מלכודת לפולשים

בקטריופאג’ים (או בקיצור: פאג’ים) הם נגיפים שתוקפים חיידקים. כמו כל יצור חי, גם לחיידקים יש מנגנוני הגנה מפני פולשים, ובעשור האחרון התגלו יותר ממאה מנגנונים כאלה. למרות זאת, אופן הפעולה של רובם עדיין לא מובן. מחקר חדש מהמעבדה של רותם שורק במכון ויצמן למדע, שפורסם בכתב העת Science,  גילה כיצד פועל מנגנון הגנה בשם “מטיס” (Metis).

מערכת מטיס התגלתה במסגרת מחקר שחיפש,  באמצעות מודל חישובי, גֵנים הקשורים למערכות הגנה מפני פאג’ים. החוקרים זיהו שני גֵנים, MisA ו-MisB, שמופיעים בגֵנום של חיידקים ממינים שונים. כדי לבחון את תפקיד הגנים הם החדירו אותם לחיידקי אי קולי (E. coli) – חיידק המשמש באופן שגרתי במחקר – והדביקו אותם ב-11 סוגי נגיפים שונים.

קרב הנגיפים

התברר שהמערכת הגנה מפני חמישה סוגי נגיפים. בניגוד למערכות הגנה מסוג אנזימי רסטריקציה או מערכות קריספר שחותכות את ה-DNA של הנגיף ומאפשרות לחיידקים לשרוד, מערכת מטיס גורמת למותו של התא הנגוע עוד לפני שהנגיף מצליח להשתכפל. סוג זה של מנגנון נקרא “הדבקה מופסקת” (abortive infection), והוא מוכר כבר משנות ה-80. החיידק הנגוע “מקריב” את עצמו כדי למנוע מהנגיף להתרבות ולהדביק חיידקים נוספים, שחלקם הם קרוביו הגנטיים. 

לאחר שהחוקרים הוכיחו שמטיס היא אכן מערכת הגנה, הם ביקשו להבין כיצד היא פועלת. הם בדקו אילו שינויים מתחוללים בתא לאחר ההדבקה, וגילו ירידה ברמות המולקולה NAD (קיצור של nicotinamide adenine dinucleotide), החיונית לתהליכים ביוכימיים רבים בכל היצורים החיים – מחיידקים ועד לבני אדם. החוקרים אף מצאו ש-MisA הוא האנזים שמפרק את מולקולות ה-NAD. ללא מולקולה זו, הנגיף אינו מסוגל לנצל את מערכות התא כדי להשתכפל. 

עקבות הפורץ

כדי להבין מה מפעיל את מנגנון מטיס, בודדו החוקרים מוטנטים של נגיפים שהצליחו לעקוף את ההגנה. בכל המקרים נמצאה מוטציה באנזים נגיפי שתפקידו לפרק את ה-DNA של החיידק. זהו מנגנון נפוץ בבקטריופאג’ים, שכן פירוק ה-DNA מספק לנגיף חומרי גלם לבניית החומר הגנטי שלו. ואכן, כל חמשת הנגיפים שמטיס הצליחה לעצור משתמשים בשיטה זו, בעוד שששת האחרים אינם עושים זאת. 

באמצעות מודלים חישוביים וניסויים ביוכימיים גילו החוקרים כי MisA מזהה מולקולת דאוקסי-אדנוזין חד-זרחנית, שעברה שינוי כימי הנקרא מתילציה בעמדה 6 (M6dAMP). 

מולקולות ה-DNA מורכבות מארבעה בסיסים חנקניים: A,G,T ו-C. למעשה ב-DNA יש שינוי כימי קבוע שבו חסר אטום חמצן אחד (ה-D, עבור deoxy, ב-DNA). אבני הבניין המיוצרות בתאים מכילות בנוסף שלושה אטומי זרחן, אך במהלך יצירת ה-DNA, נשארת רק אחת – המחברת בין יחידות השרשרת. בחלק מהחיידקים מתבצעת מתילציה של בסיסי ה-DNA, כלומר, הוספה של הקבוצה הכימית מתיל, המשמשת מעין “חותמת זיהוי” שמאפשרת למערכות ההגנה להבחין בין ה-DNA של החיידק ובין DNA זר של נגיפים. במקרה של מטיס, החלבון MisA למעשה מזהה מולקולות M6dAMP החופשיות בתא, שנוכחותן מעידה על כך שה-DNA של החיידק כבר מתפרק – סימן מובהק למתקפת נגיף. הזיהוי הזה מפעיל מיד את פירוק ה-NAD, ובכך עוצר את התרבות הנגיף. 

שומר הסף

החוקרים גילו ש-MisA לבדו מספיק כדי להגן על חיידק, אך בהיעדר MisB החיידקים גדלים באיטיות. התברר גם ש-MisB מזהה את מולקולות M6dAMP, אך תפקידו דווקא לפרק אותן. הסיבה לכך היא שמולקולות כאלה נוצרות גם באופן טבעי, למשל במהלך תיקון שגרתי של ה-DNA. בכך MisB מונע הפעלה שגויה של מנגנון ההגנה כאשר אין מתקפה של הנגיף. 

בהמשך החוקרים מצאו גרסה נוספת של המערכת. בחלק מהחיידקים נמצא כי במקום MisA מופיע חלבון אחר, שאותו כינו MisC. חלבון זה מחסל את התא בדרך שונה: הוא יוצר חורים בקרום התא, עד שהחיידק מתפוצץ. למערכת הזו הם קראו מטיס סוג II. 

המנגנון החדש שהתגלה הוא אחד מיני רבים שמפרקים NAD בתגובה להדבקה נגיפית, והחוקרים משערים שקיימים מנגנונים דומים נוספים. הגילוי של מערכת זו ואחרות יוכל לשמש בעתיד למגוון יישומים, ובהם הנדסת חיידקים העמידים לנגיפים עבור תעשיית המזון, תעשיית התרופות או תעשיית החומרים, וכן פיתוח תרופות אנטיביוטיות שיפעילו את המנגנונים האלו.