תַקצִיר
אגרובקטריום טומפציאנס (אגרובקטריום בקיצור) הוא מיקרוב חד-תאי ומהנדס גנטי טבעי. הוא לוקח חלק מהדנ“א שלו (הוראות המתווה עבור החיים, שנמצאות בכל יצור חי), ומכניס אותו לדנ”א של צמח! זה מתעתע את הצמח וגורם לו להגן על המיקרוב ולהזינו; זה מצוין עבור המיקרוב, אולם לא כל כך עבור הצמח. התגלית שאגרובקטריום מכניס את הדנ“א שלו לתוך הצמח מראה לנו שהנדוס גנטי הוא תהליך טבעי. מדענים יכולים להשתמש בשיטה הזו כדי להכניס בקלות רצפי דנ”א חדשים בתוך צמחי יבולים, מה שנותן ליבולים יכולות חדשות שמסייעות להם להילחם כנגד מזיקים, לגדל מזון מזין יותר ולהפוך לטובים יותר בהתמודדות עם שינוי האקלים! במאמר זה נדון באופן שבו אגרובקטריום יוצר אורגניזם עם שינוי גנטי (GMO), וכיצד התהליך הזה יכול לסייע לנו לשפר צמחי יבול ולגדל יותר מזון תוך שימוש בפחות אדמה וחומרי הדברה.
אגרובקטריום מוצא צמח
אגרובקטריום טומפציאנס (אגרובקטריום בקיצור) הוא מיקרוב חד-תאי שחי באדמה. למיקרוב הזה יש יכולת למצוא מגוון רחב של צמחים שונים באמצעות תזוזה לעבר כימיקלים שמשוחררים באופן טבעי מפצעי הצמחים. אגרובקטריום יכול לשחות דרך שכבות מים באדמה כדי להגיע לצמחים, באמצעות מבנים שנקראים שוֹטוֹנִים, שחובטים כמו זנבות. אף על פי שלאגרובקטריום אין עיניים או אוזניים (אלה לא ממש היו עוזרים באדמה בכל מקרה), יש לו מספר חלבונים מתמחים שמזהים את הכימיקלים של הצמחים על ידי פעולה שדומה לאף פשוט מאוד, שהמיקרוב משתמש בהם כדי לרחרח את הצמח. החלבונים האלה מאפשרים לאגרובקטריום לזוז בכיוון הנכון, אל עבר הצמח. כאשר אגרובקטריום מבין שהוא נע בכיוון הלא נכון, הוא חובט באמצעות השוטונים שלו באופן אקראי, מסתובב לכיוון חדש, ושוחה בקו ישר. הרצף הזה של שחייה וערבול חוזר עד שהוא מוצא את הצמח.
אגרובקטריום מתמחה בתקשורת עם צמחים, תוך שימוש בכימיקלים ולא במילים! כאשר המיקרוב יוצר קשר עם הצמח, הוא משחרר כמה כימיקלים שונים, אשר אומרים לצמח להפוך את פני השטח שלו ל“דביקים”. הדביקות הזו מאפשרת לאגרובקטריום להתחבר לצמח ולהתכונן לפלישה. בנקודה הזו, האגרובקטריום מפעיל משפחה של גני Vir (קיצור של המילה ,virulence או אלימות בעברית). גני ה-vir האלה מכילים הוראות דנ“א במטרה לגרום לכל הכלים שאגרובקטריום צריך להיכנס לצמח ולהכניס דנ”א חדש לתוך גרעין התא של הצמח (שמכיל את הגֶנוֹם של הצמח – כל הוראות הדנ“א שלו). כעת התחיל מצור ביולוגי, והסיכון גבוה ביותר!
אגרובקטריום מעביר דנ”א לתוך הצמח
לאגרובקטריום יש סוג דנ“א מעגלי מיוחד, שנקרא פְּלַסְמִיד. הפיסה הקטנה של דנ”א שהאגרובקטריום רוצה להעביר לגנום הצמחי (שנקראת ,T-DNA קיצור של transfer DNA), נמצאת בתוך הפלסמיד. אחד מגני ה-vir שמופעלים כשהמיקרוב נדבק לצד החיצוני של הצמח מייצר חלבון שנקרא VirD2. VirD2 מתפקד כמו מספריים ביולוגיים, וחותך את ה-T-DNA מתוך הפלסמיד המעגלי. לאחר מכן, VirD2 מתחבר לקצה אחד של ,T-DNA וגורר אותו לתוך תא הצמח, לכיוון גרעין הצמח (כמו ספינת גרר עשויה חלבון... שגם מתפקדת כמספריים). לפני שזה יכול לקרות, אגרובקטריום צריך לחדור דרך המחסום של דופן תא הצמח. הוא עושה זאת על ידי בניית “מזרק” עם חלבוני אלימות אחרים, שנקראים VirB1 עד VirB11, ו-VirD4. באמצעות חלבון המזרק הזה, אגרובקטריום מזריק את ה-T-DNA דרך דופן תא הצמח.
אולם צמחים למדו להגן על עצמם כנגד המתקפה הזו. כאשר הצמח מגלה שאגרובקטריום תוקף אותו, צבא של אנזימי צמח מנסים לחתוך את ה-T-DNA של האגרובקטריום לפני שהוא יכול להגיע לגרעין תא הצמח. אולם האגרובקטריום מקדים את הצמח בצעד אחד, מאחר שהוא עטף את ה-T-DNA בשריון שמורכב מחלבון אלימות אחר, שנקרא VirE2, אשר מונע מאנזימי הצמח להגיע אל ה-T-DNA. ברגע שה-T-DNA נכנס לגרעין תא הצמח, הוא מחפש שברים בדנ“א (אלה מתרחשים באופן טבעי) ומכניס את עצמו לתוך הדנ”א בזמן שתא הצמח מתקן את השבר בדנ“א. כאשר זה קורה, תא הצמח נעשה שונה גנטית, וכעת הוא מכיל את הוראות הדנ”א מאורגניזם אחר (האגרובקטריום) שישנוּ את האופן שבו הצמח מתפקד ופועל (איור 1) – הצמח הוא כעת אורגניזם עם מוֹדיפיקציה גנטית (GMO)!
- איור 1 - אגרובקטריום יכול לעשות מניפולציה על תאי צמחים על ידי הכנסת רצפי דנ“א חדשים.
- כימיקלים מפצע של צמח מושכים אגרובקטריום וגורמים לאתחול של תהליך פלישה. T-DNA נחתך מפלסמיד הדנ”א באגרובקטריום ומוזרק לתוך תא הצמח. מכאן, ה-T-DNA מועבר לכיון גרעין תא הצמח, שם הוא מיובא ומוזרק לתוך גנום הצמח (לא מצויר בסקאלה הנכונה; נלקח מוויליאמס ויואן [1]).
אגרובקטריום עושה מניפולציה על הצמח
ה-T-DNA שאגרובקטריום מכניס לתוך גנום הצמח מכיל הוראות שיועתקו לתוך כל תא שיתפתח מהתא הראשון שעבר מודיפיקציה גנטית. למעשה, חלק מהוראות הדנ“א מגרות את תא הצמח להתחלק ולהתרבות, מעֲפָצִים שאתם יכולים לראות כגדילה לא רגילה בצמח (איור 2). זה למעשה האופן שבו אגרובקטריום התגלה לראשונה – הוא נמצא כגורם לצמח מחלה שנקראת עפצי צוואר השורש, שמגבילה את הגדילה של צמחי יבול ואת תפוקתם. ה-T-DNA של אגרובקטריום מתניע היווצרות של עפצים על ידי שינוי כמות מסוימת של הורמונים צמחיים, אשר יוצרת סביבה בטוחה למיקרוב. כמו כן, ה-T-DNA מקודד מתכון: הוראות הכנה למזון המועדף על אגרובקטריום. אגרובקטריום אוכל רק משפחה מסוימת של כימיקלים שהצמח לא יודע איך להכין. כאשר האגרובקטריום מכניס את הוראות ה-T-DNA שלו לתוך הדנ”א של הצמח, הוא למעשה חולק מתכון משפחתי אהוב עם הצמח. לסיכום, אגרובקטריום חודר לצמח, משנה את הדנ“א שלו ומכניס הוראות חדשות שיגידו לצמח כיצד להגן עליו ולהזין אותו! בעוד שאגרובקטריום מרוויח מהאינטראקציה הזו, הצמח לא. אגרובקטריום מסווג כפתוגן, מאחר שהוא גורם למחלה (שידועה גם כפתולוגיה) בצמח.
- איור 2 - אגרובקטריום גורם לעפצי צוואר השורש בצמחים רבים.
- התמונה מראה רקמת עפצים של עץ מנגו, שנגרמה על ידי זיהום של אגרובקטריום. כאשר המיקרוב מזהם את הצמח ומכניס לתוכו את הדנ”א שלו, זה מאלץ את הצמח לייצר הורמונים שמכפילים את התאים ונותנים לתאי הצמח את כל מה שהם צריכים כדי להזין את הפתוגן. אגרובקטריום חי בתוך העפצים.
אגרובקטריום יכול לסייע לנו לשפר צמחים
ממה שאמרנו לכם עד כה, אתם יכולים לראות שהנדסה גנטית היא תהליך טבעי שאגרובקטריום משתמש בו כדי לעשות מניפולציות בצמחים. ישנן ראיות טובות לכך שהרבה צמחים שונים שמרו על חלקים מה-T-DNA אחרי זיהום של אגרובקטריום [2]. מדענים יכולים לשנות T-DNA של אגרובקטריום במטרה להסיר את כל ההוראות שפוגעות בצמח, ולהחליף אותן עם הוראות דנ“א חדשות שיסייעו לצמח! הרבה צמחים מוצלחים יצאו מהתהליך הזה: יבולים שעמידים בפני חרקים מזיקים [3]; פאפאיה שעמידה לווירוס המזיק שהיה הורס חוות בכל רחבי הוואי [4]; אורז זהוב שמחוזק עם כימיקל שאנו צריכים כדי ליצור ויטמין A שיכול למנוע ממיליוני ילדים להתעוור [5]; תפוחי אדמה בריאים יותר שאינם משחימים ומפחיתים פסולת מזון [6] והרבה אחרים (איור 3).
- איור 3 - צמח עגבניה מהונדס גנטית שמגודל במעבדה.
- התמונה מראה צמח עגבניה צעיר שהונדס גנטית. אגרובקטריום שימש להכנסת דנ”א חדש לתוך חתיכות קטנות של רקמת עלה צמח העגבניה. התאים שעברו מודיפיקציה עודדו לגדול לצמח שלם על ידי שינוי כמויות של הורמונים מסוימים בג’ל מיוחד שבו אנו מגדלים את תאי הצמח. שורשים החלו לגדול מצמח העגבניה הזה, שתוך זמן קצר ילקח מהמכל המגן הזה ויגודל באדמה.
למרות התועלות הרבות של שימוש באגרובקטריום כדי לשפר את צמחי היבול, קבוצות מסוימות מנסות למנוע את השימוש של הנדסה גנטית, ואפילו מנסות לספק מידע שגוי לקהל הרחב על הגישה הזו. אחד מחוסר ההבנות השכיחים ביותר על הנדסה גנטית הוא האמונה ששינוי הדנ“א של אורגניזם אינו טבעי, ולכן לא נכון לבצע אותו. אולם אגרובקטריום שינה את הדנ”א של צמחים עוד הרבה לפני שבני אדם למדו לעשות זאת. זה מראה לנו ששינוי רצפי הדנ“א הוא תהליך טבעי והוא חלק מהעולם שסביבנו. על ידי שימוש באגרובקטריום לשינוי הדנ”א של הצמח, אנו מנצלים תהליך טבעי כדי לפתח צמחי יבול שיזדקקו לפחות חומרי הדברה, שיהיו מזינים יותר ושיניבו מזון רב יותר תוך שימוש בפחות אדמה. שימוש בפחות אדמה הוא שיקול חשוב מאוד מאחר שאם אנו רוצים להימנע מהרס של מערכות אקולוגיות טבעיות, אנו צריכים לוודא שהחוות שלנו הן כמה שיותר פרודוקטיביות. צמחי יבול מהונדסים גנטית בהחלט יכולים לסייע לנו לגדל מזון רב יותר באמצעות פחות אדמה, כלומר להגן יותר על מערכות אקולוגיות. נוסף על כך מחקרים ארוכי טווח מאשרים כי היבולים ששונו גנטית בטוחים לאכילה [7]. למרות מה שחלק מהקבוצות שמתנגדות ל-GMOs אומרות, יבולים ששונו גנטית אינם מסוכנים יותר מכל יבול אחר שאנו אוכלים!
מסקנות
אגרובקטריום הוא מיקרוב אדמה, פתוגן של צמחים ומהנדס גנטי. על ידי הבנת הביולוגיה של מודיפיקציה גנטית טבעית, אנו יכולים להבין טוב יותר את התהליך שמשמש לפיתוח צמחים עם מודיפיקציה גנטית, או סוגים אחרים של GMOs. אגרובקטריום מאפשר לנו לבצע שינויים מועילים בדנ“א של צמחים, מה שבסופו של דבר אומר שאנו יכולים לגדל מזונות מזינים יותר באמצעות פחות אדמה, מה שמגן על סביבתנו. אם אתם רוצים ללמוד עוד על התהליך של יצירת GMO, אתם יכולים לראות וידיאו נהדר של Science IRL בקישור הזה.
מילון מונחים
אלימות (Virulence): ↑ היכולת לזהם אורגניזם אחר ולגרום למחלה. המילה ”Virulence“ היא שנותנת את השם לגני ה-Vir שמסייעים לאגרובקטריום לעשות מניפולציות בצמחים.
גנום (Genome): ↑ כל הוראות הדנ”א שאורגניזם זקוק להן כדי לשרוד ולהתרבות.
פלסמיד (Plasmid): ↑ רצף דנ“א שמופרד מהוראות דנ”א אחרות בגנום. הוא מעגלי וניתן להעתקה ולחלוקה בין מיקרובים.
אורגניזם עם מודיפיקציה גנטית (Genetically Modified Organism): ↑ אורגניזם ששונה באופן מועיל דרך תוספת של הוראות דנ“א חדשות.
עפצי צוואר השורש (Crown Gall): ↑ מאפייני הגדילה שאפשר לראות על צמחים כשהם זוהמו על ידי אגרובקטריום.
פתוגן (Pathogen): ↑ פתוגן הוא אורגניזם שגורם למחלות באורגניזמים אחרים. אגרובקטריום הוא פתוגן טבעי של צמחים.
הנדסה גנטית (Genetic Engineering): ↑ תהליך של יצירת שינויים ידועים ברצף הדנ”א של אורגניזם; נקראת גם מודיפיקציה גנטית.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
מקורות
[1] ↑ Williams, M. E., and Yuan, Z. C. 2012. A really useful pathogen, Agrobacterium tumefaciens. Plant Cell 24:tpc.112.tt1012. doi: 10.1105/tpc.112.tt1012
[2] ↑ Matveeva, T. V., and Otten, L. 2019. Widespread occurrence of natural genetic transformation of plants by Agrobacterium. Plant Mol. Biol. 101:415. doi: 10.1007/s11103-019-00913-y
[3] ↑ Vaeck, M., Reynaerts, A., Höfte, H., Jansens, S., De Beuckeleer, M., Dean, C., et al. 1987. Transgenic plants protected from insect attack. Nature 328:33–7. doi: 10.1038/328033a0
[4] ↑ Jia, R., Zhao, H., Huang, J., Kong, H., Zhang, Y., Guo, J., et al. 2017. Use of RNAi technology to develop a PRSV-resistant transgenic papaya. Sci. Rep. 7:12636. doi: 10.1038/s41598-017-13049-0
[5] ↑ Ye, X. D., Al-Babili, S., Kloti, A., Zhang, J., Lucca, P., Beyer, P., et al. 2000. Engineering the provitamin A (beta-carotene) biosynthetic pathway into (carotenoid-free) rice endosperm. Science 287:303–5. doi: 10.1126/science.287.5451.303
[6] ↑ Rommens, C. M., Ye, J., Richael, C., and Swords, K. 2006. Improving potato storage and processing characteristics through all-native DNA transformation. J. Agric. Food Chem. 54:9882–7. doi: 10.1021/jf062477l
[7] ↑ The National Academies of Sciences, Engineering and Medicine. 2016. Genetically Engineered Crops: Experiences and Prospects. Washington, DC: The National Academies Press. doi: 10.17226/23395