליצור את הקרום. ייתכן שקיימים גם גורמים נוספים.

כיצד חשים החיידקים שהם לא לבד? מסתבר כי כל חיידק (לא רק Psudomonas, אלא גם חיידקים ממינים קרובים אחרים) מפריש לסביבתו הקרובה מולקולות של acyl homoserine lactones (AHLs). אם החיידק לבדו - ה-AHL יימהל בסביבה. כאשר תהייה כמות מספיקה של חיידקים - כתוצאה מהתרבות או מהתכנסות, תצטבר בסביבה כמות מספקת כך שה-AHL יחזור ויחדור לחיידקים ויפעיל בהם את כל השינויים הנצפים במעבר מהמצב היחידני למצב הקרומי. תופעה זו מכונה חישת הקוורום (Quorum sensing).

הנוסחה הכימית של ה-AHL של Vibrio fischeri

חישת הקוורום אינה תופעה יוצאת דופן בחיידקים. היא אופיינה לראשונה בחיידקים המאירים, Vibrio (Photobacterium) fischeri המאכלסים כיסי הארה בדגים וביצורי ים אחרים. כיס ההארה של הדג ריק במשך היום, ורק לקראת חשכה מופרש מהכיס חומר כימוטקטי (מושך), שגורם לחיידקים לנוע לעבר הכיס ולהיכנס אליו. כל עוד החיידקים לבדם, או בכמות נמוכה, הם אינם מאירים, ורק שהם חשים שמספרם גדול מספיק, הם מתחילים להאיר בבת אחת.

ונחזור אלינו. בחלל הפה שלנו, על השיניים, מצטרפים כל לילה, כשאנחנו שוכבים לישון, מיליוני חיידקים, מכ-400 מינים שונים, לקרום הביולוגי שאנו מכנים פלַק (plaque). חלקם הם ריבוי טבעי של חיידקים, וחלקם חיידקים שהגיעו עם המזון לפה. הסוכר שאנו אוכלים משמש להם כחומר מוצא לפולימר דקסטרן, המהווה את ה"שלד" של הקרום הזה. מברשת השיניים שלנו מצליחה להסיר רק חלק ממנו.

קרום חיידקי על שיניים

כל משטח לא טבעי שמוכנס לגופנו, כולל טבעת תוך רחמית נגד הריון, קטטר, קוצב לב, או קופסית קול (המחליפה את מיתרי הקול), מתכסה במהירות בקרום של חיידקים ממינים שונים - וזה מהווה לעתים מקור לזיהומים חוזרים ונשנים ואף עלול לחייב ניתוחים חוזרים להחלפת האביזר המושתל. בחולים שבהם שמערכת החיסון שלהם אינה תקינה, נוצרים קרומים חיידקיים קטלניים במקומות שהמערכת התקינה לא מאפשרת זאת - למשל P. aeruginosa ברֵיאות של חולי ציסטיק פיברוזיס.

קרום חיידקי על קטטר

אדמת החול בנגב מכוסה בקרום המבוסס על חיידקים כחוליים מהסוג Microcoleus, שאליהם מצטרפים, אם התנאים מאפשרים זאת, חיידקים כחוליים נוספים ואף אצות ופטריות. קרומים אלה מקטינים את החדירות של הקרקע למים ומגדילים את כמות הנגר העילי, שלו חשיבות רבה במאזן המים באזור, ופגיעה בהם (למשל על ידי נסיעה עליהם בג'יפים ובטרקטורונים) מזרזת תהליכים של סחף ומדבור.

קרומים חיידקיים מאפיינים סלעים ומשטחים של מתכות הטבולים במי הים. קרומים כאלה, שבהם מעורבים חיידקי גופרית (המפרישים לסביבתם גם חומצה גופרתית) מזרזים תהליכים של בלייה (קורוזיה) וגורמים נזקים של מיליוני דולרים לתעשיית המתכות ולמערכות הובלת המים.

האצה Delisea pulchra, בחופי אוסטרליה, מצאה דרך מקורית להיפטר מהקרומים החיידקיים המקיפים את כל המשטחים הדוממים שמסביב לה. היא מפרישה חומרים מיוחדים, הנקראים Furanones. חומרים אלה אינם קוטלים את החיידקים המגיעים אליה, אלא משבשים את התקשורת ביניהם וכתוצאה מכך לא נוצר הקרום. מוטנטים של האצה שאינם מייצרים את ה-Furanones אינם שורדים, כי "העלים" של האצה מתכסים בקרום חיידקי שמפחית בצורה משמעותית את כמות האור המגיעה אליהם, והם אינם מצליחים לבצע פוטוסינתזה.

גם החלבון Lactoferrin, המהווה חלק ממערכת החיסון שלנו, ונמצא בדמעות ובהפרשות גוף אחרות, משבש היווצרות קרומים חיידקיים - גם אלה של P. aeruginosa, שהוזכר למעלה.

האם חומרים המשבשים את התקשורת הבין-חיידקית יהוו את התרופות של העידן הבא, הבתר-אנטיביוטי? ניסויים ראשונים בבעלי-חיים שנעשו בדנמרק מעוררים תקווה כזו.

לסיכום: בקרומים החיידקיים יש התמיינות. בחיידקים מתקיימת תקשורת כימית בין חיידקים בני אותו מין ביולוגי ובין חיידקים מסוגים שונים וכן בין חיידקים למאכסניהם. ניתן לסכם זאת במשפט אחד: החיידקים הם יצורים רב-תאיים. ויש הטוענים שהחיידקים הפלנקטוניים, שאותם אנחנו מכירים מהמעבדה, הם בסך הכול צורת ביניים שמאפיינת רק חיידקים במעבר מקרום חיידקי אחד למשנהו.

פורסם במקור ב"גליליאו" 101,  ינואר 2007.