כך חיידקים בוחרים את המטרה שלהם: נחשף מנגנון ההכוונה של מזרק חיידקי שמקורו בווירוסים
מחקר חדש של צוות חוקרים מהאוניברסיטה העברית מגלה כיצד חיידקים מצליחים לזהות ולהיצמד לסוגים שונים של תאים, באמצעות מערכת הזרקה זעירה שמקורה בווירוסים. החוקרים מראים כי החיידקים יכולים “לכוון מחדש” את מערכת ההזרקה שלהם שוב ושוב בטבע, פשוט על ידי החלפת חלבון הקישור בקצה המערכת — מעין “ראש מתחלף” שקובע לאיזה תא היא תיצמד ואיזה תא יקבל את המטען שהיא מזריקה.
המחקר, שפורסם ב־ Nature Communications בהובלת פרופ’ אסף לוי מהפקולטה לחקלאות, מזון וסביבה באוניברסיטה העברית, עוסק במערכות הזרקה חוץ־תאיות מתכווצות (מכונות eCIS). מדובר במכונות חלבוניות טבעיות בגודל 100 ננומטר דמויות “מזרק” שמקורן בזנבות של בקטריופאג’ים — וירוסים שתוקפים חיידקים. בעוד וירוסים משתמשים בזנב כדי להחדיר חומר גנטי לתוך חיידק, חיידקים רבים רכשו ורתמו במהלך האבולוציה את אותה טכנולוגיה מולקולרית מוירוסים כדי להעביר חלבונים, בעיקר רעלנים, ליצורים אחרים בסביבה, כגון חסרי חוליות. כך החיידקים מצליחים למשל לחסל חרקים בטבע. הסיפור מתחיל לפני 20 שנה כשחוקר בניו זילנד שהתעניין בהדברה ביולוגית זיהה חיידק קוטל חרקים המשתמש במערכת ה eCIS לחסל זחלים של חיפושיות. לאחר מכן התגלה ש eCIS די נפוצה בחיידקים החיים בסביבה אך נעדרת כמעט לחלוטין מאיזושהי סיבה מחיידקי אדם.
במשך שנים היה ברור שמערכות eCIS צריכות רכיב חלבוני שמאפשר להן לזהות מטרה לפני שהן מזריקים את החלבון פנימה, בדומה לחלבוני “ספייק” של וירוס הקורונה שנקשרים לתאים שלנו. אבל בגלל שהרכיבים הללו משתנים במהירות רבה, קשה היה לזהות את הגנים לחלבונים הללו בגנומים של חיידקים בשיטות חישוביות סטנדרטיות. כדי להתגבר על כך פיתחו החוקרים שיטה חישובית חדשה שמאפשרת לאתר את הגנים לחלבונים האלו, הנקראים "סיבי זנב" גם כאשר הרצף שלהם משתנה מאוד.
התוצאה: זיהוי של יותר מ־3,400 חלבוני “סיבי זנב” שונים במעל 1000 סוגי חיידקים, המהווים את רכיב הקישור למטרה במערכות eCIS במאות רבות של מיקרואורגניזמים. מיפוי זה מספק תמונה חדשה של האופן שבו חיידקים מרחיבים את מגוון המטרות שלהם: הם משמרים את “גוף” המערכת, אך מחליפים את הקצה שנצמד לתאים.
“אפשר לחשוב על זה כמו על מזרק עם ראש מתחלף", אומר פרופ’ אסף לוי. "חיידקים שונים החליפו בעבר וממשיכים להחליף כיום את החלק שנצמד לתא, וכך משנה את המטרה. לרוב החיידקים יש מטרה אחת לכל מזרק, המשתנה בין החיידקים, אבל מצאנו מזרקים עם עדות לכמה מטרות שונות".
החוקרים מצאו גם סימנים לכך שחלק מחלבוני הקישור הללו “הושאלו” במהלך האבולוציה ממקורות מפתיעים — לא רק מווירוסים וחיידקים אחרים, אלא גם מצמחים, פטריות ואף בעלי חיים — מה שמדגיש עד כמה דינמית ומהירה האבולוציה של רכיב ההכוונה.
כדי להדגים את המשמעות המעשית של הגילוי, החוקרים הנדסו מערכת eCIS כך שתישא סיב זנב מסוים, והראו שהיא מסוגלת להיצמד לסוג תא אנושי ספציפי ולהעביר אליו חלבון שנישא בתוך המזרק — תוך הימנעות מפגיעה בסוגי תאים אחרים שנבדקו. לפי החוקרים, היכולת להחליף את “ראש הקישור” עשויה בעתיד לאפשר פיתוח כלים ביוטכנולוגיים להעברה ממוקדת של חלבונים לתאים, עם פוטנציאל ליישומים במחקר, בחקלאות ואולי גם ברפואה. הטכנולוגיה המודולרית הזו מאפשרת למשל להחדיר חלבונים באופן ממוקד וזמני לתאים, למשל תרופות, מבלי להנדס אותם גנטית שייצרו קבוע את אותו החלבון. אחד השותפים במחקר הנוכחי, פנג ג'יאנג, הראה בעבר שהמערכת גמישה מאד ויכולה לטעון מגוון גדול של חלבונים. כך שבשילוב של הנדסת החלבונים המוזרקים ומזרק עצמו מקבלים גמישות גבוהה מאד ככלי ביוטכנולוגי. "מעבר לשימושים של המערכת אנו סקרנים מאד לגבי עיקר תפקידה בטבע. אנו יודעים על כך מעט מאד" אומר פרופ' אסף לוי.