RESEARCH

את המחקר הנחו החוקרים פרופ' עירית גת-ויקס ופרופ' ערן בכרך, בהובלת הדוקטורנטים אופיר כהן וגל ינקוביץ מבית הספר ע"ש שמוניס למחקר ביו-רפואי וחקר הסרטן, בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז. המחקר  פורסם בכתב העת היוקרתי “Cell Systems”.

"באוכלוסייה כללית, אנשים יגיבו באופן שונה לזיהומים ולכן קיים צורך בכלים רפואיים שיצביעו כיצד כל אדם צפוי להגיב למחלה זיהומית מסוימת", מסבירה פרופ' גת-ויקס ומרחיבה "עד כה, היו קיימים בעולמות המדע מדדים כלליים ביותר לאפיון מחלות אלו, דוגמת סמנים דלקתיים, חום, בדיקות שתן וכד'. תגובה, שבמדדים אלה תיראה אחידה, יכולה למעשה להתחלק לתגובות שונות בהתמודדות עם גורם המחלה. במקרי קצה, כפי שראינו למשל במגפת הקורונה, התגובה החיסונית של האדם לנגיף יכולה להגיע למצב קטלני, וזיהוי מקדים של תגובתו יכול לסייע לנו להציל חיים. ההתבוננות החדשה שלנו וחלוקת התגובה הדלקתית נתנה לנו את היכולת למצוא מדדים וסמנים חדשים שיש בגופנו, ממש בזרם הדם. משמע, מדגימת דם פשוטה נוכל ללמוד הרבה יותר על מצבו הבריאותי של האדם שחלה, ולתת לו טיפול מקיף יותר בהתאם להתפתחות הזיהום בגופו".

"הצלחנו להתבונן בתגובת מערכת החיסון ברזולוציה עמוקה, ולזהות שני סוגי תגובה עיקריים: האחד, בו מערכת החיסון נלחמת בפתוגן שחדר לגוף, והסוג השני, בו מתרחש תיקון הנזקים בגוף 'לאחר המלחמה' בפתוגן. במחקרנו, השתמשנו במודלי מחלה בחיות, בכלים חישוביים, ובמידע שנאסף מאנשים עם סמנים שונים בגופם המהווים אינדיקציה לסוג התגובה לפתוגן", מסביר פרופ' בכרך.

"למעשה, רפואה אישית קיימת היום במחלות 'סדורות' דוגמת סרטן, אך אין כמעט שימוש בכלים של רפואה אישית בתחום המחלות הזיהומיות. אנשים בעלי תגובות קיצוניות להדבקה במיקרואורגניזמים, כדוגמת נגיפים או חיידקים, מצויים כיום בחוסר מענה רפואי הולם. אנו מאמינים שבזכות מחקר זה, רופאים יוכלו לאבחן טוב יותר את מצבו של החולה וכתוצאה מכך להעניק טיפול יעיל שישפר את סיכויי ההחלמה של המטופל. אנו שואפים להמשיך את המחקר ולגלות עוד תת-קבוצות בעלות תגובות שונות בקרב האוכלוסייה, כך שנוכל לעזור לרופאים לדייק את אבחנתם ולתת מענה הולם לחולים", מסכמת פרופ' גת-ויקס.

^{פרופ' עירית גת-ויקס ופרופ' ערן בכרך}

צוות החוקרים כולל את מר גאורגי גרי רוזנמן, דוקטורנט מבית הספר לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב, פרופ' דניס בונדר מאוניברסיטת טוליין שבארה"ב, פרופ׳ וולפגנג שלייך מאוניברסיטת אולם שבגרמניה, פרופ׳ לב שמר מבית הספר להנדסה מכנית מאוניברסיטת תל אביב ופרופ׳ עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל  ומופקד הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול. המחקר פורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Physica Scripta.

איור 1 - חלק עליון: תיאור סכימטי של המערכת הניסיונית למדידת גלי כבידה משטחיים על פני מים וחילוץ מסלולי בוהם והפוטנציאל הקוונטי. חלק תחתון: (a) צילום חזית של הבריכה בה נוצרים הגלים. (b) מחוללי הגלים הנשלטים על ידי מחשב. (c) חיישנים המודדים את גובה פני המים.

עושים גלים

תאוריית דה ברוגלי-בוהם (De Broglie–Bohm theory), הידועה גם בשם מכניקה בוהמית, מתארת את ההתפתחות של פונקציית גל של חלקיק קוונטי במרחב ובזמן על ידי סדרה של מסלולים מוגדרים (הקרויים מסלולי בוהם) שהחלקיק נע באחד מהם. מסלולים אלה נקבעים על ידי משוואת תנועה התלויה בפונקציית הגל ההתחלתית. באופן שקול, ניתן להגדיר פוטנציאל קוונטי שמגדיר את התפתחות פונקציית הגל. התאוריה נקראת על שמם של לואי דה ברוגלי (1892–1987) ודייוויד בוהם (1917–1992) והוצעה על ידם על מנת להסביר את התופעות הנמדדות בפיסיקה קוונטית.

איור 1 - ימין: מדידות ניסיוניות של ניסוי שני הסדקים ומסלולי בוהם שנמדדו (פסים שחורים). המימוש של הסדקים נעשה בתחום הזמן, על ידי יצירת שני פולסים של גלי כבידה משטחיים, בזמנים (t=-4, +4 sec). ניתן לראות את ההתפתחות של מסלולי בוהם לאורך בריכת הגלים (ציר X). יש אזורים שאף מסלול לא חוצה אותם, ועוצמת הגל שתימדד בהם תהיה אפס. הסיבה לכך היא שנוצרת באזורים אלה התאבכות הורסת. לעומתם, יש אזורים שבהם יש צפיפות גבוהה של מסלולי בוהם, ובהם עוצמת הגל מקסימלית (כתוצאה מהתאבכות בונה). איור 2 - שמאל: מראה את הפוטנציאל הקוונטי. הגל נע רק ב'עמקים' (כלומר באזורים שבהם הפוטנציאל נמוך) ולא מגיע ל'הרים' (כלומר לאזורים שבהם הפוטנציאל גבוה).

חלון חדש להבנת הדינמיקה של גלים

בעוד שתאוריית דה-ברוגלי-בוהם פותחה עבור תיאור של מערכת קוונטית, הניסוי שבוצע עוסק במערכת קלאסית של גלי כבידה משטחיים על פני מים, אך כאלו שמקיימים את משוואת שרדינגר. לפיכך, צוות החוקרים זיהה כי ניתן ליישם את תאוריית דה ברוגלי-בוהם כדי לבחון באופן נסיוני את מסלולי בוהם ואת הפוטנציאל הקוונטי, אבל בהתקן גדול שניתן לראותו בעין. בניסוי מיוצרים גלי כבידה משטחיים בבריכה באורך של 18 מטרים, שמתנהגים באופן דומה לגלי חומר זעירים בעולם הקוונטי וכך החוקרים הצליחו למדוד במערכת מקרוסקופית תופעות שנחזו במקור למערכות קוונטיות.

בפרט, ניתן לראות בניסוי שחזור מלא של מסלולי בוהם של הניסוי המפורסם של עקיפת חבילת גלים דרך שני סדקים. המימוש של הסדקים נעשה בתחום הזמן על ידי עירור שני פולסים של גלי כבידה משטחיים במישור הכניסה של בריכת הגלים, ולאחר מכן נמדדה ההתפתחות של פונקציית הגל לאורך הבריכה, וממנה נקבעו מסלולי בוהם והפוטנציאל הקוונטי. המערכת הניסיונית שימשה גם למדידת חבילות גלים אחרות כגון חבילת גלים הנוצרת מעקיפה של שלושה סדקים, וחבילת גל שצורתה פונקציית איירי (Airy). מעבר לאישוש התיאוריה של בוהם לגלים קוונטים ומסלולי בוהם, ניסויים אלו פותחים חלון חדש לקראת הבנת הדינמיקה של סוגים שונים של גלים קלאסיים, לרבות גלים אלקטרומגנטיים, פלזמה, אקוסטיים ועוד. מסלולי בוהם מאפשרים להמחיש בצורה ויזואלית כיצד גלים אלה מתפתחים במרחב ובזמן ונותנים הבנה אינטואיטיבית לתופעות של התאבכות בונה והורסת של גלים אלה.

המחקר נערך בהובלת ד"ר מורן רובינשטיין והסטודנטית סג׳א פדילה, מבית הספר לרפואה ומבית ספר סגול למדעי המוח, וד"ר אריק קרמר, מאוניברסיטת מונפלייה בצרפת. עוד השתתפו במחקר: ענת מבשוב, מרינה ברוזל וקרן אנדרסון מבית הספר לרפואה ומבית הספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל אביב, וחוקרים נוספים מצרפת, מארה"ב ומספרד. המאמר פורסם בכתב העת Journal of Clinical Investigation.

"תסמונת דרווה, ששכיחותה בערך אחת ל-16,000 לידות, נחשבת לנפוצה יחסית בין המחלות הגנטיות הנדירות. נכון להיום, חיים בישראל כ-75 ילדים הסובלים מדרווה. מדובר באפילפסיה התפתחותית קשה, שמתחילה בפרכוסי חום סביב גיל חצי שנה, ומתקדמת, לאחר גיל שנה, להתקפים אפילפטיים ספונטניים תכופים לצד עיכוב התפתחותי מוטורי וקוגניטיבי", מסבירה ד"ר רובינשטיין.

לדבריה, התרופות הקיימות לאפילפסיה אינן מסייעות במידה מספקת לילדים עם דרווה, והם מצויים בסיכון משמעותי למוות מוקדם. ידוע שהתסמונת הקשה נובעת ממוטציה גנטית שאינה עוברת בתורשה מההורים, אלא נוצרת באופן אקראי בעובר בגן שנקרא SCN1A. בנוסף, המחלה אינה מאפיינת מגזר מסוים באוכלוסייה, לא ניתן לצפות אותה מראש, וגם לא לגלותה במהלך ההיריון.

מה עושים כשקשה לבצע אבחון מוקדם?

לדברי החוקרים, כיום מקובל לבצע אנליזה גנטית לילדים שסובלים מפרכוסי חום מורכבים סביב גיל חצי שנה. "עם זאת, גם אם הבדיקה מזהה שהבעיה היא בגן SCN1A, האבחנה הסופית ניתנת לרוב לאחר החמרת האפילפסיה - הופעת פרכוסים ספונטניים קשים ועיכוב התפתחותי", הם אומרים.

בעיה נוספת שמעלים החוקרים היא כי "למרות שיש חשיבות רבה לאבחון המוקדם, לעיתים קרובות האבחנה מתעכבת, ולרוב הילדים מאובחנים רק בגיל שנה או שנתיים ולעיתים אף מאוחר יותר. טיפולים גנטיים שפותחו בעת האחרונה נמצאו יעילים בעכברים במודל לדרווה, וחלקם אף נמצאים כעת בשלב הניסויים הקליניים בבני אדם. אולם, טיפולים אלה הראו יעילות בעכברי מודל רק כאשר ניתנו בשלבים מוקדמים מאוד, עוד לפני הופעת התסמינים. מכיוון שטיפול גנטי הוא הליך מורכב ופולשני, הוא לא יינתן לילדים ללא אבחון ודאי. לכן במחקר זה, תוך התחשבות בגיל בזמן האבחנה הסופית, התרכזנו בפיתוח טיפול שיהיה יעיל לאחר הופעת הפרכוסים, ואף בגיל מאוחר יותר. בנוסף, מאחר שהתסמונת כוללת גם עיכוב התפתחותי, ביקשנו לפתח טיפול שיקל הן על האפילפסיה והן על התסמינים הקוגניטיביים".

"בטיפולים גנטיים נהוג להיעזר בנגיפים כנשאים המובילים חומר גנטי תקין לתוך גופו של החולה, על מנת שיתווסף ל-DNA הפגום ויאפשר פעילות תקינה. לצורך זה מהנדסים את הנגיף: מוציאים ממנו את החומר הגנטי המקורי שלו כדי שלא יוכל לגרום למחלה או לשכפל את עצמו, ובמקום זאת אורזים בתוכו את הגן התקין הרלוונטי. במקרה של תסמונת דרווה, מדובר בגן SCN1A שהוא גן גדול מאוד, ולכן ולא ניתן היה להשתמש בנגיפים נפוצים המשמשים בדרך כלל למטרה זו, והיה צורך בנגיף שמסוגל לשאת ולהעביר גנים גדולים. במחקר שלנו פתרנו את הבעיה על ידי שימוש בנגיף בשם Canine adeno virus type 2, כנשא של הגן התקין", מסבירה ד"ר רובינשטיין.

^{ד"ר מורן רובינשטיין}

תוצאות מבטיחות בניסוי המעבדה

במסגרת המחקר, טופלו עכברי מודל בנגיף הנושא גן SCN1A תקין, והטיפול נמצא יעיל במגוון היבטים קריטיים: שיפור באפילפסיה, הגנה ממוות מוקדם, ותיקון משמעותי של היכולות הקוגניטיביות.

בשלב הבא הזריקו החוקרים את הנגיף הנשא למספר אזורים במוחם של עכברי המודל על מנת שידביק את תאי העצב הפגועים. 31 עכברים טופלו בגיל 3 שבועות, לאחר הופעת הפרכוסים הספונטניים (מקביל לגיל שנה עד שנתיים אצל ילדים חולים), ו-13 עכברים טופלו בגיל 5 שבועות (מקביל בערך לגיל 6 עד 8 אצל ילדים). בנוסף, הוזרק נגיף ריק למוחם של 48 עכברים לצורך בקרה.

התוצאות היו מבטיחות. היעילות הגבוהה ביותר נצפתה בהזרקת הטיפול בגיל 3 שבועות. בעכברים אלה, הפרכוסים פסקו לחלוטין בתוך 60 שעות בלבד מההזרקה, תוחלת החיים עלתה משמעותית, והפגיעה הקוגניטיבית (שאובחנה באמצעות מבחני זיכרון מרחבי), תוקנה באופן מלא.

גם בעכברים שטופלו בגיל 5 שבועות נצפה שיפור משמעותי, שהתבטא בירידה בפעילות האפילפטית ובהגנה מפרכוסי חום. בעכברי קבוצת הביקורת שקיבלו נגיף ריק, לא נצפה כל שיפור והם סבלו מתסמיני המחלה ממש כמו עכברים שלא טופלו כלל, וכ-50% מהם מתו מוות מוקדם כתוצאה האפילפסיה הקשה. בנוסף הוזרק הטיפול לעכברים בריאים ולא גרם להם כל נזק – הוכחה לבטיחותו.

"הטיפול שלנו הוסיף לתאי העצב הפגועים במוח גן תקין, שהספיק בכדי להחזירם לתפקוד נורמלי. החזרת הגן התקין בשלמותו חשובה במיוחד בתסמונת דרווה, מכיוון שבילדים שונים המוטציה מתרחשת במקומות שונים בגן, והגן השלם מהווה טיפול יחיד המתאים לכל החולים. בנוסף, מצאנו שהנגיף שנבחר לצורך המחקר מדביק תאי עצב רבים במוח, ומתפזר באופן נרחב מעבר למקום ההזרקה״, מסבירים החוקרים.

"הטיפול שפיתחנו הוא הראשון שהוכח כיעיל עבור תסמונת דרווה כשהוא ניתן לאחר תחילת הפרכוסים הספונטניים, והראשון שהביא לשיפור בתפקוד הקוגניטיבי של עכברי המודל. רשמנו עליו פטנט, ואנחנו מקווים שבעתיד הוא יגיע לקליניקה ויסייע לילדים שסובלים מהמחלה הקשה. בנוסף, אנחנו בוחנים כעת אם הוא עשוי להתאים גם למחלות נוירו-התפתחותיות גנטיות אחרות. הפלטפורמה שפיתחנו היא פלטפורמת Plug & play לטיפולים גנטיים, ואולי בעתיד נוכל לארוז בנגיף הנשא גם חומר גנטי תקין מסוג אחר, לטיפול במחלות נוספות", מסכמת ד"ר רובינשטיין.

מחקר בינלאומי חדש קובע כי דו-חיים וזוחלים שחיים בשמורות הטבע בעולם יהיו מוגנים יותר מפני שינויי האקלים ממינים המצויים מחוץ לשמורות – אך עדיין צפויים להינזק. ממצאי המחקר מספקים ראיות בקנה מידה עולמי לתפקיד המכריע שממלאות שמורות הטבע בשימור המגוון הביולוגי של דו-חיים וזוחלים תחת תרחישי שינויי אקלים שנגרמו על ידי האדם. המחקר מגלה כי יותר בעלי חיים ייכחדו, בעקבות שינויי האקלים, מחוץ לשמורות מאשר בתוכן – בעולם בכלל וברוב היבשות. המחקר נערך בהשתתפות פרופ' שי מאירי מבית הספר לזואולוגיה ומוזיאון הטבע על שם שטיינהרדט באוניברסיטת תל אביב, בשיתוף חוקרים מובילים מ-19 מדינות, ופורסם בכתב העת היוקרתיNature Communications. 

שמורות הטבע כמקלט

מטרת המחקר הייתה להעריך את יעילותן של שמורות הטבע הקיימות בהגנה על הדו־חיים והזוחלים שבהן תחת תרחישי אקלים עתידיים, וכן לזהות פערי שימור כדי להתוות מפת דרכים לפיתוח פעולות שימור המבוססות על הרשת הנוכחית של שמורות הטבע בקנה מידה עולמי.  

פרופ' מאירי: "במחקר זה, אספנו נתוני תפוצה עבור יותר מ-14,000  מינים של דו-חיים וזוחלים - כ-70% מהמינים המוכרים, כדי לבצע הערכה גלובלית של יעילות השימור של שמורות טבע בעידן של שינויי אקלים באמצעות מודלים של תפוצת מינים. הניתוחים שלנו חושפים כי כ-91% ממיני הדו חיים והזוחלים שבחנו מוגנים במידה זו או אחרת בשמורות, וכי שיעור זה יישאר ללא שינוי בעקבות שינויי אקלים עתידיים. כמו כן מינים המוגנים בשמורות יאבדו חלק קטן יותר מטווחי התפוצה שלהם בתוך שמורת הטבע מאשר מחוצה להן. לכן, שיעור המינים המוגנים צפוי לעלות".  

עם זאת, מציין פרופ' מאירי, "אנחנו צופים שיותר מ-300 ממיני הדו-חיים ו-500 ממיני הזוחלים שבחנו ייכחדו בשל שינויי אקלים במהלך העשורים הקרובים, וכנראה גם מאות מינים שלא היו לנו עבורם נתונים מספיקים כדי לייצר מודלים. המחקר שלנו מדגיש את חשיבותן של שמורות הטבע במתן מפלט לדו חיים ולזוחלים למרות שינויי אקלים, ומצביע על אזורים שבהן חסרות שמורות טבע שיכולות לשמר טוב יותר את המגוון הביולוגי ברחבי העולם".  

הוא מוסיף: "ערכנו מסד נתונים גלובלי מקיף עם יותר מ-3.5 מיליון רשומות תצפית עבור 5,403 מיני דו-חיים ו-8,993 מיני זוחלים מאלפי מאגרי מידע, נתוני עבודת שדה, אוספים מוזיאוניים ומחקרים מדעיים. עבור כל המינים במסד הנתונים שלנו, חזינו את זמינות בתי הגידול לפי נתוני אקלים נוכחיים (1960–1990) ותרחישים עתידיים (לשנים 2060–2080) ברזולוציה מרחבית גבוהה (1 ק"מ × 1 ק"מ) באמצעות מודלים לתפוצת מינים. לאחר מכן, הערכנו את יעילותן של שמורות הטבע לשימורם של הדו-חיים והזוחלים על ידי חישוב כיסוי טווח התפוצה שלהם בתוך שמורות טבע ומחוץ להן, ושיעור המינים שחלק ניכר מטווח התפוצה שלהם (לדוגמה 15% או 30% מהטווח) מוגן בשמורות טבע כיום ובעתיד (בהנחה שהשימוש העתידי בקרקע נשאר ללא שינוי במשך השנים – כלומר לא תהיה הסבה של שטחים טבעיים לשטחים חקלאיים, תעשייתיים, עירוניים וכו')".  

פרופ' מאירי מסכם: "הראיות שלנו מראות שהרשת העולמית הנוכחית של שמורות הטבע כבר ממלאת תפקיד חשוב בשימור המגוון הביולוגי העולמי של דו-חיים וזוחלים, ותמשיך לעשות זאת תחת אקלים עתידי צפוי. עם זאת, מינים רבים אינם חיים בשמורות הקיימות. אלה כוללים דו-חיים וזוחלים רבים הנפוצים במקסיקו, ג'מייקה, הרי האנדים, במערב אפריקה, דרום אפריקה, החוף הדרומי והצפוני של טורקיה, תימן ומקומות אחרים. כמו כן במחקרנו יכולנו ליצור מודל עבור רק כשני שלישים ממיני הזוחלים והדו חיים – עבור המינים הנדירים ביותר לא ניתן ליצור מודלים טובים, וידוע שהם חשופים יותר לסכנת הכחדה ומוגנים פחות בשמורות טבע. יחד עם זאת, חשוב לזכור כי למרות האופטימיות היחסית העולה מן המחקר החדש, המודלים עדיין חוזים שיעורים גבוהים ביותר של אובדן מינים ובתי גידול עקב שינויי אקלים. שמורות הטבע אומנם מגינות על בעלי החיים הנמצאים בתחומן, אבל לא לעולם חוסן".  

בעקבות הפיתוח הייחודי, צוות החוקרים מאוניברסיטת תל אביב הצליח כאמור לבודד ולזהות עשרות תכונות חדשות שהיו ממוסכות עד כה. פיתוח זה צפוי לחולל מהפכה בתהליכי ההשבחה של גידולים חקלאיים כיוון שהוא מתאים לשיפור של מרבית הגידולים ומרבית התכונות החקלאיות, כמו הגדלת יבול, עמידות ליובש או למזיקים. המחקר נערך בהובלת הפוסט-דוקטורנט, ד"ר יאנגז'ה הו, בהנחייתם של פרופ' אילון שני ופרופ' איתי מירוז מבית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון באוניברסיטת תל אביב. כמו כן, השתתפו במחקר חוקרים מצרפת, דנמרק, ושווייץ. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Nature Plants. 

שימוש בטכנולוגיית הקריספר לעריכת גנים

פרופ' שני: "מזה אלפי שנים, מאז המהפכה החקלאית, נוהג האדם להשביח זנים של צמחים למטרות חקלאיות באמצעות יצירת שוֹנוּת גנטית. אך עד לפני מספר שנים לא ניתן היה להתערב באופן ממוקד בשינויים הגנטיים, אלא רק לזהות ולעודד תכונות רצויות שנוצרו באופן אקראי. התפתחות טכנולוגיות של עריכת גנים מאפשרות כיום לבצע שינויים מדויקים במספר רב של צמחים." 

במסגרת המחקר, צוות החוקרים נעזר בטכנולוגיה החדשנית 'קריספר' (CRISPR) לעריכת גנים ובשיטות מתחום הביו-אינפורמטיקה והגנטיקה המולקולרית כדי לפתח שיטה חדשה לאיתור גנים האחראים על תכונות ספציפיות בצמחים. 

החוקרים מסבירים שעל אף התפתחות הטכנולוגיה של עריכה גנטית, נותרו מספר אתגרים המגבילים את יישומה בחקלאות. אחד מהם הוא הצורך לזהות באופן מדויק ככל האפשר אילו גנים בגנום של הצמח אחראים על תכונה ספציפית שאנו מבקשים לטפח. השיטה המקובלת לעניין זה היא לייצר מוטציות, כלומר לשנות גנים בדרכים שונות, ואז לבחון את השינוי בצמח שנוצר מה-DNA המכיל את המוטציה, וללמוד מכך על פעילות הגן.  

כך, לדוגמה, אם מתפתח צמח בעל פירות מתוקים יותר, ניתן ללמוד מכך שהגן שעבר שינוי דרוש לקביעת מתיקות הפרי. שיטה זו נהוגה כבר עשרות שנים, וזוכה להצלחה מרובה, אולם יש בה גם בעיה מהותית: לצמח ממוצע כמו עגבנייה או אורז יש כ-30,000 גנים, אך כ-80% מהם אינם פועלים לבדם אלא מקובצים במשפחות של גנים דומים. לכן, אם פוגעים בגן יחיד ממשפחת גנים מסוימת, קיים סיכוי רב שגן אחר מאותה משפחה (למעשה עותק הדומה מאוד לגן הפגוע) ימסך על הפגיעה ויתפקד במקום הגן הפגוע. תופעה זאת, הקרויה יתירות גנטית, גורמת לכך שבסבירות גבוהה לא נצליח ליצור שינוי בצמח עצמו, ולא נצליח להבין את פעילות הגן וקישורו לתכונה ספציפית.  

צוות המחקר

שיפור השליטה במוטציות לצורך השבחה

המחקר הנוכחי ביקש למצוא פתרון לבעיית היתירות הגנטית בכלל הגנום, באמצעות שיטה חדשנית לעריכת גנים הקרויה 'קריספר'. מסביר פרופ' מירוז: "שיטת קריספר מבוססת על אנזים בשם Cas9 המצוי באופן טבעי בחיידקים, שתפקידו לחתוך רצפי DNA זרים. אל האנזים מצורף רצף מסוג sgRNA, שמזהה את רצף ה-DNA  אותו נדרש האנזים לחתוך. שיטת העריכה הגנטית מאפשרת לנו לתכנן רצפי sgRNA כרצוננו על מנת ש-Cas9 יחתוך כמעט כל גן שברצוננו לשנות. אנחנו ביקשנו ליישם את הטכניקה הזאת כדי לשפר את השליטה ביצירת מוטציות בצמחים למטרות השבחה חקלאית, וספציפית כדי להתגבר על הקושי שמציבה היתירות הגנטית." 

בשלב הראשון בוצע מחקר ביו-אינפורמטי במחשב, שבניגוד למרבית המחקרים בתחום כיסה מלכתחילה את הגנום השלם. החוקרים בחרו להתמקד בצמח ארבידופסיס (תודרנית לבנה) המשמש כצמח מודל במחקרים רבים ויש לו כ-30,000 גנים. ראשית הם ניפו כ-8,000 גנים בודדים, שאין להם בני משפחה, ולכן גם אין להם עותקים נוספים בגנום שיחפו עליהם. 22,000 הגנים שנותרו חולקו למשפחות, ועבור כל משפחה תוכננו באופן חישובי רצפי sgRNA מתאימים: כל רצף sgRNA נועד להוביל את אנזים החיתוך Cas9 אל רצף גנטי מסוים המאפיין את המשפחה כולה, במטרה ליצור מוטציות בכל חברי המשפחה, כך שלא יוכלו עוד לחפות זה על זה. כך נבנתה ספרייה שמנתה בסך הכול כ-59,000 רצפי sgRNA, המאפשרים פגיעה בו-זמנית ב-10-2 גנים בכל משפחת גנים, ובכך מנטרלים למעשה את תופעת היתירות הגנטית.  

לסדר את הגנים בספריות

בנוסף חולקו הרצפים ל-10 תת-ספריות בנות כ-6,000 רצפים כל אחת, על פי תפקידם המשוער של הגנים – גנים המקודדים לאנזימים, קולטנים, חלבוני שיעתוק, וכדומה. לדברי החוקרים, בניית הספריות היא כלי המאפשר למקד ולייעל את החיפוש אחר גנים האחראים לתכונות רצויות, חיפוש אשר עד כה היה אקראי במידה רבה.   

בשלב הבא עברו החוקרים מהמחשב למעבדה. כאן הם יצרו את כל 59,000 רצפי ה-sgRNA שזוהו בשיטה החישובית והנדסו אותם לתוך ספריות פלסמידים (דהיינו, מקטעי DNA מעגלי) חדשים בשילוב עם אנזים החיתוך. לאחר מכן יצרו החוקרים אלפי צמחים חדשים המכילים את הספריות - כאשר לכל צמח הוחדר רצףsgRNA יחיד המכוון נגד משפחת גנים ספציפית. 

החוקרים עקבו אחר התופעות שהתגלו בצמחים בעקבות השינויים בגנום, וכשנצפתה בצמח מסוים תכונה חדשה כלשהי, ניתן היה בקלות לדעת, על סמך רצף ה-sgRNA שהוחדר אליו, אילו גנים עברו שינוי. כמו כן, באמצעות ריצוף DNA של הגנים שזוהו, ניתן היה לברר מה מהות המוטציה שגרמה לשינוי ומה תרומתה לתכונות הצמח. בדרך זו מופו תכונות חדשות רבות שעד עכשיו היו ממוסכות בשל יתירות גנטית. באופן ספציפי זיהו החוקרים חלבונים ייחודיים המרכיבים מנגנון הקשור להובלת ההורמון ציטוקינין, שהוא חיוני להתפתחות התקינה של הצמח.  

פרופ' שני מסכם: "השיטה החדשה שפיתחנו צפויה לסייע רבות למחקר בסיסי להבנת מנגנונים בצמחים, אך מעבר לכך, יש לה משמעות עצומה לחקלאות: היא מאפשרת לחשוף באופן יעיל ומדויק את מאגר הגנים האחראים על תכונות שאנו מבקשים לשפר - כמו לדוגמה עמידות ליובש, למזיקים או למחלות, או הגדלת יבולים. אנחנו מאמינים שזהו עתידה של החקלאות: השבחת גידולים מבוקרת ומכוונת הפועלת בקנה מידה רחב היקף. כיום אנחנו מיישמים את השיטה שפיתחנו בהצלחה רבה על צמחי אורז ועגבנייה, ובעתיד אנו מתכוונים ליישם אותה גם על גידולים נוספים."   

לצורך זה הקימה חברת מיסחור הטכנולוגיות של אוניברסיטת תל-אביב (רמות), בשיתוף עם קבוצת אגכימדס (AgChimedes), את חברת DisTree. ההשקעה הכספית, בשילוב עם הליווי העסקי והמקצועי של אגכימדס, יאפשרו לDisTree ליישם את הטכנולוגיה החדשה במגוון גידולים, במטרה לחולל מהפכה בגנטיקה של עולם החקלאות, ולאפשר בטחון תזונתי בעידן של משבר האקלים.