מיקרואורגניזמים יכולים לחיות בכל מקום!

מיקרואורגניזמים היו צורות החיים המוקדמות ביותר על כדור הארץ. הם גם צורות החיים הקטנות ביותר על כוכב הלכת שלנו. המונח ''מיקרואורגניזמים'' מתאר קבוצה מגוונת של אורגניזמים חד-תאיים שכוללים חיידקים, אַרְכֵאוֹנים, פטריות מסוימות, אצות, פרוֹטוֹזוֹאוֹנים ווירוסים. בשל גודלם הזעיר כל כך ביכולתנו לראות את האורגניזמים האלה רק באמצעות מיקרוסקופים. מיקרואורגניזמים חיים בבטננו ועל עורנו, אך גם בכל מקום אחר – מהאזורים העמוקים ביותר בקרום כדור הארץ, ועד למרומי העננים. חלקם אפילו חיים מתחת לקרח באזור הארקטי, או בסלעים געשיים בני 3.5 מיליארדי שנים, או במעיינות חמים (איור 1A). ניתן למצוא אותם בטמפרטורות קיצוניות, חמות וקרות; במליחות קיצונית בים המלח; בקרינה קיצונית בכורים גרעיניים; תחת לחציו הגדולים של עומק הים; ביובש המוחלט של מדבריות, ובנהרות חומציים ובסיסיים. אף על פי שחלק ניכר מהתנאים הקיצוניים האלה רעילים למרבית צורות החיים האחרות, חיידקים פיתחו דרכים להישאר עמידים כנגד התנאים הקשים, ולשרוד.

סודות הישרדות של מיקרואורגניזמים שחיים בתנאים קיצוניים

מיקרואורגניזמים פיתחו כמה אסטרטגיות מרתקות שמסייעות להם לשרוד בסביבות מחיה קיצוניות (איור 1B). נסביר על כמה מהן:

גמישוּת מטבּוֹלית

מיקרואורגניזמים רבים פיתחו יכולת לשנות את סוגי המזונות שהם אוכלים, כתלות בזמינות. חלקם גם יכולים לְסַגֵּל את חילוף החומרים שלהם לתנאים משתנים, כמו חום או קור [1].

תרדמה

כאשר התנאים אינם מועדפים, חלק מהמיקרואורגניזמים יכולים להיכנס למצב של תרדמה, אשר דומה ל''מצב שינה''. אז הם מאיטים את חילוף החומרים שלהם כך שהם אוכלים פחות וגדלים פחות, עד שהתנאים משתפרים.

נבגים

כאשר התנאים אינם מועדפים, חלק מהמיקרואורגניזמים יוצרים כיסוי מיוחד סביב עצמם, שמורכב מחלבונים יוצאי דופן. הצורות המוגנות האלה נקראות נבגים, אשר יכולים לסייע למיקרואורגניזמים לשרוד במשך אלפי שנים בתנאים קשים!

מנגנוני תיקון

תנאים קיצוניים יכולים להזיק לחומר הגנטי של מיקרואורגניזמים. החומר הגנטי כולל דנ''א ורנ''א, אשר נקראים חומצות גרעין. חלק מהמיקרואורגניזמים פיתחו מנגנוני תיקון מיוחדים במטרה לתקן נזקים בחומצות גרעין.

עמידוּת לחום

לחלק מהמיקרואורגניזמים יש חלבונים ושומנים מיוחדים שיכולים להגן עליהם מפני טמפרטורות גבוהות מאוד. התחיליות היווניות תֶּרְמוֹ-(thermo-) ו-פִּירוֹ-(pyro-) אומרות לנו שמיקרואורגניזמים ששמותיהם פותחים בהן, יכולים לחיות בקרבת חום ואש.

עמידוּת לקרינה

קרינת גמא היא סוג של קרינה המיוצרת על ידי דעיכה של חומר רדיואקטיבי. מאחר שקרני גמא יכולות לחדור רקמות ותאים, הן מסוכנות מאוד למרבית האורגניזמים. חלק מהמיקרואורגניזמים מייצרים פיגמנטים יוצאי דופן שפועלים כמגן אל מול קרני גמא. מיקרואורגניזמים אלה, שעמידים בפני קרינה, מכילים גם כמה עותקים של המידע הגנטי שלהם, מה שמסייע להם לשרוד אם עותק אחד ניזוק על ידי קרינה.

מהי הדרך הטובה ביותר להרוג מיקרואורגניזמים?

למיקרואורגניזמים יש השפעה עצומה על הסביבה שלנו – הם מאפשרים את החיים על כדור הארץ. מרבית סביבות המחיה המיקרוביות לא נחקרו עדיין לעומק. לדוגמה, 95% מהאוקיינוס עדיין אינו מאופיין היטב. המשמעות היא שלחוקרים שסוקרים סביבות מחיה ימיות עדיין יש הרבה עבודה לעשות! כאשר אנשי מחקר חוקרים דגימות מהסביבה, לעיתים קרובות הם רוצים לדעת אם התהליכים שמתרחשים בדגימות האלה הם תהליכים ביולוגיים, כלומר מוּנעים על ידי פעילות ביולוגית של מיקרואורגניזמים חיים, או שהם תהליכים גיאוכימיים, כלומר מוּנעים על ידי תגובות כימיות אַבִּיּוֹטִיוֹת, ללא פעילותם של אורגניזמים חיים (איור 2A). אחת הדרכים לדעת אֵילוּ סוגי תהליכים מתרחשים, היא לחסל את כל המיקרואורגניזמים בדגימות הסביבתיות כך שניתן יהיה לחקור את התהליכים הגיאוכימיים לבדם. חיסול כל המיקרואורגניזמים בדגימה נקרא סטריליזציה (איור 2B) [2].

במטרה לחקור תהליכים גיאוכימיים ביעילות, שיטות הסטריליזציה שמשמשות לחיטוי דגימות נדרשות שלא להשפיע על תהליכים גיאוכימיים. לפני הניסוי שלנו, לא הרבה היה ידוע על אם שיטות סטריליזציה משנות תכונות גיאוכימיות של דגימות סביבתיות. לכן, החלטנו לחקור את ההשפעות של שיטות סטריליזציה שכיחוֹת על משקעים ימיים. במהרה מצאנו שהסוגיה אינה פשוטה כפי שהיא נראית!

כיצד ביכולתנו להוכיח שדגימה סביבתית היא סטרילית?

מהי המשמעות של ''סטרילי''? לפי הגדרה, הכּוונה היא למשהו שהוא נקי לגמרי ואינו מכיל מיקרואורגניזמים חיים. כשאנו מעוניינים להסיר מיקרואורגניזמים מדגימות הניסוי שלנו, עלינו לחשוב על האופן שבו נוכל לבחון את נוכחותם של מיקרואורגניזמים. כיצד אנו יודעים אם המיקרואורגניזמים חיים? תכונות ידועות של תאים חיים כוללות מבנה מסודר של תא; מֶמְבְּרָנַת תא שלמה; היכולת להגיב לגירוי כמו לכימיקלים או לאור, והיכולת לגדול ולהתרבּוֹת. ביכולתנו למדוד חלק מהתכונות האלה בקלות במעבדה (איור 2C). אנו יכולים לבחון את ההתרבּוּת של מיקרואורגניזמים על ידי ספירת מספר התאים החיים מתחת למיקרוסקופ, או על ידי גידולם בצלוחיות אָגָר, אשר מכילות מזון עשיר בחומרי מזון. אנו יכולים לבחון יצרנוּת מיקרובית על ידי מעקב אחר פעילות מיקרובית במעבדה, על ידי כִּמּוּת כמות המזון שהמיקרואורגניזמים אוכלים, מעכלים ומייצרים. לדוגמה, באפשרותנו למדוד כמה חומצות אמינו מיקרואורגניזמים אוכלים בזמן שהם מייצרים ביומסה לגדילה. ישנן גם שיטות מעבדה למדידת כמויות חומצות הגרעין (רנ''א ודנ''א) בדגימה, מה שמספק מידע לגבי הרכב המיקרואורגניזמים הפעילים.

מחקרנו אודות משקעים ימיים

במטרה לקבוע את השיטה היעילה ביותר לחטא דגימות של משקעים ימיים, בחנו את ההשפעות של שיטות סטריליזציה שונות על משקעים אלה. מצוידים במגפי גומי, אִתֵּי חפירה, כפפות ודליים, צוות המחקר שלנו אסף משקעים ימיים בדנמרק, על חוף הים הַבַּלְטִי. חיטאנו את הדגימות האלה באמצעות שלוש שיטות: שימוש במכשיר אוֹטוֹקְְלָב – שיטה שבה הדגימות נחשפו לחום גבוה (121°C) וללחץ גבוה; שימוש בקרינת גמא; או שימוש בריכוז גבוה של כימיקל רעיל שנקרא אָזיד הנתרן (איור 2B) [2].

אחרי טיפולי הסטריליזציה, חיפשנו נוֹכחוּת של מיקרואורגניזמים בדגימות על ידי ספירה ישירה שלהם בצלוחיות האגר; איתור מידת גדילתם ומדידת כמויות חומצות הגרעין הנוֹכחוֹת. ערכנו את המדידות האלה מייד לאחר הסטריליזציה, ושוב שבועיים מאוחר יותר. באותן שתי נקודות זמן, הערכנו את התכונות הגיאוכימיות של הדגימות, במטרה לבדוק אם חומרים שוחררו מהדגימות, או אם התרחשו שינויים במינרלים כתוצאה מתהליכי הסטריליזציה (איור 2C).

חומצות גרעין עדיין נמצאות בדגימות שעברו סטריליזציה!

באופן מפתיע, מצאנו חומצות גרעין מייד בתום כל הליכי הסטריליזציה (איור 3A) [2]. עד כה, ידוע שדנ''א ממיקרואורגניזמים מתים יכול להישאר במשקעים ימיים במשך שבועות עד שנים [3]. רנ''א נמצא לרוב בעיקר במיקרובים חיים, אך ישנם רמזים לכך שרנ''א נותר גם זמן רב אחרי מותם של אורגניזמים, וכי הוא עשוי להיות יציב יותר במשקעים באוקיינוס ממה שהניחו בעבר [3]. חומצות גרעין יכולות להיות מפורקות על ידי חלבונים מיוחדים שנקראים אנזימים, אשר פועלים כמו מספריים מולקולריים. לאחר חיטוי באמצעות אוטוקלב, ידענו שאנזימים שחותכים דנ''א עדיין פועלים מאחר שכמות הדנ''א קטנה אחרי שבועיים. כימיקלים כמו אזיד הנתרן אינם משפיעים על מרבית האנזימים שחותכים חומצות גרעין, מה שמודגם על ידי הפחתה של דנ''א ורנ''א בנקודת הזמן שבה נבדקו הדגימות כעבור שבועיים. אולם, בדגימות שהוקרנו על ידי קרינת גמא, כמויות נמוכות של רנ''א עדיין נמצאו אחרי שבועיים. ייתכן כי האנזימים שחותכים רנ''א ניזוקו על ידי הקרינה, וכבר לא היו מסוגלים לפרק את הרנ''א. האם נוכחותן של חומצות גרעין משמעותה שהדגימות הן סטריליות, או לא?

איזו שיטת סטריליזציה היא הטובה ביותר?

שיטת האוטוקלב משמשת באופן נרחב לסטריליזציה מאחר שהיא מנטרלת את מרבית הפטריות והפרוטוזואונים. אולם, חיידקים וארכאונים רבים שרדו אוטוקלב בניסוי שלנו (איור 3A) [2]. נוסף על כך שיטת האוטוקלב שינתה את המינרלים בדגימות המשקעים שלנו, וגרמה לשחרורם של מגוון סוגי חומרים שונים מהדגימות. סטריליזציה באמצעות קרינת גמא חיסלה את מרבית המיקרואורגניזמים, אך גם גרמה לשחרורם של חומרים מדגימות המשקעים שלנו ושינתה מינרלים (איור 3A) [2]. אוטוקלב וקרינה עשויים שלא להיות שיטות הסטריליזציה הטובות ביותר לשימוש עבור דגימות סביבתיות, כיוון ששיטות אלה שינו את התכונות הגיאוכימיות של הדגימה. סטריליזציה באמצעות אזיד נתרן הרגה רק מעט מיקרואורגניזמים, אך בלמה גדילה של מיקרואורגניזמים עד לנקודת המדידה בשבוע השני [2, 4]. אזיד נתרן לא שינה את שחרורם של חומרים מהדגימות שלנו, או את המינרלים בדגימות האלה.

מסקנה: מיקרואורגניזמים שורדים הכול!

כדי להבחין בבהירות בין תהליכים ביולוגיים לתהליכים גיאוכימיים בדגימות סביבתיות, צריך לבחור שיטת סטריליזציה מיטבית. אך נדמה שלכל השיטות יש חסרונות, ולכן חוקרים נדרשים להתפשר כתלות בשאלות המחקר שהם מבקשים לענות עליהן. ראוי ששיטת אוטוקלב תשמש במחקרים שמתמקדים בתכונות ביולוגיות, בעוד שכימיקלים וקרינת גמא עשויים להיות שיטות טובות יותר לחיטוי דגימות שאנו מעוניינים לנתח את תכונותיהן הגיאוכימיות.

הניסויים שלנו מבהירים שמיקרואורגניזמים הם גיבורי-על שקופים, חזקים הרבה יותר ממה שאנו חושבים (איור 3B)! בעוד שכישורי ההישרדות שלהם מדהימים ביותר, כישורים אלה מקשים על מדענים לחקור את התכונות הגיאוכימיות של משקעים ימיים ושל סביבות מחיה אחרות. מאחר שמיקרואורגניזמים יכולים לשרוד כמעט כל תנאי מאתגר שהם נתקלים בו לרבּוֹת טמפרטורה גבוהה; לחץ קיצוני; קרינה חזקה וכימיקלים רעילים, עשוי להיות קשה להסיר את כל עקבותיהם מדגימות סביבתיות. כמו כן מאתגר לבחור את שיטות הסטריליזציה המתאימות מאחר שחלק מהשיטות יכולות להשפיע גם על התכונות הגיאוכימיות של הדגימות. תוצאות הניסויים שלנו מַדגימות שיצורים חיים, בפרט מיקרואורגניזמים, קשורים באופן הדוק לסביבתם. מיקרואורגניזמים והסביבות שלהם משפיעים אלה על אלה כל הזמן בדרכים מורכבות, שמאפשרות את קיום החיים על כדור הארץ!

מילון מונחים

חילוף חומרים (Metabolism): ↑ כל התהליכים הביולוגיים ששומרים על חייו של אורגניזם. במילים פשוטות, חילוף חומרים הוא סך כל האכילה, השתייה, העיכול והגדילה.

תרדמה (Dormancy): ↑ כאשר מיקרואורגניזמים מכבים את חילוף החומרים שלהם, כלומר כשהם נכנסים למצב של שינה עמוקה, וגדילתם, התפתחותם ופעילותם הפיזית מופסקות באופן זמני.

נבג (Spore): ↑ מצב שבו מיקרואורגניזמים יכולים לשרוד במשך זמן רב תחת תנאים קשים. זאת כאשר הם יוצרים מעטפת מיוחדת סביבם, שדומה לזרע של צמח.

חומצות גרעין (Nucleic Acids): ↑ מולקולות מורכבות שמאחסנות מידע גנטי. שני סוגי חומצות הגרעין הם דנ''א ורנ''א. דנ''א מצביע על נוכחותם של מיקרואורגניזמים, ורנ”א יכול להראות אם הם פעילים.

תהליכים ביולוגיים (Biological Processes): ↑ כל התהליכים שמבוצעים על ידי אורגניזמים חיים.

תהליכים גיאוכימיים (Geochemical Processes): ↑ כל התהליכים שמתרחשים בסביבה, אשר מוּנעים רק על ידי תגובות כימיות.

סטריליזציה (Sterilization): ↑ תהליך אשר הורג מיקרואורגניזמים, מסיר אותם, או מנטרל אותם.

אוטוקלב (Autoclave): ↑ מכשיר שמייצר חום ולחץ, ומשמש להריגת מיקרואורגניזמים.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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