הקדמה

התא החי הראשון בכדור הארץ הופיע לפני כארבעה מיליארד שנים. אנו קוראים לו LUCA, קיצור של last universal common ancestor שמשמעותו האב הקדמון האוניברסלי המשותף האחרון. איננו יודעים הרבה על LUCA, אולם כל צמח, כל חיה, וכל אחד מאיתנו התפתח מ-LUCA. אנו יודעים זאת הודות למחקרים עם חלבונים מיוחדים שנמצאים בתאים של צאצאים של LUCA. חלבונים הם יקרי ערך עבור כל היצורים החיים, מאחר שהם מולקולות שעושות דברים ששומרים על היצורים בחיים. כל התהליכים הביולוגיים שהכרחיים לחיים כמו נשימה, עיכול, או הִתְרַבּוּת, מערבים חלבונים בדרך כלשהי. בעוד שהתהליכים האלה, והחלבונים שקשורים אליהם, משתנים בין אורגניזמים – לדוגמה, חלבוני הנשימה של דגים שונים מאוד מאלה של פילים – חלבונים מסוימים הם כל כך חשובים שכולם צריכים לייצר אותם. אחד מהתפקודים האלה, שהכרחי לחיים, הוא המנגנון המשמש ליצירת חלבונים, אשר מתבצע על-ידי אסופת חלבונים שמצומדים למולקולות אחרות הנקראות ריבוזום. הריבוזום כל כך קריטי שהוא לא כל כך השתנה מאז ש-LUCA היה בסביבה. איתור שינויים קטנים בדנ“א שיוצר את הריבוזום, אִפְשֵׁר לנו להציץ להיסטוריה האבולוציונית של אורגניזמים חיים, ולעקוב אחרי הקשרים ביניהם.

עץ החיים האוניברסלי

מאחר שכל האורגניזמים הגיעו מ-LUCA, ולכולם יש ריבוזומים, אפשר לבנות ”עצי משפחה“ שמראים לנו את הקישוריות בין אורגניזמים שונים באמצעות מעקב אחרי השינויים הקטנים שהתרחשו בריבוזומים שלהם. במשפחת העצים הזו, שכולם נקראים פִילוֹגֶנִים בפי מדענים, כל מין ממוקם בקצה של העלים, כשגודלם של הענפים בין שתי נקודות מצביע על מידת הדמיון בין האורגניזמים שנמצאים בקצות העלים. לכן, לדוגמה, הענפים שמפרידים בין חתולים, אריות וטיגריסים יהיו קטנים יותר מהענפים שמפרידים בין החיות האלה ובין לווייתנים. לכן, בפילוגניה של יונקים, כל צורות החתולים יוצרות קבוצה צפופה של ענפים, שמסתעפים בבסיס מהענף של הלוויתנים. אתם יכולים להבין כיצד פילוגניה בנויה באמצעות מילים, כפי שמתואר באיור 1A. אם נגדיל את גודל העץ הפילוגנטי על-ידי הוספת כל יצור חי על גביו, נסיים עם עץ החיים האוניברסלי (UTL), שבו אנו יכולים לראות את הקשרים שבין כל היצורים החיים [1] (איור 1B).

בדוגמה שמוצגת באיור 1A אנו משתמשים במילים בנות חמש אותיות, אולם אתם יכולים לדמיין שאם נשתמש במילים ארוכות יותר, אתם תהיו מסוגלים למדוד מרחקים גדולים יותר. האורך המלא של גן בריבוזום של חיידקים הוא בסביבות 1,500 ”אותיות“, לכן חישוב הקשרים בין אורגניזמים באמצעות הריבוזום רגיש מאוד, ולכן כל האורגניזמים יכולים להיכלל בעץ החיים האוניברסלי.

הנתיב שנוצר מתחתית העץ ועד לקצות הענפים מייצג את המסלול האבולוציוני שהוביל את המין לאותו הקצה. החברים של אותו המין, שעברו את אותו המסלול המסוים, איבדו את יכולתם להזדווג ולהוליד צאצאים עם חברים של מינים אחרים, שהתקדמו במסלולי אבולוציה אחרים.

חיידקים לא תמיד יורשים את הגנים שלהם מההורים

כל מין יורש את הדנ”א, או החומר מידע גנטי שלו, ישירות מהאבות הקדמונים שלו. האבות הקדמונים האלה קיבלו את הדנ“א שלהם מהדור שהגיע לפניהם, וכך הלאה אחורה לאורך המסלול האבולוציוני, עד שהעץ מגיע כל הדרך חזרה ל-LUCA. מאחר שהמידע הגנטי שלכל מין הוא ייחודי לאותו המין, הוא יכול להיחלק רק עם החברים של אותו המין, ולזרום מההורים לצאצאים שלהם. זה נכון, אלא אם כן אנו מדברים על חיידקים. למיני חיידקים יש יכולת לחלוק חלקים מהמידע הגנטי שלהם עם מיני חיידקים אחרים שלא התקדמו באותו מסלול אבולוציוני; חיידקים יורשים את הדנ”א שלהם מחיידקים אחרים שאינם קשורים אליהם בכל דרך. התנועה הזו של מידע גנטי נקראת העברה גנטית אופקית, מאחר שההעברה הזו של מידע גנטי מתרחשת באופן אופקי, בין חיידקים באותו הדור, במקום אנכית, בין ההורים לצאצאים.

מאפיין מעניין אחר של חיידקים הוא שחלק מהם יכולים לפתח צורות רדומות שדומות לזרעים של צמחים. הצורות הרדומות האלה יכולות להתקיים במשך זמן רב ללא התרבות (איור 2). הצורות הרדומות האלה הן כמו מאגר עתיק של מידע גנטי, שבתיאוריה יכול להיות מנוצל על-ידי אורגניזמים אחרים [2]. המידע הגנטי של הצורות הרדומות נשמר במשך שנים רבות ללא שינוי, ויכול להשתלב בחיידקים אחרים באמצעות העברה גנטית אופקית.

האם חיידקים מסוגלים ליצור כימרות?

כדי לקבל תמונה ברורה יותר של האופן שבו צורות רדומות של חיידקים יכולות להשפיע על אבולוציה של חיידקים, בואו נדמיין שדינוזאורים יכולים ליצור ביצים שיכולות להישאר בסביבה במשך עשרות מיליוני שנים. במקרה כזה, פעם בכמה זמן היינו נתקלים בתינוק של דינוזאור, אשר מכיל גנים שאינם נמצאים באף אורגניזם אחר שחי כיום, והוא יתקיים במקביל לחיות מודרניות. בואו נדמיין עוד שהדינוזאור התינוק הזה יכול להזדווג עם חיות אחרות. במקרה כזה, אפשר היה ליצור חיות כִימֶרִיוֹת, שהן חיות שמכילות מידע גנטי, ולכן מאפיינים פיזיים, של מינים שונים. בתרחיש הזה, יכלה להתקיים חיה כימרית עם איברים של ציפורים, דינוזאורים ויונקים!

חשבנו שיכולתם של חיידקים לקבל בתורשה דנ“א באמצעות העברה גנטית אופקית, ויכולתם להישאר רדומים במשך תקופות זמן ארוכות, יאפשרו היווצרות של חיידקים כימרים, ממש כמו בדוגמה של תינוק הדינוזאור. זו השאלה שהנחתה את המחקר שלנו [2].

החיפוש אחר חיידקים כימרים: המקרה של AZOTOBACTER VINELANDII

התעניינו למצוא אם הצורות הרדומות של חיידקים יכולות ליצור חיידק כימרי, באמצעות יכולתן להעביר מידע גנטי בדרך של העברה גנטית אופקית. כדי לראות אם זה יכול להתרחש, הסתכלנו על הגנום של Azotobacter vinelandii, שהוא חיידק שמסוגל ליצור צורות רדומות שנקראות “chists” (איור 2), והוא קשור באופן קרוב לחיידק אחר שנקרא Pseudomonas aeruginosa [3]. למען האמת, זה קצת מפתיע שהאורגניזמים האלה קשורים זה לזה, מאחר ששני מיני החיידקים האלה שונים מאוד זה מזה! חקרנו את העובדה המעניינת הזו, ומצאנו שהאורגניזמים האלה קשורים בעץ החיים מאחר שכמעט מחצית מהמידע הגנטי של Azotobacter vinelandii, כולל חלק מההוראות ליצירת ריבוזומים, קשורים מאוד לזה של Pseudomonas [4], בעוד ששאר המידע משמש ליצירת חלבונים שנותנים ל-Azotobacter את המאפיינים הייחודיים שלו. זה לא היה מספיק עבורנו, ורצינו גם למצוא את המידע הגנטי שלא הגיע מ-Pseudomonas אלא עבר בתורשה ממיני חיידקים לא קשורים אחרים [2]. במילים אחרות, המידע הגנטי הבסיסי של Azotobacter vinelandii הגיע מאב קדמון משותף של Azotobacter ו-Pseudomonas, אולם במהלך מסלול האבולוציה המסוים שלו, Azotobacter רכש מידע גנטי נוסף שהפך אותו להיות שונה מאוד מ”בן דוד“ שלו Pseudomonas, או מכל אורגניזם אחר למעשה, מאחר ש-Azotobacter הוא כימרה.

עד כמה חיידקי כימרה שכיחים?

בעוד שקשה לדעת אם אורגניזמים כימרים שכיחים, קיומו של Azotobacter מהווה ראיה חזקה לכך שחיידקים כימרים עשויים שלא להיות כה נדירים. ישנם לפחות שני מקרים מתועדים של מיני חיידקים שנראה שהגיעו מקבוצת חיידקים שנקראת Firmicutes, והם מכילים גם פיסות של מידע גנטי שהגיעו מאורגניזמים אחרים. חיידקי הכימרה האלה נקראים Thematogales, אורגניזמים שרכשו גנים שאפשרו להם לחיות בטמפרטורות גבוהות, ו-Fusobacterium nucleatum, חיידק שנמצא בפְּלָק של השיניים שרכש גנים מחיידקים שכנים. גם Thermatogales וגם Fusobacterium nucleatum לא יוצרים צורות רדומות דמויות זרע, אולם המידע שהם רכשו באמצעות העברה גנטית אופקית יכל להגיע מחיידק עתיק שכן הייתה לו היכולת לייצר צורות רדומות. עדיין איננו יודעים, אבל אולי יום אחד נדע.

מילון מונחים

חלבונים (Proteins): ↑ מולקולות גדולות ומורכבות שמבצעות הרבה תפקידים חשובים בגוף. חלבונים מבצעים את מרבית עבודתם בתאים, והם נדרשים עבור המבנה של רקמות ואיברי הגוף, תפקודם וויסותם.

ריבוזומים (Ribosomes): ↑ ריבוזומים הם מבנים מורכבים שנוצרים מחלבונים וממולקולות אחרות. המכוֹנוֹת המולקולריות האלה נמצאות בכל תא, והן האתר שבו חלבונים מיוצרים.

מידע גנטי (Genetic Information): ↑ הדנ”א בכל אורגניזם, שבו מאוחסן המידע שדרוש ליצירת חלבונים ורכיבים תאיים אחרים. דנ"א מועבר מדור אחד לדור הבא דרך תורשה.

העברה גנטית אופקית (Horizontal Gene Transfer - HGT): ↑ תהליך של הורשת מידע גנטי ממין לא קשור. מנגנון התורשה הזה אינו שכיח, מאחר שאורגניזמים בדרך כלל יורשים את המידע הגנטי שלהם מההורים שלהם, שהם חברים באותו המין כמו הצאצאים שלהם.

כימרה (Chimera): ↑ חיה אגדית שנוצרה מחלקים של חיות שונות. המונח הזה משמש בביולוגיה לתאר אורגניזם שמכיל תערובת של רקמות שונות גנטית. במאמר זה אנו משתמשים במונח הזה כדי לתאר חיידקים עם מידע גנטי שנורש מאורגניזמים שונים, שחלקם אינם האבות הקדמונים שלהם.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

תודות

אני רוצה להוקיר את הדיונים הנלהבים והפורים עם Karla Galaviz, Adrián González-Casanova, Inés González-Casanova, ו-Ximena Martínezde la Escalera.