כל אחד הוא אור קטן, וכולנו אור איתן

חיידקים זוהרים בחרקים, באיברי הארה בדגים וביצורים ימיים אחרים: כיצד, ואיך מנצל אותם האדם?

נעסוק הפעם, מעט לאחר חג האורים, בחיידקים הפולטים אור. חיידקים אלה חיים בחופשיות, בעיקר במי האוקיינוסים, אך לא רק שם, או בסימביוזה עם יצורים מפותחים יותר בים וביבשה.

חרקים זוהרים

לפני למעלה מ-400 שנה דיווח הבוטנאי וחוקר הטבע אוליס אלדרובנדי (Aldrovandi, 1605-1522) על חרקים מאירים, שאינם גחליליות (שבהן ההארה היא תוצר הפעילות המטבולית של הגחלילית עצמה). אך רק בשנות השבעים של המאה הקודמת גילה ג'ורג' פוינר (Poinar) שמדובר במערכת משולשת - חרק, תולעת טפילה קטלנית, וחיידקים זוהרים שמכונים היום Photorhabdus luminescens.

הסוג Photorhabdus, ממשפחת ה-Enterobacteriaceae, כולל מספר מינים של חיידקי מעיים סימביונטים בתולעי אדמה (soil nematodes, מהסוגים Neoaplectana ו-Heterorhabditis), אך הם אינם מתרבים בהן. התולעים מדביקות חרקים במהלך מחזור חייהן כאשר הן חודרות למערכת העיכול של החרק דרך הפה. ממערכת העיכול חודרות התולעים למערכת ההמולימפה של החרק, אז מופרשים החיידקים, ועמם ביצי התולעת והרעלנים של החיידק (הקוטלים את החרק בתוך יום או יומיים) ושם, במערכת ההמולימפה, הם מתרבים. התולעים אינן יכולות להשלים את מחזור חייהן ללא החיידקים, מכיוון שהאחרונים מעכבים גידול של חיידקים אחרים ומספקים לצאצאי התולעת מזון וגורמי גידול חיוניים (בעיקר על-ידי מניעת הרקבון של החרק ופירוקו למרכיביו). חיידקי P. luminescens זוהרים לאחר כ-20 שעות במערכת הלימפה של החרק,

במשך כארבע שעות. כל צאצאי התולעת יוצאים מהחרק כשהם מאוכלסים בחיידקים. כאשר החיידקים חודרים לפצעים של בני אדם, לרוב מאדמה שהיו בה פגרי חרקים, זוהרים גם הפצעים בחשיכה, עקב התרבות חיידקי P. luminescens גם שם. התרבות חיידקים אלה בפצע אינה בעייתית, והיא אף מזרזת את החלמת הפצע עקב הפרשת החומרים האנטיביוטיים. הדיווחים הראשונים הידועים לנו על הפצעים הזוהרים מוכרים ממלחמת האזרחים האמריקנית. לא ברור מה היתרון הביולוגי שהזהירה מקנה לחיידקים ו/או למאכסניהם.

חיידקים מאירים יבשתיים אחרים נמצאים בפגרים של בעלי חיים שונים ובחומר צמחי נרקב.

איברי הארה בדגים ובדיונונים

כל מי שביקר במצפה התת-ימי באילת ונכנס לחדר החשוך, ראה נקודות של אור המתרוצצות באקווריומים: "נקודות אור" אלה אינן אלא דגים ויצורים ימיים אחרים שלהם איברי הארה. באיברי הארה אלה נמצאים חיידקים זוהרים, לרוב מהמין Aliivibrio fischeri - החיידקים הם הפולטים את האור.

בתמונה הקטנה: הדיונון Euprymna scolopes, מהשוניות של איי הוואי. גודלו מגיע לשלושה ס"מ.
בתמונה הגדולה: מבט מלמטה אל איבר ההארה המסומן בכוכבית וממוקם במרכז הגלימה, בקידמת הגוף. חץ לבן: מקום
כניסת החיידקים; חץ שחור: מקום יציאתם. התפתחות האיבר מושרית בדיונונים הצעירים על-ידי נוכחות החיידקים.
By kind permission of Dr. Margaret McFall-Ngai, Department of Medical Microbiology, University of Wisconsin-Madison

כיצד מגיעים החיידקים אל איברי הארה אלה? מכיסי הארה אלה מופרשים, לקראת ערוב היום, חומרי משיכה לחיידקים הנמצאים במי הים. החיידקים, הנמצאים במהלך היום במי הים ואינם מאירים, נעים בהתאם למפל הריכוזים של החומר המושך, תהליך המכונה כֵמוֹטַקסיס, ונכנסים לאיבר ההארה, שם הם מצטברים ומתרבים.

בשנת 1970 גילו קנת נילסן (Nealson) וג'ון הסטינגס (Hastings) מאוניברסיטת הרווארד, שחיידקים שבודדו מאיברי הארה אלה אינם זוהרים בקביעות. בתחילת הגידול של החיידקים במבחנה (ובאיבר ההארה) הם לא זהרו כלל, ורק כשהצטברה כמות מספיקה של חיידקים, הם החלו להאיר בבת אחת.

כיצד "חשים" החיידקים שהם נמצאים בכמות מספקת? מתברר שפועלת כאן מערכת בקרה פשוטה אך מתוחכמת: כל חיידק מפריש בקביעות לסביבה מַשרָן עצמי (autoinducer: במקרה של החיידקים המאירים מדובר בנגזרת של החומצה האמינית סרין). כל עוד החיידקים מועטים נמהל המשרן העצמי בסביבה. אך בחלל סגור (כמו בכיס ההארה או במבחנה) וכשמספר החיידקים עולה - עולה ריכוז המשרן העצמי בתמיסה עד שהוא חודר אל חיידקים, מתחבר לחלבון המפעיל (activator) הלא פעיל של מערכת ההארה, מפעיל אותו וזה גורם להפעלתה של מערכת ההארה. עצם ההפעלה של מערכת ההארה כוללת גם הפרשה ביתר של המשרן העצמי, כך שריכוזו ממשיך ועולה וההארה מתגברת. תופעה זו מכונה חישת הצפיפות או חישת הקוורום (quorum sensing).

חישת הצפיפות באמצעות משרן עצמי אופיינה אמנם לראשונה בחיידקים זוהרים אלה, אך בעקבותיה באו עוד תגליות בחיידקים רבים אחרים, שאחריהן "הוכרזו" החיידקים, בניגוד למה שהיה מקובל עד אז, כיצורים רב תאיים. (וראו "החיים הקרומיים של החיידקים", "גליליאו" 101).

בבעלי החיים הימיים אפשר למצוא יתרונות ממשיים לשילוב של המאכסן והחיידקים. למשל, לדיונון Euprymna scolopes, שהוא טורף לילי, האיבר הזוהר "מסווה" אותו מהטרף הפוטנציאלי שלו הנמצא מתחתיו, והחיידקים מרוויחים מקום מוגן וחומרי הזנה המסופקים על-ידי הדיונון.

חיידקים זוהרים ימיים אחרים שוחים בחופשיות ופולטים אור ללא קשר לבעלי חיים גדולים יותר.

חיידקים זוהרים באיבר ההארה של הדיונון בהסתכלות דרך מיקרוסקופ.
By kind permission of Dr. Margaret McFall-Ngai, Department of Medical Microbiology, University of Wisconsin-Madison

מערכת ההארה

המערכת האנזימית הקיימת בחיידקים המאירים, היבשתיים והימיים, מכונה Luciferase. בריאקציה שמוציא לפועל האנזים נפלט אור (hv - 490 nm), בנוכחות חמצן, מחמצון של ריבופלווין פוספט מחוזר (FMNH₂) ואלדהיד (RCHO):

(FMNH₂ + RCHO + O₂ -> FMN + H₂O + RCOOH + hv (490 nm.

האנזים החיידקי המקורי מורכב משתי תת יחידות, LuxA ו-LuxB. במעבדה הצליחו לאחות ביניהם וליצור חלבון מהונדס אחד - LuxAB המסוגל להתבטא גם בתאים איקריוטיים (תאי צמחים ובעלי חיים) מהונדסים.

שימושים של מערכת ההארה

מערכות ההארה של Vibrio fischeri וחיידקים אחרים הוכנסו ל-Escherichia coli, לחיידקים אחרים ואף לתאי שמרים

ויצורים איקריוטיים גבוהים יותר. חיידקים אלה פולטים אור ברציפות (כל עוד יש חמצן וחומרי הגלם של מערכת ההארה). באמצעות חיידקים מהונדסים כאלה אפשר לבדוק הימצאות של חומרים מזהמים במי שתייה על-ידי השוואת מידת ההארה בתמיסה נקייה לעומת התמיסה הנבדקת. ירידה בעוצמת ההארה היא מדד לזיהום הפוגע באספקת החמצן ו/או בחיוניות של החיידקים. אפשרות אחרת, הפוכה, תגרום לחיידקים מהונדסים, שבהם מערכת ההארה מותאמת לכך, לפלוט אור בגלל נוכחות רעלים ומזהמים במים.

סיכום

תופעת החיידקים הזוהרים מעלה שאלות ביולוגיות מעניינות ויש לה גם שימוש מעשי במעבדות מחקר וכן באיתור זיהומים.

^* "באנו חושך לגרש", מילים: שרה לוי תנאי, לחן: עמנואל עמירן

פורסם במקור ב"גליליאו" גיליון 137, עמ' 73-72, ינואר 2010.