הגנום הקטן ביותר המאפשר חיים (Mycoplasma)

מהו התא הקטן ביותר? מה גודלו? כמה גנים דרושים לקיומו של תא כזה? והאם אפשר ללמוד ממנו על התאים הראשונים?

קוטרם של חיידקי ה-Mycoplasma, החיידקים החופשיים הקטנים ביותר, הוא כ-0.3 מיקרומטר. באוגוסט 1995 פרסמה קבוצתו של קרייג ונטר (Venter), את רצף הבסיסים של הגנום של  M. genitalium, חיידק החי גם במערכות המין והנשימה של פרימטים שונים, ובהם האדם. אורך הגנום של M. genitalium הוא 580,070 בסיסים, הכוללים 482 גנים המקודדים לחלבונים ו-43 גנים המקודדים למיני ה-RNA השונים.

ב-1999 בדקה קבוצתו של ונטר את הכרחיותם לתפקוד התא החיידקי של 482 הגנים לחלבונים של M. genitalium, והגנים המקבילים ב-M. pneumonia. החוקרים הישרו מוטציות שמונעות תפקודם של גנים מסוימים, ובסופו של דבר נמצאו כ-100 גנים שאינם חיוניים לקיומו של החיידק (לפחות כך בתנאי מעבדה). החיידק המוטנטי שהתקבל חי ותפקד כשבגנום שלו רק 387 גנים מקודדי חלבונים ו-43 גנים מקודדי RNA. לא היה ידוע מהו תפקודם בתא של כרבע מאותם גנים.

ב-2010 סינתזה הקבוצה של קרייג ונטר בהדרגה גנום שלם של M. mycoides, שלו גנום גדול יותר מזה של M. genitalium, מפני שזמן הדור שלו קצר יותר (3 שעות לעומת כ-9 שעות). שאותו הרכיבה מחלקיו בתוך תאים של שֶמר האפייה, והחדירה אותו לתוך סביבה תאית שמקורה בחיידק מיקופלזמה אחר, M. capricolum, שממנו הוצא הגנום המקורי. הצרוף של הסביבה התאית והגנום הסינתטי יצר חיידקי Mycoplasma הדומים בתכונותיהם לחיידקים שלהם שייך הגנום. כך החל עידן הגנומיקה הסינתטית – שבו אפשר להנדס גנומים שלמים של חיידקים ומיקרואורגניזמים אחרים תוך שימוש בגנים (מקוריים או סינתטיים) של יצורים אחרים בהתאם לצרכים שונים: רפואיים, תעשייתיים וסביבתיים, קיימים ועתידיים (ראו: בדרך לחיים מלאכותיים).

תצלום מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של חיידקי Mycoplasma mycoides שמקורם בתא "ריק" של M. capricolum
שאליו הוחדר הכרומוזום הסינתטי.
J. Craig Venter Institute. Provided by Tom Deerinck and Mark Ellisman of the National Center
for Microscopy and Imaging Research at the University of California at San Diego

בעידן הגנומיקה הסינתטית, אפשר לסנתז במבחנה גנום מלאכותי, ולהחדיר אותו לתוך תא מתאים שממנו הוצא הגנום המקורי, ולבדוק האם התא מתקיים ומכפיל את עצמו. קבוצתו של ונטר יישמה את התהליך הזה לבדיקת המספר המזערי של הגנים הדרושים לחיים. כמו כן הם ביקשו לברר מה תפקידו של כל גן.

קבוצתו של ונטר המשיכה לחקור את הגנום של M. mycoides. הם חילקו את הגנום לשמונה חלקים וחקרו כל חלק בנפרד, כאשר בשלבי הביניים הם יוצרים חיידק שבו שבע שמיניות של גנום מקורי ורק השמינית הנותרת מקוצצת (שמונה צרופים שונים שכל אחד מהם תפקד היטב בנפרד). להפתעתם, הגנום הסינתטי המלא (שכלל את כל השמיניות המקוצצות) לא תפקד והתא החיידקי לא שרד. אז הסתבר שהם לא התייחסו לעובדה, שלחלק מהגנים החשובים יש אלטרנטיבות, שבעצם מגבות אחת את השנייה. ולכן בעצם שני הגנים – כל אחד בנפרד אינו חיוני. אך אחד מהם חייב לתפקד כדי שהתא יוכל להתקיים.

זיהוי הגנים "הכפולים" ושילוב אחד מהם בגנום הסינתטי הובילו בסופו של תהליך ליצירת גנום מזערי, שאורכו 531 אלפי נוקליאוטידים, גנום המכיל 473 גנים חיוניים (438 גנים מקודדי חלבונים ו-35 גנים מקודדי RNA – כמחצית מהגנום המקורי). החיידק שהוחדר לו גנום זה, שכונה JCVI-syn3.0, תיפקד היטב בתנאי המעבדה, ונראה מאד דומה לחיידק המקורי. גנים חיוניים רבים היו קשורים לפרוק מטבולי של גלוקוז, להכפלה ולביטוי של החומר התורשתי, ולסינתזה של מקרומולקולות תאיות. אך עבור 149 (מתוך ה-438) מהגנים האלה עדיין לא ידוע לאילו פונקציות חיוניות הן אחראיות.

חשוב להדגיש – חלק מהגנים שהוגדרו בתהליך זה כלֹא חיוניים, הם כאלה בגלל תנאי המעבדה, שהם תנאים שאינם זהים לתנאי טבע. בתנאים טבעיים חלק מהם חיוניים להשרדות (למשל כל הגנים שמאפשרים לחיידק להתמודד עם נגיפי חיידקים), ולהתאמה לסביבה הטבעית.

להרחבה:
המאמר המקורי: מכתב העת Science, מה-25 במרץ 2016

בדרך לחיים מלאכותיים?

יפורסם גם ב"גליליאו" 212, מאי 2016