מהי ''הדברה ביולוגית''?

החיידקים הזעירים שחיים באדמה יכולים לבצע כמות גדולה של תפקידים חשובים שמסייעים לנו לייצר מזון מזין ובריא באופן שלא מזיק לסביבה. חלק מהחיידקים באדמה יכולים להגן על יבולים ממחלות, על ידי לחימה בפטריות שעלולות לגרום לזיהום. כשאנו משתמשים באורגניזמים חיים במטרה להגן על מזוננו, אנו עושים שימוש במונח הדברה ביולוגית. דוגמאות להדברה ביולוגית הן שימוש בחתול כדי להרחיק חולדות מהמזון, או שימוש בפרת משה רבנו (מוֹשִׁית הַשֶּׁבַע) כך שתאכל כנימות שיכולות להזיק ליבולים. הדברה ביולוגית מסייעת לנו להגביל את גדילתם של אורגניזמים מזיקים, ללא שימוש במדבירים כימיים אשר עשויים לגרום להשפעות מזיקות על הסביבה כמו הריגת חרקים שמאביקים צמחים, והריגת המיקרובים ששומרים על צמחים בריאים.

בעבודתנו, אנו חוקרים כיצד חיידקים יכולים להשפיע על גדילה של פטריות שהיו גורמות למחלה בצמחי יבול. באופן רגיל, חקלאים משתמשים בחומרי הדברה כימיים כדי לשלוט בפטריות האלה, אך פטריות רבות נעשות עמידוֹת לחומרי הדברה וכבר לא מושפעות על ידם, כך שנהיה קשה יותר לשלוט בהן. משמעות הדבר היא שחקלאים משתמשים ביותר ויותר חומרי הדברה, מה שגורם לנזק אקולוגי, וכן גורם לעמידוּת להתפשט אפילו יותר! שימוש בחיידקי אדמה עבור הדברה ביולוגית של פטריות משמעותו שחקלאים יכולים להשתמש בפחות חומרי הדברה כימיים בשדות שבהם מגדלים צמחי יבול. שימוש בפחות חומרי הדברה הוא טוב עבור האדמה, האוויר והמים, ועבור חרקים שמאביקים את הצמחים שלנו. כך, החיידקים האלה מגינים על כל הסביבה, ומסייעים לנו לגדל מזון.

חיידק הַנָּטוֹ הוא מתסיס-על!

אחרי שאנו קוצרים מזון מהשדה, לפעמים הוא עובר במפעל תהליכים שהופכים אותו אכיל, ולעיתים קרובות חיידקי אדמה מעורבים בתהליכים אלה. הרבה מהכלים שחיידקים משתמשים בהם בייצור מזון דומים מאוד לכלים שמינֵי חיידקים אחרים משתמשים בהם באדמה עבור שליטה על פטריות. אחד ממינֵי החיידקים - Bacillus subtilis natto - יכול לבצע את שני הדברים האלה!

חיידק הַנָּטוֹ הוא חלק מקבוצת Bacillus של מינים שנמצאים באדמה בכל רחבי העולם. החיידק הזה שימש במשך זמן רב ביפן כדי לייצר מזון שגם נקרא נָטוֹ. המזון הזה מיוצר כאשר חיידק נָטוֹ הופך פולי סויה לחומרי מזון דביקים – ומסריחים – בתהליך שנקרא התססה. נָטוֹ פופולרי מאוד ביפן, שם הוא נצרך כחטיף בארוחת בוקר, ונאכל עם חרדל או עם רוטב סויה. נָטוֹ מיוצר כמזון ביפן באמצעות התססת Bacillus subtilis natto מאז תקופת הקיסר טָאִישוֹ, מייד אחרי מלחמת העולם הראשונה. חיידק הַנָּטוֹ הוא גם סמל לתרבות פופולרית ביפן – אחת הדמויות בסדרת ספרי קומיקס הַמַּנְגָה והָאָנִימֶה שנקראת ''מוֹיָאָסִימוֹן – אגדות של חקלאות'' היא חיידק חמוד בשם נָטוֹ. תפקידו בחווה הוא להתסיס פולי סויה כדי לייצר נָטוֹ כמזון של הדמויות האנושיות.

בשאר העולם גם נעשה אופנתי לאכול נָטוֹ, מאחר שכיום אנו יודעים שמזונות מותססים טובים מאוד לבריאות האדם [1]. הרבה מזונות ומשקאות מותססים זמינים כיום בחנויות לרבות תה קומבוצ'ה, מלפפוני קימצ'י, טֶמְפֶּה ויוגורט, שכולם מזונות שיכולים לסייע לעיכול שלנו. נָטוֹ מכיל סיבים רבים והרבה ויטמין K, שנדרש עבור עצמות חזקות ובריאוֹת. על ידי התססת פולי סויה לנָטוֹ, חיידקי הַנָּטוֹ שלנו מייצרים חטיף טעים שהוא נהדר עבור בטנכם וגופכם!

כיצד נָטוֹ משפיע על פטריות שהיו עשויות לגרום למחלות צמחים?

הודות לפרויקט האחרון שהייתי מעורבת בו, כעת אנו יודעים גם שחיידקי הַנָּטוֹ שלנו ככל הנראה תורמים תרומה גדולה למניעת מחלות פטרייתיות בחלק מהצמחים. חיידק הַנָּטוֹ מפגין הרבה התנהגויות חשובות שאנו רואים בחיידקים אחרים שמגינים על צמחים. בפרט, חיידק הַנָּטוֹ יכול לתקוף ביעילות רבה את דופן התא, שמגינה על תאי פטרייה [2]. לפטריות, כמו אלה שיכולות לגרום למחלות בצמחי פולי סויה, יש תאים ארוכים ודקים שגדלים מהר מאוד באמצעות שליחת קצה אחד של התא קדימה בכיוון אחד, מה שיוצר חוטים דקים שנקראים קוּרים. לתאים האלה יש שכבה חיצונית חזקה – דופן תא הפטרייה – שמורכבת בין השאר מחומר שנקרא כִיטִין (איור 1). כיטין הוא רב-סוכר – מולקולה ארוכה מאוד שמורכבת מהרבה מולקולות סוכר קטנות יותר שמחוברות יחד, והוא קשיח וחזק מאוד. רב-סוכר מתנהג כמו שריון, ומגן על תא הפטרייה מהסביבה וממתקפות של מיקרובים אחרים. הוא גם גורם לתאי הפטרייה להיות חזקים מספיק כדי לחדור אל רקמת הצמח, שזה האופן שבו מתחיל זיהום של הצמח.

אנזימים שיכולים לפרק כיטין לפיסות קטנות יותר הם, לכן, נשקים חזקים מאוד כנגד פטריות, מאחר שהם מזיקים לשריון, ומאפשרים לתא הפטרייה להיות חשוף ולהיהרג. חיידקים שמגינים על צמחים באדמה מייצרים אנזים שנקראים כִיטִינָאזִ שיכול להגן על צמחים מפני זיהום על ידי פטריות. הכיטינאז שחיידקי אדמה מייצרים הוא אחד מההיבטים החשובים ביותר של הדברה ביולוגית [3]. אנזימי כיטינאז חיידקיים חשובים מאוד גם לבריאות המערכת האקולוגית של האדמה ולפוריותהּ, מאחר שהם מפרקים תאי פטריות למולקולות קטנות שחיידקים יכולים לאכול. הדבר חיוני למִחְזוּר של פחמן ושל יסודות אחרים [4], שהוא התהליך שמניע את החיים על כדור הארץ!

במחקרינו האחרונים, הראינו שחיידק האדמה Bacillus subtilis natto יכול לייצר אנזימים שמפרקים את הכיטין בדפנות של תאי הפטרייה (איור 2). בבדיקות המעבדה שלנו, נצפה שהאנזימים האלה יכולים להמיר רב-סוכרים של כיטין למולקולות קטנות מאוד שנקראות אוֹלִיגוֹסָכְרִידִים, ויכולים גם לשבור צבירים גדולים של דפנות תאי פטרייה כשצבירים אלה גדלים יחד עם האנזימים באותה התרבית.

אולם, הופתענו לראות שחיידק הַנָּטוֹ לא אוהב לאכול כיטין בעצמו, והוא לא ייצר אנזימים של כיטינאז אם כיטין הוא החומר היחיד שהוא יכול למצוא. במקום זאת, חיידק הַנָּטוֹ צריך למצוא דופן תא פטרייה שלם לפני שהוא ייצר אנזימים של כיטינאז.

השלב הבא במחקרנו

תוצאותינו מצביעות על כך שחיידק הַנָּטוֹ יכול לחוש באופן כלשהו מתי יש פטריות בסביבה המקומית, ולהתחיל לייצר אנזימים של כיטינאז במטרה לפרק את החלקים החזקים ביותר של דופן תא הפטרייה. תוצאותינו גם מלמדות שאנו עשויים להיות מסוגלים להגדיל את התנהגות ההדברה הביולוגית ב-Bacillus subtilis natto באמצעות ערבוב דפנות תאים מפטריות מתות בתוך האדמה. חוקרים אחרים הראו שעבור חיידקים, הוספת כיטין בלבד לאדמה יכולה לגרום להגדלה בייצור של כיטינאז [5]. אך עבור חיידק הַנָּטוֹ שלנו, הסיפור מורכב יותר.

בבדיקותינו, Bacillus subtilis natto ייצר גם אנזימים שמפרקים חלבון, שהוא רכיב חשוב נוסף בדופן תא הפטרייה (איור 1). התרגשתי מכך, מאחר שאלה אותם אנזימים שמשמשים את נָטוֹ לייצור של מזון! האנזימים שמפרקים חלבון היו ידועים במשך זמן רב, אולם כעת ראינו שימוש חדש לגמרי שלהם.

כיום אנו עורכים ניסויים נוספים במטרה לבחון אם השיטות שלנו להגדלת ייצור הכיטינאז יכולות להגדיל את יכולת ההדברה הביולוגית של Bacillus subtilis natto ולהפוך אותו יעיל יותר בהריגת הפטריות שעלולות להזיק לצמחים. עד כה זה נראה מבטיח, וניתן לראות שכמה מהפטריות שבחנו מושפעות מאוד על ידי חיידק הַנָּטוֹ שלנו. משמעות הדבר היא שדמות הַנָּטוֹ מסדרת האנימה מוֹיָאָסִימוֹן מבצעת שני תפקידים נהדרים בחווה, ומסייעת לנו בשתי דרכים שונות לייצר אספקה טובה של מזון בריא!

מילון מונחים

הדברה ביולוגית (Biocontrol): ↑ שימוש באורגניזמים חיים כדי לשלוט במחלות של הצמח, במקום להשתמש בחומרי הדברה כימיים. דוגמה לכך היא שימוש בחיידקים במטרה לשלוט בפטריות שיכולות להזיק לצמחים.

התססה (Fermentation): ↑ תהליך שבו מיקרובים מפרקים מזונות מסוימים באמצעות אנזימים, כדי להפוך את המזון לסוג אחר של חומר. תוצרי התססה שכיחים כוללים בירה ויוגורט.

כיטין (Chitin): ↑ רב-סוכר חזק מאוד שנמצא בדפנות של תאי פטרייה, אשר מגן על התאים מפני הסביבה ומסייע לפטריות לזהם תאי צמחים.

רב-סוכר (Polysaccharide): ↑ שרשרת ארוכה של מולקולות סוכר שמחוברות על ידי קשרים כימיים חזקים. לדוגמה, צלולוז מורכב משרשראות ארוכות של הסוכר גלוקוז. כיטין הוא רב-סוכר שמיוצר על ידי פטריות.

אנזים (Enzyme): ↑ סוג של חלבון שיכול לזרז תגובה, כמו למשל ייצור או פירוק של קשרים כימיים בפחמימות. אנזימים שמפרקים פחמימות הם ספציפיים מאוד, ופועלים רק על כיטין, צלולוז, או רב-סוכר אחר.

כיטינאז (Chitinase): ↑ אנזים שמפרק רב-סוכר כיטין לפיסות קטנות יותר, שנקראות כיטין-אוֹליגוֹסרכידים.

אוליגוסכריד (Oligosaccharide): ↑ שרשרת קצרה של מולקולות סוכר שמחוברות על ידי קשרים כימיים חזקים. אוליגוסכרידים נוצרים כשאנזים מפרק רב-סוכר לפיסות קטנות יותר.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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