גם חיידקים מכורים לקפאין

על חיידקי E. coli מהונדסים, שינקו אזורים מזוהמים בקפאין

החומר הממריץ קפאין (Caffeine) מהווה מרכיב משמעותי במשקאות רבים שאנו שותים: בקפה (שעל שמו הגרמני, Kaffee, הוא נקרא), בתה ובקקאו הוא מהווה מרכיב טבעי בצמחי המוצא, וצמחים אלה אף משמשים כמקור לקפאין, אם כי הוא מיוצר גם במעבדות כימיות. הקפאין מהווה מרכיב של קולה ומשקאות אנרגיה למיניהם, וגם מהווה מרכיב בתרופות מסוימות (במגבירי נשימה וקצב הלב ובמשככי כאבים). מהו תפקידו של הקפאין ביותר מ-60 הצמחים המוכרים שבהם הוא קיים? בצמחים אלו הוא מהווה דוחה ו/או קוטל חרקים, ובכך מונע מהם לאכול את הצמח.

 המבנה הכימי של קפאין
1.3,7trimethylxanthine 

לאדם ממוצע (70-60 ק"ג), 300 מ"ג של קפאין ביום נחשבת ככמות בטוחה. מעל 500 מ"ג הקפאין רעיל גם לנו, ואז עלולה להתפתח הרעלת קפאין. ליצורים קטנים יותר, כמו חלק מהחיידקים, הוא קטלני גם בריכוזים נמוכים (2 מ"ג למ"ל); ריכוזים נמוכים של קפאין בשפכים, למשל, שמגיעים גם למי התהום, גורמים לעיכוב נביטה וגידול של צמחים. דבר זה נפוץ בעיקר באזורים עירוניים ותעשייתיים.

כמו כל דבר טבעי, קיימים בטבע חיידקים המסוגלים לפרק את הקפאין למרכיביו. חיידקים המפרקים קפאין הם חיידקי Pseudomonas putida CBB5. חיידקים אלה מפרקים את הקפאין לקסנתין (xanthine), היכול לשמש לחיידקים כמקור לחנקן, לפחמן ולאנרגיה, שמשמש לבניין גופם. המערכת האנזימתית האחראית לפרוק מכילה ארבעה גנים ומכונה Ndm (ר"ת של N-demethylation). כל הגנים ממוקמים באופרון (יחידה גנטית תפעולית אחת) אחד של החיידק.

דמתילציה של קפאין לקסנתין - על ידי אנזימי ה-Ndm

האם אפשר לרתום את חיידקי P. putida  לניקוי שפכים מקפאין? לא ממש: לא קל לעבוד עם חיידקים אלו בצורה תעשייתית. 

קבוצת חוקרים בראשות ג'פרי באריק (Barrick) מאוניברסיטת אוסטין שבטקסס ומני סוברמנין (Subramanian) מאוניברסיטת איובה שינתה את אופרון ה-Ndm של החיידקים כך שיוכל להתבטא בחיידק המוכּר  Escherichia coli, והחדירה אותו אליו. נוסף על כך, פגעו החוקרים באחד הגנים שאחראי לסינתזת הפּוּרינים (חלק מהבסיסים החנקניים המרכיבים את חומצות הגרעין, DNA ו-RNA) בתא החיידק, ובכך הפכו אותו לאוקסוטרוף - לחיידק התלוי בהספקת פורינים מבחוץ. הקסנתין - הנוצר מהקפאין - הוא חומר ביניים בסינתזת הפורינים, וממנו יכולים להיווצר הפורינים החסרים. כך נוצרו חיידקי  E. coli שבעצם "מכורים" לקפאין, ואינם יכולים לחיות בלעדיו. 

החיידקים המהונדסים שגשגו במעבדה במצעים שהכילו קוקה קולה, דיאט קולה, ומשקאות האנרגיה מונסטר רד-בול ומשקאות נוספים. הם לא שרדו במשקאות נטולי קפאין

במבחנה השמאלית ליד כל פחית גדלים חיידקי ביקורת ובמבחנה הימנית החיידקים המהונדסים.

בכוונת החוקרים לפזר את החיידקים המהונדסים במקומות המזוהמים בקפאין. כל עוד הזיהום יימשך ישגשגו החיידקים ויתרבו. כאשר יאזל הקפאין באזור שזוהם (ויהיה מעכשיו נקי מקפאין), ימותו החיידקים. במעבדה, כמות החיידקים הנמדדת לאחר התרבותם בתמיסה המזוהמת יכולה להוות מדד לכמות הזיהום. 

המקור: Mariana Fonseca of Bluesci, The University of Cambridge's science magazine.

לקריאה נוספת

המאמר המקורי

לפרוט המולקולרי של כל התהליך

רשומה זו עובדה לכתבה שפורסמה בגליליאו 179, יולי 2013