אבולוציה במעבדה - כיצד "התפתח" ב-Escherichia coli נשא לחומצת הלימון

היום, ה-12 בפברואר, הוא יום הולדתו ה-211 של צ'רלס דרווין (Darwin). היום, כמו בכל שנה, אנו חוגגים את יום דרווין העולמי. לכבוד יום זה אתאר ניסוי מתמשך המדגים תהליך אבולוציה במבחנה, בחיידקי Escherichia coli.

באמצע המאה ה-19, העלה צ'רלס דרווין בספרו "מוצא המינים" (On the origin of species) את הסברה שכל היצורים נוצרו אלה מאלה בתהליכים של שינויים אקראיים במידע העובר בהורשה (אז כמובן עדיין לא היה ידוע כיצד), ובאמצעות ברירה של פרטים המתאימים יותר לסביבתם בעקבות הבדלים בהעמדת צאצאים בין פרטים המותאמים טוב יותר לסביבתם לבין אלה המותאמים פחות.

12 התרביות של הניסוי, , ביום שבו אותרה המוטציה המיוחלת. שימו לב לעכירות ב-A-3

צילום: Brian Baer and Neerja Hajela

כיום כבר מוכר החומר התורשתי (DNA או RNA) וגם מוכרים השינויים החלים בו - המוטציות, המאפשרות את הופעת השינויים האקראיים הנבררים בלחץ תנאי הסביבה. כמו כן ידוע היום, שמלבד השינויים הגנטיים החלים בפרט מסוים, הוא יכול "לרכוש" מידע גנטי חדש באמצעות קליטת חומר תורשתי משכניו. חיידקים יכולים לקלוט חומר תורשתי כפלסמידים (קטעי DNA המשוכפלים בתא החיידק בנפרד מהכרומוזום שלו) ומגוון רחב של אורגניזמים קולטים חומר תורשתי זר מנגיפים. תופעה זו מכונה העברה אופקית (Horizontal gene transfer).

באמצעות המערכת הניסויית המתוארת להלן, שפותחה במעבדתו של ריצ'רד לנסקי (Lenski) באוניברסיטת מישיגן, הצליחו החוקרים להראות התפתחות של תכונה מורכבת יחסית בחיידק E. coli , ואת קיומה של מקריות היסטורית ייחודית (גנטית במקרה זה) - בחיידקים אלה חלו שינויים גנטיים מסויימים, שאף שלא הקנו לחיידקים הנושאים אותם יתרון על פני מתחריהם, אפשרו את הופעת התכונה החדשה.

אחד המאפיינים הבולטים של חיידקי E. coli, יחסית לחיידקים הקרובים אליו, האחרים הוא אי-יכולתם של החיידקים לגדול במצע גידול המכיל חומצת לימון (Citric acid) כמקור פחמן יחיד. אין מחסור באנזימים המפרקים את חומצת הלימון, הנוצרת ומפורקת באופן טבעי בתוך החיידק במעגל חומצת הלימון (מעגל קרבס) ובמסלולים אחרים. הסיבה היא מחסור בנשא חלבוני, שיתמקם במעטפת החיידק, שיאפשר את כניסת החומצה לתוך תא החיידק. לכן, בתנאים שגרתיים של מוטגנזה (גרימת שינויים בחומר הגנטי של החיידק), לא מוצאים מוטנטים של E. coli בעלי יכולת לגדול על חומצת לימון כמקור פחמן. אין להתפלא על כך, שכן כדי שייווצר מוטנט כזה אין די בשינוי קטן בגן, ומכאן בחלבון קיים, אלא צריך להיווצר גן לנשא חלבוני חדש. במקרים המועטים שבהם נמצאו מוטנטים כאלה של E. coli, הם נמצאו באוכלוסיות מעורבות של חיידקים ממינים שונים, והחיידקים המוטנטיים קלטו משכניהם פלסמיד הנושא גן לנשא מַתאים (העברה אופקית).

חומצת הלימון מודל כדור ומקל של חומצת לימון. בשחור: פחמן, באדום: חמצן, בלבן: מימן

מעגל חומצת הלימון

בשנת 1988 החלו זכרי בלאונט (Blount) וכריסטינה בורלנד (Borland), במעבדה של לנסקי, בניסוי שנתאר להלן. מאז נמשך הניסוי כמעט כ-30 שנה. במהלך הניסוי הממושך הצליחו החוקרים למצוא מוטנט של E. coli המנצל חומצת לימון כמקור פחמן, באוכלוסייה מבודדת מהסביבה ומחיידקים אחרים - כך שהתפתחות התכונה החדשה נבעה משינויים גנטיים בצאצאי החיידקים המקוריים.

בתחילת הניסוי נזרעו 12 תרביות זהות (שמקורן באותה מושבה) של זן מעבדה של E. coli, שאפשר לזהותו באמצעות סמנים גנטיים ספציפיים (להבדיל בינו לבין זיהומים אפשריים).

12 התרביות נזרעו במצע המכיל כמקורות פחמן מעט גלוקוז (25 ) ובעיקר מלח נתרני של חומצת לימון (סודיום ציטרט - 500 מיליגרם לליטר). הכמות הקטנה של הגלוקוז מגבילה את הגידול וההתרבות של החיידקים באביקים (ארלנמיירים), אך מאפשרת התרחשות של מוטציות. כשאוזל הגלוקוז (לאחר כ-7-6 חלוקות, או דורות), מפסיקים החיידקים להתרבות. אחת ליום, נמהלה כל תרבית (1:100) במצע גידול חדש.

תרשים הניסוי
מקור

כבר בשנים הראשונות של הניסוי חלו בכל תריסר הקווים מוטציות (שונות!), ששיפרו את קצב הגדילה של החיידקים במצע הנתון - עד כ-75% מהר יותר יחסית לחיידקים המקוריים. ואולם, מוטציות המאפשרות כניסה של חומצת לימון - שאותן אפשר לזהות בקלות, כתוצאה מגידול משמעותי של כמות החיידקים באביקים - לא הופיעו כלל בתריסר התרביות במהלך למעלה מ-30,000 דורות. כל 500 דורות נאספה דגימה מכל תרבית והוקפאה - וכך נוצר מאגר של "חיידקים מאובנים", שמאפשר לחזור ולחקור לפי הצורך.

סוף-סוף, לאחר כ-33,000 דורות, התחולל באחת התרביות השינוי המיוחל. באחד החיידקים שבאחד הקווים חלה מוטציה שאפשרה לו לנצל את חומצת הלימון כמקור פחמן. צאצאיו של חיידק זה השתלטו על התרבית בזכות יכולתם לנצל חומצת לימון. לאחר בדיקת הסמנים הגנטיים המקוריים של החיידקים, כדי לשלול אפשרות של זיהום (כפי שקרה לא מעט במהלך הניסוי, ואז סולקה התרבית המזוהמת והחוקרים חזרו לתרבית קודמת שהוקפאה כדי לשוב ולהמשיך ממנה את הניסוי), ולאחר בדיקה שהחיידקים גדלים גם במצע המכיל חומצת לימון כמקור פחמן יחיד, יכלו החוקרים להכריז שהמטרה הושגה.

הנחת העבודה של החוקרים היתה, שבחיידק שמנצל את חומצת הלימון חלה יותר ממוטציה אחת, והשילוב של שתי מוטציות (או יותר) מסוימות איפשר את כניסת חומצת הלימון לתא.

כאן הוכנסו מחדש לתמונה החיידקים ה"מאובנים". החוקרים חזרו לתרביות המוקפאות, ובדקו ממתי הפכה לסבירה האפשרות של הופעת מוטציה כזו. הבדיקה העלתה שב-31,000 הדורות הראשונים של הניסוי לא חל שינוי מקדים כלשהו שיאפשר הופעה של המוטנטים המבוקשים. אולם, בשלב כלשהו בין דור 31,000 לדור 31,500, חלה מוטציה מקדימה כלשהי באחד החיידקים, שלא השפיעה כלל על יכולת הניצול של חומצת הלימון על-ידי החיידקים, אך היא איפשרה בהמשך לבודד מוטנטים רצויים בתדירות משתנה.

הסתבר שהמוטציה הראשונית (הסמויה) היתה הכפלה של מקטע של 2933 בסיסים, שמקודד לחלבון ממברנלי שמסוגל לשחלף חומצת לימון וחומצה סוקצינית רק בתנאים של מחסור בחמצן, וכונה citT.

הגן citT נמצא מוכפל או מוגבר בכל המוטנטים. ברוב המקרים בשני העתקים צמודים ראש לזנב, שלפחות אחד מהם נמצא תחת בקרה של פרומוטור המתבטא רק בנוכחות חמצן (rnk). השילוב - rnk-citT – הוא זה שאפשר למוטנטים לייבא את חומצת הלימון לתא.

הרבה סבלנות ומשאבים הושקעו בתכנון ובביצוע הניסוי המעניין והארוך הזה, שעודנו נמשך. נקווה שבהמשך נוכל לחזור ולדון בממצאים חדשים ממנו, שירחיבו את הבנתנו את תהליך האבולוציה.

לקריאה נוספת

קישור לתקציר המאמר

Zachary D. Blount, Christina Z. Borland, and Richard E. Lenski (2008), Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli. PNAS 105 (23) 7899-7906.

האתר של ריצ'רד לנסקי

מאמר מסכם של הניסוי - 2018

הרשומה המקורית בבלוג זה, מ-2008.


פורסם במקביל גם באתר הפייסבוק - "מדעי הטבע והחיים באוניברסיטה הפתוחה"