קרינה קטלנית היא אחד האמצעים להיפטר מחיידקים לא-רצויים, אך יש חיידקים המשתמשים בעקיפין באותה קרינה כמקור אנרגיה, ואחרים העמידים לרמות קרינה "שלא מהעולם הזה"
בחדרי ניתוח מודרניים משתמשים במנורות UV (אור אולטרה סגול) המותקנות בחדר. מנורות אלו דולקות כשהחדר ריק מאדם כדי להשמיד את כל המיקרואורגניזמים שהחיטוי באמצעים אחרים לא השמיד. מתקני קרינת UV נמצאים גם ב-Biological safety cabinets – תאים מיוחדים המשמשים לעבודה עם חיידקים ונגיפים מסוכנים – שם הם משמשים לחיטוי המתקנים לפני ואחרי העבודה.
קרינה יכולה להיות קטלנית לכל היצורים ולא רק למיקרואורגניזמים. אף שאנו משתמשים בקרינה כדי להשמיד יצורים חד-תאיים, הרי שהם רגישים לקרינה דווקא פחות מאשר יצורים רב-תאיים. מדד לעניין זה הוא LD50) lethal dose 50), כלומר מנת הקרינה הקוטלת 50% מאוכלוסייה נתונה. בחיידקים, LD50 היא באופן רגיל גבוהה פי 10 מזו הקוטלת יצורים רב-תאיים (כדוגמת בני-אדם).
מחוץ לבתי-החולים משתמשים בקרינת גאמא (קרינה רדיואקטיבית) לעיקור של שני סוגי מוצרים – אספקה רפואית, כגון מכשירים כירורגיים, חומרי תפירה, כלי מעבדה חד-פעמיים, תרופות, מזרקים, כפפות וקטטרים; ומוצרי מזון, ובהם מוצרי בשר ועוף, בעיקר טחונים, ירקות ותבלינים.
כיצד משפיעה הקרינה על יצורים חיים?
כפי שהזכרנו בחלקים הקודמים אפשר לחלק את סוגי הקרינה האלקטרומגנטית לשתי קבוצות: קרינה שאינה מייננת וקרינה מייננת.
קרינה שאינה מייננת היא באורכי גל ארוכים יחסית והיא כוללת גלי רדיו וטלוויזיה, טלפונים ניידים, מכ"ם, גלי מיקרו, קרינה תת-אדומה, אור נראה ורוב הקרינה העל-סגולה (UV). קרינה זו פוגעת בפני השטח בלבד, ואינה חודרת לעומקם של חומרים.
קרינת מיקרו מתבטאת בעיקר בהתחממות. קרינה על-סגולה נקלטת ב-DNA וגורמת להיווצרות דימרים (צמדים) של בסיסים ולעיוותים במבנה. מספר רב מדי של עיוותי מבנה ב-DNA (שהתא אינו מספיק לתקן) גורמים לשגיאות בהכפלת ה-DNA ולמות התא.
קרינה מייננת היא קטלנית ליצורים חיים. זוהי קרינה באורכי גל קצרים יותר, הכוללת חלק מהקרינה העל-סגולה, קרני רנטגן (קרינת X), קרינת גמא (γ) וקרינה קוסמית. קרינה כזו גורמת לשינויים בהרכב האלקטרונים של המולקולות שדרכן היא עוברת, ומשרה יצירת יונים, רדיקלים חופשיים ואלקטרונים חופשיים, הגורמים נזק חמור למולקולות רבות בתאים, ובעיקר ל-DNA. קרינה מייננת חודרת לתוך הגופים המוקרנים.
לצרכים תעשייתיים משמשת בעיקר קרינת גמא. המקורות המסחריים לקרינה זו הם האיזוטופים הרדיואקטיביים קובלט-60 וצזיום-137, שהם תוצרי לוואי של פעילות כורים גרעיניים.
למעלה: סימון אזהרה מפני קרינה. למטה: סימון למזון שעוקר בקרינת גמא
יחידת הקרינה השימושית בעבודה עם חיידקים הht גריי (gray): ספיגת ג'אול אחד של אנרגיה בקילוגרם אחד של חומר.
קרינה רדיואקטיבית כמקור (עקיף) לאנרגיה
בדרום-אפריקה, שלושה קילומטרים מתחת לפני האדמה, קיים בית-גידול שלא הופרע עד כה בפעילות אנושית, בו חיים כמה מינים של חיידקים וארכאונים. לבית-הגידול הזה לא חודרת קרינת השמש כך שאין שם פוטוסינתזה, אך יש שם סלעים המכילים אורניום רדיואקטיבי ותרכובות גופרית. החיידק העיקרי (כ-88%) החי בבית-הגידול הזה הוא Desulforudis audaxviator מחטיבת הפירמיקוּטים (Firmicutes).
לאחר בדיקת המטבוליטים שבסביבה הסיקו החוקרים שהחיידק קולט בעקיפין את אנרגיית הקרינה הרדיואקטיבית הנפלטת מהאורניום, הגורמת לפירוקן של מולקולות מים ולפליטת מימן מולקולרי. החיידק מחמצן באמצעות הגופרית את המימן המולקולרי, והאנרגיה המשתחררת בתהליך היא המזינה אותו ואת שאר החיידקים והארכאונים שבמערכת, הניזונים כנראה מהחיידק עצמו או מתוצרים שהוא מפריש לסביבה.
החיידק העמיד לקרינה "שלא מהעולם הזה"
בשנת 1956, במפעל לייצור שימורי בשר באורגון, ארצות-הברית, התקלקל מזון בכמה קופסאות שימורים שהוקרנו בקרינת גמא. בקופסאות המוקרנות מצאו החוקרים חיידק אווירני, גראם-חיובי, בעל צבען ורוד, שכיום מוכר בשם Deinococcus radiodurans (ביוונית, Deinos פירושו "מוזר"). התברר שהחיידק עמיד מאד בקרינה: ברמת קרינה של 10,000 גריי עדיין שורדים חלק מהחיידקים. לשם השוואה, רמת קרינה של 5-6 גריי היא קטלנית לבני-אדם ורמת קרינה של 1,000 גריי תעקר תמיסה של חיידקי Escherichia coli. רמות כה גבוהות של קרינה, לא התקיימו, למיטב ידיעתנו, על פני כדור-הארץ, גם לא בימיו הראשונים.
החיידק המוזר עמיד גם בתנאי יובש וקור קיצוניים ביותר. עמידותו לשלושת הגורמים האלה – קרינה, קור ויובש – זיכתה את החיידק בתואר "החיידק הקשוח ביותר בעולם" [2], ובתואר זה הוא נכלל ב-1995 בספר השיאים של גינס.
נוסף על עמידותו בתנאים קיצוניים, חיידק זה מוזר גם בכך שהוא החיידק היחיד הגראם-חיובי, שאינו משתייך לחטיבות ה-Firmicutes וה-Actinobacteria, אלא לחטיבה קטנה אחרת, הנקראת על שמו – Deinococales – וכוללת מלבדו רק חיידקים גראם-שליליים, בחינה מדוקדקת של המעטפת שלו גילתה תוספת של כמה שכבות הייחודיות רק לחיידק זה, והן שמונעות את שטיפת תצמיד הצבע-יוד מהחיידק.
הקרינה פוגעת בחומר התורשתי של החיידק, והחיידק משתמש בכמה מערכות אנזימיות לתיקון נזקי 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 של חיידק זה? – בבדיקה מדוקדקת של מערכות התיקון של D. radiodurans, ואף החלפתן באנזימי מפתח מקבילים מ-E. coli, התברר שאכן מערכות התיקון הכרחיות לעמידות, אך לא הן האחראיות לעמידות-היתר של החיידק.
צביעת גימזה של רביעיות חיידקי Deinococcus radiodurans מבעד למיקרוסקופ אור. הכרומוזומים נצבעים בשחור.
הפתרון התגלה במעבדתו של פרופסור אבי מינסקי (Minski) ממכון ויצמן בשנת 2003. הכרומוזום החיידקי ארוז במבנה הדוק דמוי-טבעת, שאינו מאפשר לשברי ה-DNA הנוצרים עקב נזקי הקרינה, והנפלטים מהכרומוזום – להגיע לציטופלזמה ולהיעלם בה. הדבר מאפשר למערכות התיקון לתקן את הנזקים בקלות יחסית – יש לחבר מחדש את חתיכות ה-DNA השבורות, ולא לייצר אותן מחדש. עובדה זו היא המקנה לחיידק עמידות כה גבוהה בפני קרינה. בהמשך הסתבר שהרביעיות הנצפות במיקרוסקופ אינן רביעיות חיידקים, אלא חיידק אחד המכיל ארבעה עותקים של הגנום, שכל אחד מהם נמצא במדור נפרד. לפחות שניים מהעותקים ארוזים תמיד במבנה הטבעתי ומשמשים כגיבוי, ואילו אחד מהעותקים האחרים או שניהם "משוחררים" מהמבנה הטבעתי ונמצאים בשימוש. אם נפגע אחד העותקים, הוא מתוקן על-ידי אנזימי התיקון, ומיד אחר-כך "משתחרר" אחד המבנים הטבעתיים במדור הסמוך והכרומוזום ה"משוחרר" עובר דרך פתח מיוחד למדור שבו נמצא הכרומוזום ה"מתוקן", לצורך השוואה ושחזור של המידע.
החיידק נרתם לצורכי ניקוי וטיהור של אזורים המזוהמים הן בפסולת כימית והן בפסולת רדיואקטיבית, שכן הקרינה הרדיואקטיבית קוטלת את החיידקים המוכרים המסוגלים לטהר ולמחזר את הפסולת הכימית, והאזור נשאר מזוהם. אמנם, D. radiodurans אינו מפרק ממסים אורגניים, דוגמת טולואן ופנול, אך הכנסת הגנים המתאימים לחיידק יצרה "חיידק-על" המסוגל לפרק את הממסים האורגניים בסביבה רדיואקטיבית. הכנסת גנים לעמידות ולתהליך המחזור של מתכות כבדות, דוגמת כספית (הפיכת יוני כספית רעילים לכספית מתכתית – שהיא פחות רעילה) יצרה את "החיידק הממחזר האולטימטיבי".
לקריאה נוספת
רשומה קודמת בנושא: על קרינה וחיידקים - אוקטובר 2007.
אדווה - ברוך "שלוש טבעות שמורות, אחת עובדת", "גליליאו" 54, פברואר 2002
המאמר ב-Science המתאר את בית-הגידול המיוחד בדרום-אפריקה:
Long-Term Sustainability of a High-Energy, Low-Diversity Crustal Biome, Lin et al., Science 20, October 2006: 479-482.
המאמר ב-Science המתאר את העמידות של Deinococcus radiodurans לקרינה:
Resistance to Radiation, Daly and Minton, Science 24, November 1995: 1318.
פןרסם באתר ובעמוד הפייסבוק של "מדע גדול, בקטנה" - כתבה שלישית בסדרת כתבות על קרינה - 11 בספטמבר 2017
השנייה: נזקי הקרינה המייננת - מור ארבל ופלג בר-ספיר (בפייסבוק)
אין תגובות:
הוסף רשומת תגובה