חוקרים ייצרו סוכרים מפחמן דו-חמצני

כל החיים על-פני כדור-הארץ מתבססים, בדרך זו או אחרת, על קיבוע פחמן: היכולת של צמחים, אצות וחיידקים מסוימים "לשאוב" מהסביבה פחמן דו-חמצני (2CO) ולהמיר אותו, בסיוע אנרגיית השמש, לסוכרים המשמשים חומר מוצא הכרחי לתהליכי החיים (תהליך הקרוי קיבוע פחמן). במעלה רשת המזון, מצויים יצורים שונים (שחלק מהם סבורים, אולי בטעות, שהם "מתקדמים יותר"), שפועלים בכיוון ההפוך: הם צורכים סוכרים (שמפיקים היצורים והצמחים היצרניים) ו"בתמורה", משחררים לסביבה פחמן דו-חמצני. דרך גידול זו, מכונה "הטרוטרופיזם" או בעברית "צרכנות". בני-האדם הם כמובן "צרכנים" במובן הביולוגי משום שמקור כל המזון אותו אנו צורכים מגיע מתהליכי קיבוע פחמן של יצרנים שאינם בני-אדם.

האם אפשר "לתכנת מחדש" יצור שמצוי במעלה רשת המזון, צורך סוכרים ומשחרר פחמן דו-חמצני, כך שישתמש בפחמן דו-חמצני מהסביבה, וייצר סוכרים הנחוצים לו לבניית גופו? מתברר שזה בדיוק מה שעשו באחרונה מדעני מכון ויצמן למדע. ד"ר ניב אנטונובסקי, שהוביל את המחקר במעבדתו של פרופ' רון מילוא במחלקה למדעי הצמח והסביבה, אומר שהיכולת לשפר קיבוע פחמן חיונית ליכולתנו להתמודד עם אתגרים עתידיים כמו הצורך לספק מזון לאוכלוסייה גדלה, על משאבי קרקע פוחתים, תוך הפחתת השימוש בפחם, נפט וגז טבעי.

מדעני המכון, שביקשו להתכונן לאתגר, החליטו לנסות להכניס את המסלול המטבולי שמבצע קיבוע פחמן וייצור סוכרים (מעגל קלוין) לחיידק E. coli, שידוע דווקא כ"צרכן" - יצור שאוכל סוכר ומשחרר פחמן דו-חמצני.

מסלול חילוף החומרים של קיבוע פחמן ידוע היטב, ופרופ' מילוא וחברי קבוצתו העריכו כי בתכנון נכון הם יוכלו לצרף את הגנים שמכילים את המידע הנחוץ לבנייתו, לגנום של החיידקים. עם זאת, האנזים העיקרי המשמש לקיבוע פחמן, Rubisco, עובד עם חומר שמשתתף בחילוף חומרים (מטבוליט) שידוע שהוא רעיל לתאים חיידקיים. לפיכך, העיצוב הגנטי המחודש של החיידק היה חייב לכלול הסדרה מדויקת של רמות ההתבטאות של הגנים השונים, על-פני מסלול רב-שלבי.

במובן מסוים, התוכנית המתוכננת היטב של צוות המחקר הצליחה: החיידקים אכן ייצרו אנזימי קיבוע פחמן, ואלה פעלו כראוי. אבל המנגנון, כמכלול, לא ביצע את מלאכתו ו"לא סיפק את הסחורה". ד"ר אנטונובסקי: "כמובן, יש לנו עסק עם אורגניזם שהתפתח במהלך האבולוציה במשך מיליוני שנים כדי לאכול סוכר, לא פחמן דו-חמצני. לכן החלטנו לרתום את האבולוציה כדי שתסייע לנו ליצור את המערכת שאליה התכוונו".

חיידקים בגמילה

ד"ר אנטונובסקי, פרופ' מילוא וחברי קבוצת המחקר ובהם ד"ר יהודית זוהר, תלמיד המחקר בעבר ד"ר ארן בר-אבן, תלמידי המחקר שמואל גלייזר ואלעד הרץ וחוקרים נוספים, גידלו את החיידקים ודחקו אותם - לאט ובהדרגה - לפתח תיאבון לפחמן דו-חמצני. בהתחלה, יחד עם בועות של פחמן דו חמצני שביעבעו במכלים בנדיבות, הוצע לחיידקים גם חומר (פירובט) שיכול להיות מקור אנרגיה, וכן מעט מאוד סוכר, שמספיק בקושי רב להישרדות. כך, באמצעות שינוי תנאי הסביבה, ויצירת עקה, אילצו המדענים את החיידקים ללמוד, בדרך של הסתגלות והתפתחות, לנצל את החומר הנפוץ יותר בסביבתם. בחלוף חודש, המצב כמעט לא השתנה. החיידקים סירבו "לקבל את הרמז". אבל אחרי כחודש וחצי, החלו חיידקים מסוימים להראות סימנים שהם לא "רק שורדים". בחודש השלישי הצליחו המדענים לגמול את החיידקים המפותחים מהסוכר ולגדלם על פחמן דו-חמצני ופירובט בלבד. תיוג איזוטופי של מולקולות הפחמן הדו-חמצני העלה כי זה אכן היה החומר ששימש את החיידקים ליצירת חלק ניכר ממאסת הגוף שלהם, כולל כל הסוכרים הדרושים ליצירת התא.

בשלב זה ריצפו המדענים את הגנום של החיידקים המפותחים, ומצאו שינויים רבים שהיו פזורים בו. "הם היו שונים לחלוטין מהתחזיות שלנו", אומר פרופ' מילוא. "נדרשו לנו שנתיים של עבודה קשה כדי להבין מי מכל השינויים האלה באמת חיוניים, ולפענח את ה'היגיון' שמונח בבסיס ההתפתחות שעברו". חזרה על הניסוי (והמתנה נוספת של חודשים) נתנה למדענים רמזים חיוניים לזיהוי המוטציות ההכרחיות לשינוי הרגלי התזונה של חיידקי ה-E. coli, כך שבמקום לצרוך סוכר, הם יצרכו פחמן דו-חמצני.

פרופ' מילוא: "היכולת לתכנת או להנדס מחדש חיידקי E. coli כך שיקבעו פחמן, עשויה לתת לחוקרים ארגז כלים חדש ללימוד ולשיפור התהליך הבסיסי הזה". במימוש הנוכחי, החיידקים נדרשים לקבל את האנרגיה שלהם ממקור שיש בו כבר פחמן ולפלוט אותו לאוויר. בעתיד, צופים המדענים, אפשר יהיה להחיל את התובנות שהושגו במחקר זה, גם על עיצוב או הנדסה של חיידקים שיספגו פחמן דו-חמצני מהאטמוספירה וימירו אותו באנרגיה אצורה. בטווח הרחוק יותר, תובנות המחקר עשויות ללמד אותנו איך להגדיל את היבולים החקלאיים באמצעות מסלולי קיבוע פחמן שמותאמים יותר להזנת אוכלוסיית העולם הגדלה.