תעלומת התא המינימלי

למה לא הוטרד דרווין משאלת מוצאו של התא החי הראשון? למה ג'לי בטעם תות שדה הוא לא מודל טוב לתא חי? ומה המספר הקטן ביותר של גנים בלעדיהם אין תא מסוגל לפעול?

הרב אליעזר אייזיקוביץ':

איך נוצר התא החי הראשון?

למרבה הפלא, צ'רלס דרווין לא התייחס כלל לשאלה הזאת בספרו "מוצא המינים" (1857) וכמוהו נהגו רוב התומכים המוקדמים בתאוריית האבולוציה שלו. להתעלמות שלהם הייתה סיבה טובה. דרווין והמדענים בני דורו לא חשבו שמדובר בכלל בבעיה. לפי התפיסה הרווחת בזמנם התא עשוי מ"פרוטופלסמה", מעין ג'ל עכור נטול-צורה הנוצר בקלות מערבוב של כימיקלים נפוצים כמו חנקן, חמצן ודו תחמוצת הפחמן.

הביולוג הגרמני ארנסט הקל דימה את תהליך יצירת התא לאופן שבו גבישים נוצרים באופן ספונטני מתוך כימיקלים פשוטים. מקבילו האנגלי, ט' ס' הקסלי, השווה זאת לאופן שבו הוספת כלור לתמיסת נתרן יוצרת מלח שולחני. בדומה לכך, טען, ערבוב הדרגתי של כימיקלים פשוטים יצר את הג'ל של התא החי. דרווין עצמו, במכתב לידידו ג'וזף הוקר, הציע כי תהליך זה התרחש ב"שלולית קטנה חמימה" שבה "סוגים שונים של מלחי אמוניה וזרחן, אור, חום, חשמל וכדומה התערבבו באקראי" עד ליצירת התא הפשוט הראשון.

אם התא הבסיסי הוא רק ג'ל סתמי המורכב מחומרים נפוצים אין זה מסובך להסביר מנין הופיע. מסיבה זו חוקרי האבולוציה המוקדמים נטו לדלג על שאלת מוצא התא החי הראשון והתמקדו במה שהיה בעיניהם השאלה היותר מעניינת: כיצד התלכדו תאים רבים ליצירת המבנים המשוכללים שאנחנו מוצאים היום בגופם של בעלי חיים.

התפיסה הפשטנית לגבי טיבו של התא החי ואופן היווצרותו החזיקה מעמד עד לתקופה מאוחרת להפליא. אפילו בתחילת שנות החמישים מדענים רבים עדיין האמינו שערבוב יסודות כימיים פשוטים בתוך מבחנה החשופה להבזקי חשמל מקרבת את המחקר לפענוח חידת מוצא החי הראשון.

לזכותם של אותם חוקרים יאמר שהם לא יכלו לדעת עד כמה נאיביות היו ההצעות שלהם משום שהתא החי היה עבורם "קופסא שחורה". לא היה להם צל של מושג אודות המתרחש בקרבו. רק ב-1953 גילו ווטסון וקריק את המבנה הסלילי של ה-DNA, מולקולות הבסיס של התא החי, ורק במרוצת העשור שלאחר מכן התחוורו בהדרגה מערכות הננו-טכנולוגיה והמכונות החכמות שהתא החי גדוש בהן עד להתפקע.

כיום, כשאנחנו יודעים שהתא החי פועל כמו עיר עתידנית מלאה במערכות אוטומציה, רובוטיקה ובינה מלאכותית, אנחנו יכולים לחייך בסלחנות על הרעיון המוזר שערבוב אקראי של כימיקלים סתמיים עשוי ליצר אותו. טכנולוגיה מתקדמת אף פעם לא נוצרת מערבוב של כימיקלים סתמיים.

 

אבל מי אמר שהתא החי של ימינו הוא התא החי הפשוט ביותר שעשוי להתקיים? הסמרטפון הפשוט ביותר הקיים בימינו משוכלל לאין ערוך מהפלפונים הראשונים של שנות התשעים. אולי גם עולם החי של ימינו בנוי מתאים משודרגים פרי מיליוני דורות של פיתוח ושכלול, ואילו התא החי המקורי היה משהו פשוט לאין ערוך, אולי פשוט במידה כזאת שהוא כן עשוי היה להתפתח באופן אקראי?

לפני זמן מה סיפרנו כאן על המחקר של קרייג ונטר משנת 2010 בו הצליחו החוקרים לבנות לראשונה חיידק סינתטי. בניית חיידק סנתטי היה חלק ממחקר רחב יותר בו ביקש ונטר לברר מה הוא המספר הכי קטן של גנים הנחוצים לפעולתו של תא חי. ובמילים אחרות, מה גודלו של התא החי המינימלי?

בתחילה נקט וינטר בגישה סינתטית. הוא ניסה להרכיב גנום מלאכותי שיכיל רק את הגנים האחראים לפונקציות הבסיסיות שהתא החי אינו יכול בלעדיהן. אלא שלמרות כל המאמצים הגנום הזה לא הצליח להפעיל תא חי. מסתבר שמשהו חסר אצלו.

בעקבות כך אימץ וינטר גישה הפוכה: לקחת חיידק קיים ולהסיר ממנו בהדרגה גנים עד שיחדל לפעול.

לצורך הניסוי בחר וינטר בחיידק Mycoplasma mycoides, חיידק השכיח במערכת העיכול של בקר. חיידק זה הוא אחד הפשוטים ביותר הקיימים בעולם[1] (במקרה הוא גם האורגניזם השני בהיסטוריה שהגנום שלו פוענח במלואו על ידי החברה של וינטר עצמו). הוא מכיל בתוכו רק 517 גנים הכתובים ב-580,000 אותיות DNA. לשם השוואה, מעריכים כי התא האנושי מכיל כעשרים אלף גנים הכתובים בשלוש מיליארד אותיות DNA.

וינטר כיבה באופן סלקטיבי את הגנים של  m. mycoidesאחד אחרי השני כדי לבדוק את השפעתו של כל אחד מהם על התפקוד הכולל של החיידק. התברר כי המספר המינימלי של גנים להם נזקק החיידק כדי להתקיים עומד על 473 בלבד.

פרט מעניין הוא שמתוך כל אלה זיהו החוקרים בוודאות את תפקודם של כ-320 גנים בלבד. אשר ליתר הגנים, לגבי שבעים מתוכם החוקרים יכולים לנחש את פעילותם על פי מיקומם בגנום והשוואה לגנים המצויים באורגניזמים אחרים. ואילו שמונים הגנים הנותרים הם מסתוריים לחלוטין. לחוקרים אין שמץ של מושג מה הם עושים ולמה פעילותם קריטית לקיום התא. הממצא הזה מסביר מדוע מאמציו הקודמים של וינטר ליצירת חיידק סינתטי עלו בתוהו. הוא לא לקח בחשבון את שמונים הגנים המסתוריים.

"הממצא הזה הרעיש אותנו מאוד," סיפר אז וינטר. "שערנו מראש שלא נדע את תפקודם של 5-10 אחוז מהגנים. אבל המחשבה שלא נדע מה עושים שליש מהגנים בתא החי הפשוט ביותר לא עלתה על דעתנו".

 

קרייג וינטר

מה לומדים מכל זה?

שגם התא החי הפשוט והפרימיטיבי ביותר זקוק למאות גנים שונים. המספר המדויק אינו ידוע בוודאות. תנאי המחיה עימם צריך חיידק להתמודד משתנים ממקרה למקרה, ולכן סט הגנים הנחוצים להבטחת קיומו של חיידק השוכן במערכת העיכול של פרה אינו בהכרח זהה לצרכים של חיידק החי ליד פיר הידרותרמלי בקרקעית האוקיאנוס. יש המעריכים שהחיידק הבסיסי הפשוט ביותר יוכל להסתפק בלא יותר מ-250 גנים ועדיין יוכל לשרוד. אך גם להערכה המקטינה ביותר עדיין מדובר במאות גנים שונים שצריכים לפעול בשיתוף פעולה מלא.

מסתבר שהתא הקטן והצנוע עבר כברת דרך ארוכה מאז חשבו אותו לגוש ג'ל נטול יחוד. מתברר כי גם בגרסתו הבסיסית ביותר הוא עדיין מפגין ביצועים שעוקפים בלי מאמץ גם את הננוטכנולוגיה האנושית המתקדמת ביותר.

זה לא מסוג הדברים שנוצרים מערבוב אקראי של כימיקלים בשלולית קטנה. זה אפילו לא מסוג הדברים שפוגשים במעבדות המחקר הטכנולוגיות המובילות בעולם. המון הנדסה, תחכום וחשיבה יצירתית יכרים במפרט ההנדסי העדין והמדויק של התא החי. 180 שנה אחרי ש"מוצא המינים" ראה אור ניתן לשאול במשנה תוקף את השאלה שדרווין בחר להתעלם ממנה: מי עומד מאחורי הפלא ההנדסי של התא החי?

 

הערות:

[1] למעשה קיימים גם חיידקים המסתדרים עם מאה גנים בלבד, אבל אלה תלוים לקיומם בנשא המספק להם מזון. כאן אנחנו מדברים על חיידקים עצמוניים לחלוטין.