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.

חיידקים - נשק ביולוגי - Bioweapon

שימוש בחיידקים ובמחלות שהם גורמים כנשק ביולוגי מוכר בהיסטוריה הצבאית, בעיקר בחיידקי הדבר והגחלת, אך גם חיידקים אחרים "גויסו" למאמץ המלחמתי.

דבר (plague)

מחלת הדבר, שהיום אנו יודעים שגורם לה החיידק Yersinia pestis, הייתה מוכרת כמחלה מידבקת מאוד. השימוש המודע הראשון בגופות של חיילים שמתו מדבר כנשק ביולוגי היה כנראה ב-1155, כשחייליו של הקיסר הגרמני פרידריך ברברוסה השליכו את גופות חבריהם שמתו מדבר לבארות המים של טורטונה (שבצפון איטליה). לא ידוע אם המתקפה הביולוגית צלחה בידם, אך בסופו של דבר החריב ברברוסה את העיר.

מגפת דבר, שפרצה ב-1346 במחנה הטטרים הצרים על קָפָה (Caffa, תאודסיה, היום פאודסיה) בחצי האי קרים (שבמערב אוקראינה), אילצה אותם להסיר את המצור ולנטוש את המערכה. לפני שעזבו הם השליכו את גופות חבריהם, שמתו מהמחלה, מעבר לחומת העיר. המגפה שפרצה בקָפָה גרמה לגנואזים (ששלטו בעיר) לנטוש את העיר ולחזור בספינותיהם לסיציליה, לפיזה ולגנואה. הם כנראה הביאו עמם בספינותיהם חולדות שנשאו את המחלה - שהתפשטה וגרמה למגפת הדבר הגדולה שהחלה שנה אחר כך (1352-1347), וקטלה כשליש מאוכלוסיית אירופה. בשנת 1710 ניסו הרוסים לחולל מגפה בעיר האסטונית רֶבל (Reval) שהייתה בשליטת השוודים. מגפת דבר אמנם פרצה באזור, אך לא ברור אם היא פרצה בגלל פעילות הרוסים.

הניסיון האחרון (עד כה) להפיץ את מחלת הדבר נעשה ב-1940, במהלך מלחמת העולם השנייה. כשהחיידק ודרכי העברתו כבר היו מוכרים פיזרו מטוסי קרב של הצבא היפני פרעושים נושאי חיידקי דבר באזור העיר נינגבּוֹ (Ningbo) שבסין וצירפו להם גרגרי חיטה כדי למשוך חולדות מקומיות. החולדות העבירו את המחלה לאנשים. פרצה מגפה מקומית שנמשכת בעצם עד ימים אלה. באותו הזמן באזור העיר קוּזוּ (Quzhou) שבסין הושלכו באמצעים דומים גם חיידקי הריקציה (Rickettsia prowasekii), הגורמים לטיפוס.

חיידקי Yersinia pestis, הגורמים לדבר, על מצע אגר דם
CDC/ Megan Mathias and J. Todd Parker

גחלת (anthrax)
חיידקי הגחלת (Bacillus anthracis), היוצרים נבגים שניתן לאחסנם ולפזרם באבקה, הם כנראה הנשק הביולוגי המפורסם ביותר היום. הניסיון הראשון לשימוש בחיידקי הגחלת (Anthrax) כנשק ביולוגי נעשה על ידי הצבא היפני לפני מלחמת העולם השנייה ובמהלכה. היפנים ניסו לפתח פצצות מתפצלות המכילות חיידקי גחלת. אבל הניסיון לא צלח.

משנת 1942 ערך הצבא הבריטי באי גרוּינַרד (Gruinard) שבסקוטלנד ניסויים בחיידקי הגחלת (וייתכן שגם בגורמי מחלה אחרים) כנשק ביולוגי. האי זוהם לעשרות שנים. בארצות הברית פוזרה אבקה של חיידקי Bacillus אחרים, באזור החוף של סן פרנציסקו, כדי לדמות התקפה של חיידקי גחלת.

גם הרוסים פיתחו מאגר של לפחות ארבעה זנים שונים של החיידק, במפעל באזור סברדלובסק (בדרום הרי אורל). בשנת 1979 הייתה תקלה במפעל והיא גרמה להשתחררות כמות גדולה של נבגים לאוויר ועשרות אנשים נפגעו. בשנת 1988 העביר הצבא הרוסי מאות טונות של אבקת חיידקי גחלת, מסברדלובסק לאי ווזרוז'דנייה שביַמַת ארל (בין אוזבקיסטן לקזחסטן), והיא נקברה שם לאחר שטופלה בכלור. האי מזוהם עד היום, למרות הטיפול.

נבגים של Bacillus anthracis  במיקרוסקופ אלקטרונים

צילום: CDC/Janice Haney Carr

בשנים 1995-1993 היו לכת היפנית "האמת הצרופה" (אוּם שיניריקיוֹ - Aum Shinrikyo) כתשעה ניסיונות פיזור כושלים של חיידקי גחלת ברכבת התחתית בטוקיו. הפיזור נכשל בגלל שהשתמשו (כנראה בטעות) בזן של חיידקי גחלת ששימש לחיסון.

בספטמבר 2001, לאחר שגורם שזהותו לא ידועה עד היום, שלח מספר מעטפות שהכילו אבקה המכילה נבגים למשרדי ממשל ותקשורת בארצות הברית נפגעו בסופו של דבר 23 אנשים, וחמישה מהם מתו - אך הבהלה שנוצרה כתוצאה מכך היתה משמעותית.

מעטפות הגחלת בניו יורק והמכתב המצורף לאחד מהם.

צרעת (leprosy)

גם מחלת הצרעת, שגורם לה החיידק Mycobacterium leprae, שגם היום לא ברור עד כמה וכיצד היא מידבקת משכה את תשומת הלב הצבאית. בשנת 1495, ליד נפולי שבאיטליה, השאירו החיילים הספרדים לחיילים הצרפתים יין מזוהם בדם של חולי צרעת. החיילים הצרפתים כנראה שתו מהיין, אך לא חלו.

נחרת (Glanders)
ברומניה ובסוריה, במהלך מלחמת העולם הראשונה, הדביקו סוכנים גרמנים משלוחי סוסים ובקר של אויביהם בחיידקי Burkholderia mallei, הגורמים למחלת הנחרת.

חיידקי מעיים
חיידקים הגורמים למחלות מעיים גויסו גם הם לאירועי טרור מקומיים. בשנת 1984, בעיר קטנה באורגון שבארצות הברית, פיזרה כת דתית חיידקי Salmonella בעשר מסעדות, כדי להשפיע על תוצאות הבחירות המקומיות. במחלה חלו 751 איש. בשנת 1996 בטקסס חלתה בדיזנטריה קבוצת עובדי מעבדה שהוזמנו בדואר אלקטרוני לאכול עוגיות שזוהמו במתכוון בחיידקי Shigella dysenteriae.

ולסיכום
קל וזול, יחסית לנשק אחר, להשתמש בחיידקים (ובנגיפים) ללוחמה ביולוגית. החשש הגדול הוא שהשימוש בהם יתרחב, בעיקר לאירועי טרור.

פורסם לראשונה באתר הקורס "עולם החיידקים" באוניברסיטה הפתוחה.