אנו חיים על כוכב מאוכלס מאוד

מיקרובים הם אורגניזמים קטנים ביותר שניתן למצוא כמעט בכל מקום בטבע, כולל בתוך גופנו ועליו. גודלם כה קטן שאיננו יכולים לראותם בעין, אלא רק באמצעות זכוכית מגדלת מתוחכמת שנקראת מיקרוסקופ. כל היצורים שחיים על פני כדור הארץ מְסֻוָּגִים על בסיס מאפייניהם לשלוש קבוצות ביולוגיות גדולות: חיידקים, אַרְכֵאוֹנִים ואֵיקַרְיוֹטִים. בכל אחת מהן ניתן למצוא מיקרובים. כל קבוצה כוללת מינים רבים – כל כך הרבה שאיננו יודעים עדיין כמה מינים ישנם סך הכול, ומדענים ממשיכים לגלות מינים חדשים. כדי שתקבלו מושג – כל בני האדם הם רק מין אחד (ותראו כמה רבּים אנחנו!). ישנם 60,065 מִינֵי עצים בעולם, מיליון מִינֵי חרקים, וייתכן שישנם מיליארד מִינֵי מיקרובים שונים [1]! כיצד כולנו מצליחים לחיות יחד?

לשמחתנו, לכל מין יש צרכים נבדלים, והוא אוכל וחי במקומות שונים. כמו בני אדם, למיקרובים יש חיים חברתיים מורכבים, והם מְתַקְשְׁרִים זה עם זה כדי לשרוד. התנאים המסוימים שאורגניזם זקוק להם כדי לחיות נקראים נִישָׁה אקולוגית של אותו המין. לדוגמה, אתם מכירים את שכניכם היטב. אתם מכירים את ביתכם, את הפארק שבו אתם מבלים עם חברים, ואת המקום שבו אתם עורכים קניות. לעיתים הנישה שלכם חופפת לנישות של מינים אחרים: יש לכם צמחים בגינה, אתם מוציאים את הכלבים שלכם לטיול בכל ערב ויתושים עוקצים אתכם במהלך הקיץ. מיקרובים לא הולכים למרכול או משקים את הצמחים שלהם, אך הם כן מפתחים אסטרטגיות חכמות לשרוד ולקבל את מה שהם צריכים. הם מסתגלים היטב לנישות האקולוגיות שלהם, ואנו יכולים להפיק תועלת מכך.

מלחמות חיידקים

עולם החיידקים כולל יותר מ-30,000 מינים. ניתן לחלק חיידקים לשתי קבוצות גדולות: חיידקי גְרָאם-חיוביים וחיידקי גְרָאם-שליליים, כתלות בסוג דופן ההגנה שלהם. אצל חיידקי גראם-חיוביים הדופן עבה מאוד, ואילו הדופן של חיידקי גראם-שליליים דקה הרבה יותר. חיידקים חיים בכל מקום, אפילו בתנאים קשים. חלקם ניזונים מתרכובות גופרית ליד זרמים הידרוֹתרמיים בעומק האוקיינוס, חלקם משתמשים באור השמש לקבלת אנרגיה, בעוד שאחרים מסייעים לפרק מזון במעיים של חיות ובני אדם. לעיתים קרובות, חיידקים רבּים חיים יחד ונלחמים על מרחב מחיה, על מזון ועל משאבים אחרים. התחרות הזו על משאבים יכולה להתקיים בין חברים מאותו המין, או בין חברים ממינים שונים.

השיטות שמשמשות חיידקים לתחרות הזו על מרחב ומשאבים נקראות אסטרטגיות אַנְטָגוֹנִיסְטִיוֹת, וּבְקֶרֶב חיידקים הן די מגוונות. אסטרטגיות אלה כוללות היפטרות מתרכובות חשובות שדרושות למתחרים שלהם, או שינוי תנאים מיקרו-סביבתיים והפיכתם קשים מאוד למחייתם של חיידקים אחרים. ישנם חיידקים שמייצרים תרכובותאנטי-מיקרוֹבּיאליוֹת, במטרה להאט את הגדילה של שכניהם או לחסלהּ.

חומרים אנטי-מיקרוביאליים יכולים להיות ספציפיים או לא ספציפיים. הם לא ספציפיים כאשר הם תוקפים מתחרה חיידקי אחר. חומר אנטי-מיקרוביאלי מסוג זה הוא מֵי חמצן (H₂O₂) –אותו החומר שמחטא פצעים. לחומר זה יש טווח פעילות רחב, כלומר הוא יכול להרוג הרבה סוגי חיידקים שונים. דוגמאות נוספות לחומרים אנטי-מיקרוביאליים לא ספציפיים הן תרכובות כימיות כמו חומצה לַקְטִית, חומצה פוֹרְמִית, חומצה אָצֶטִית, אֶתָנוֹל, פחמן דו-חמצני, אָמוֹנְיָה, או תרכובות פֶנוֹלִיוֹת. חומרים אנטי-מיקרוביאליים ספציפיים, לעומת זאת, הם אלה שמוֹנעים גדילה של סוג מסוים של חיידקים, או מחסלים אותו. המשמעות היא שהחיידקים המתחרים מכירים היטב את החולשות ההדדיות, ומייצרים נשקים ייעודיים במטרה להילחם זה בזה. לחומרים אנטי-מיקרוביאליים ספציפיים יש טווח פעילות צר, מה שעושה אותם יעילים מאוד כנגד חלק מהחיידקים הפָּתוֹגֶנִים (מחוללי מחלות), והם יכולים לסייע לנו להילחם כנגד ''סוּפֶּר-חיידקים'' שגורמים לעמידוּת לאנטיביוטיקה [2]. עמידות זו מתרחשת כאשר חיידקים משתנים כך שהאנטיביוטיקות שהיו הורגות אותם או שולטות בגדילתם בעבר, אינן פועלות עוד ביעילות נגדם. בנסיבות אלה, חיידקים פתוגנים עמידים לאנטיביוטיקה עשויים להתפשט ולהרוג אנשים רבים. החומרים האנטי-מיקרוביאליים הספציפיים, שעוצבו על ידי הטבע במטרה להרוג חיידקי מטרה פתוגנים, יכולים לסייע לנו להתמודד עם בעיית העמידות לאנטיביוטיקה שמאיימת על האנושות.

הבקטריוֹצינים – נשקים מתוחכמים

בַּקְטֶרְיוֹצִינִים הם תרכובות אנטי-מיקרוביאליות ספציפיות שמיוצרות על ידי חיידקים במטרה להילחם בחיידקים אחרים. בקטריוצינים מורכבים מחלבונים קטנים שנקראים פֶּפְּטִידִים, והם מיוצרים בתוך החיידקים. חלק מהבקטריוצינים יכולים להישאר מחוברים לפני השטח של החיידקים, בעוד שאחרים משוחררים אל הסביבה. עד כה, תוארו בסך הכול 816 בקטריוצינים [3].

בקטריוצינים מחולקים לשלוש קבוצות, כתלות בגודלם: בקטריוצינים ממחלקה I הם הקטנים ביותר, וממחלקה III הם הגדולים ביותר. לבקטריוצינים יש צורה מיוחדת, שהם זקוקים לה כדי להיות פעילים ולתקוף חיידקים אויבים. אף על פי שהאופן שבו בקטריוצינים פועלים במטרה להרוג חיידקים אחרים אינו מובן לגמרי, נדמה שהבקטריוצינים באים במגע עם חיידקים אחרים דרך מבנים על פני השטח של החיידקים האויבים, שנקראים קולטנים. התהליך הזה פועל כמו מפתח ומנעול: כאשר בקטריוצינים נקשרים לקולטנים ובאים במגע עם פני שטח של אויב, החיידק הנתקף מְפַתֵּחַ חורים קטנים, מעין נקבוביות, בפני השטח שלו. תכולת התא החיידקי דולפת החוצה דרך הנקבוביות האלה, והורגת את החיידק האויב (איור 1).

כיצד אנו יכולים להשתמש בנשקי הבקטריוצין?

בקטריוצינים יכולים להתקבל מחיידקים שמייצרים אותם, על ידי זיקוק החומרים האלה במעבדה. לצורך כך מגדלים כמויות גדולות של חיידקים, כדי שישחררו בקטריוצינים לסביבתם. לאחר מכן, הבקטריוצינים נאספים על ידי מסננות ומגנטים מתוחכמים. ניתן אפילו לבצע מניפולציות על החיידקים כך שיוכלו לייצר בקטריוצינים נוספים.

כפי שציינו, בקטריוצינים הם נשקים מעניינים במיוחד ללחימה כנגד חיידקים עמידים לאנטיביוטיקה. בקטריוצינים יכולים לשמש בתור חלופה או השלמה לטיפול מסורתי באנטיביוטיקה כנגד זיהומים. יתרה מזו, מדענים מבינים שבקטריוצינים והחיידקים שמייצרים אותם עשויים למלא תפקיד באיזון הטבעי שבין סוגי חיידקים שונים בגופנו. המשמעות היא שבקטריוצינים מסייעים לשמור על חיידקים מזיקים בכמויות קטנות. חלק מהמחקרים מראים שבקטריוצינים יכולים אפילו להילחם בווירוסים ובסרטנים [4, 5]. בקטריוצינים אינם מזיקים לתאים אנושיים בריאים. כיום הם משמשים וטרינרים, אולם אינם מותרים עדיין לשימוש עבור בני אדם.

בקטריוצינים יכולים לשמש גם כמשמרי מזון, כדי לשמור על מזוננו בטוח יותר ולמנוע את קלקולו על ידי חיידקים מזיקים. נִיסִין, בקטריוצין שמיוצר על ידי חיידק ממין לַקְטוֹקוֹקוּס לַקְטִיס (Lactoccocus lactis), הוא אחד הבקטריוצינים המוכרים ביותר. ניסין נמצא בשימוש נרחב בשימור מוצרי חלב כמו חלב, יוגורט וגבינות, ומשמש גם לשימור בשר ומאכלי ים. בקטריוצינים שמיוצרים על ידי חיידקי חומצה לקטית, קבוצה של חיידקי גראם-חיוביים, מעוררים עניין רב מאחר שיש להם היסטוריה ארוכה ובטוחה של שימוש על ידי בני אדם [6]. החומרים האלה כוללים פֶּדִיֹוצִינִים (שמיוצרים על ידי הקבוצה החיידקית פֶּדְיוֹקוֹקוּס (Pediococcus)) ואֶנְטֶרוֹצִינִים (שמיוצרים על ידי הקבוצה החיידקית אֶנְטֵרוֹקוֹקוּס (Enterococcus)), ושניהם מראים תוצאות מבטיחות במעבדה.

מדענים סבורים שמרבית החיידקים יכולים לייצר בקטריוצינים, אך שרבּים מהם עדיין לא התגלו. מאחר שבקטריוצינים שימושיים ביותר לבני אדם ועשויים לסייע להתמודד עם עמידוּת לאנטיביוטיקה, מחקרים בתחום הזה חשובים להפליא. חוקרי בקטריוצינים חוקרים נישות אקולוגיות חדשות, מגלים בקטריוצינים נוספים, מפענחים כיצד בקטריוצינים פועלים ומוצאים דרכים חדשות לייצר אותם. אנו תקווה כי בקטריוצינים חדשים יהיו מוכנים לשימוש בקרוב ליישומים בתחומי בריאות אנושית ושימור מזון.

תרומות הַמְּחַבְּרוֹת

EG-G ו-SA כתבו את כתב היד ועיצבו אותו. שתיהן תרמו תרומה אינטלקטואלית מהותית וישירה לעבודה, ואישרו אותה לפרסום.

תודות

הַמְּחַבְּרוֹת מודות ל-Arianna Palmer Nueno על הערותיה יקרות הערך. EG-G קיבלה מימון ממיזם אירלנד ומתוכנית האיחוד האירופי למחקר וחדשנות Horizon 2020, תחת הסכם מענק מספר 847402 על שם Marie Skłodowska-Curie. SA קיבלה מימון מתוכנית האיחוד האירופי למחקר וחדשנותHorizon 2020, תחת הסכם מענק מספר 754535 על שם Marie Skłodowska-Curie. פרסום זה נבע ממחקר שנערך בתמיכה כלכלית של קרן אירלנד למדע (SFI) תחת מענק מספר SFI/12/RC/2273.

מילון מונחים

מין (Species): ↑ קבוצה של פרטים זהים שיכולים להתרבוֹת בתוך עצמם.

נישה אקולוגית (Ecological niche): ↑ הסביבה שמקושרת למין מסוים, לרבּוֹת המשאבים והקשרים עם מינים אחרים.

אסטרטגיה אנטגוניסטית (Antagonistic strategy): ↑ סוג של אינטראקציה בין מינים שבה אחד נתרם על ידי פגיעה באחר.

אנטי-מיקרוביאלי (Antimicrobial): ↑ חומר שהורג מיקרובים או עוצר את גדילתם.

פתוגני (Pathogenic): ↑ מיקרוב שיכול לגרום למחלה.

עמידות לאנטיביוטיקה (Antibiotic resistance): ↑ היכולת של מיקרוב לשרוד את ההשפעה של חומר אנטי-מיקרוביאלי שלפני כן היה הורג אותו.

בקטריוצינים (Bacteriocins): ↑ חלבונים אנטי-מיקרוביאליים קטנים שמיוצרים על ידי חיידקים במטרה להרוג חיידקים אחרים.

ניסין (Nisin): ↑ סוג של בקטריוצין שהשימוש בו נפוץ.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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