תוכן העניינים:
- תזכורת - מבנה החיידק
- שכפול הכרומוזום וחלוקה בינארית
- פלסמידים
- שונות גנטית בחיידקים
- שלושת מנגנוני ההעברה האופקית
- גנוטיפ ופנוטיפ
- ביופילם
- מוטציות
- חשיבות קלינית: משבר עמידות האנטיביוטיקות
תזכורת - מבנה החיידק
חיידק הוא אורגניזם פרוקריוטי - אין לו גרעין מוגדר, והחומר התורשתי שלו מפוזר חופשי בציטופלזמה. שכבות המבנה מבפנים החוצה: ממברנת תא ← דופן פפטידוגליקן ← (בגראם שלילי בלבד) ממברנה חיצונית עליה נמצא LPS. בגראם חיובי הדופן עבה במיוחד (כ-25 שכבות). לחלק מהחיידקים יש “שדרוגים” נוספים: קפסולה, פִּילִי (שעריות), ושוטון.
שכפול הכרומוזום וחלוקה בינארית
לחיידק יש מולקולה אחת של DNA מעגלי, סגור ומקופל - הכרומוזום. כדי להתחלק, הוא עובר רפליקציה שמתחילה תמיד מאותה נקודה קבועה שנקראת ori. האנזים האחראי לכך הוא DNA Gyrase, שמשכפל את שני הגדילים ליצירת שני עותקים. לאחר מכן, נוצרת מחיצה באמצע, ומתקבלים שני תאי בת זהים.
חשיבות קלינית: DNA Gyrase קיים בחיידקים בלבד, ולכן משמש כמטרה ייחודית לאנטיביוטיקות. תרופות שמעכבות אותו (כמו פלואורוקינולונים) מאטות את חלוקת החיידק, ומאפשרות למערכת החיסון להשתלט על הזיהום.
פלסמידים
מלבד הכרומוזום, לחיידקים רבים יש פלסמידים - מולקולות DNA קטנות ומעגליות, נפרדות לחלוטין מהכרומוזום. ההבחנה המרכזית:
- כרומוזום = גנים חיוניים לחיים (“housekeeping genes”) - בלעדיהם החיידק לא שורד
- פלסמיד = גנים “אקסטרה” - בלעדיהם החיידק ממשיך לחיות, אך הופך לפחות אלים, פחות עמיד או פחות יעיל
על הפלסמידים נמצאים בדרך כלל מנגנוני האלימות החשובים ביותר: עמידות לאנטיביוטיקות, ייצור רעלנים, יכולת ביופילם ועוד. זה גם מה שהופך אותם לכה מסוכנים - תכונות אלו ניתנות להעברה בין חיידקים.
שונות גנטית בחיידקים
כיצד חיידקים הופכים לחזקים יותר אם הם מתחלקים לשני עותקים זהים? שני מנגנונים עיקריים:
-
מוטציות - שינויים אקראיים ב-DNA, לא מכוונים ולא מחושבים (ראו להלן).
-
העברה אופקית - זה המנגנון הקריטי: חיידקים יכולים להעביר גנים ישירות לחיידקים אחרים בלי להתרבות.
בניגוד לאבולוציה “רגילה” שבה תכונה עוברת מהורה לצאצא, חיידק שגדל בצד חיידק אחר יכול פשוט להעביר לו תכונה כמו עמידות. זאת הסיבה שזיהום שהיה רגיש לאנטיביוטיקה שבוע שעבר, עשוי להיות עמיד לה היום.
שלושת מנגנוני ההעברה האופקית
א. טרנספורמציה
כשחיידק מת ומתפרק, ה-DNA שלו משתחרר לסביבה ונשבר לקטעים. חיידק שכן יכול לקלוט את הקטעים האלה ישירות ולשלב אותם בכרומוזום שלו - ללא כל מגע בין החיידקים. התהליך אקראי לחלוטין, והחיידק חייב להיות במצב כשירות (competence) שמאפשר את הקליטה.
ניסוי גריפית’, 1928 - אחד הניסויים ההיסטוריים החשובים ביותר בביולוגיה. עם Streptococcus pneumoniae:
גריפית’ השתמש בשני זנים של חיידק הפניאומוקוקוס R ו-S (גורמי דלקת ריאות). רק לזן S יש יכולת להדביק את הפונדקאי בזכות שכבה פוליסכרידית המגנה עליו ממערכת החיסון.
בניסוי, חיידקי S הומתו בעזרת חום ושרידיהם הוספו לזן R חיים. על אף ששני הרכיבים בנפרד לא היו מדביקים פונדקאי במחלה, החיבור ביניהם גרם לעכברים למות.
מתוך העכברים המתים, גריפית’ הצליח לבודד חיידקים חיים משני הזנים. הוא הסיק כי החיידקים מזן R עברו “טרנספורמציה” לזן S, בעזרת “חומר טרנספורמציה” כלשהו שנמצא בשרידי החיידקים המתים. (ויקיפדיה).
| זן | קפסולה? | אלים? | מה קורה לעכבר? |
|---|---|---|---|
| S (Smooth) | כן | כן | מת |
| R (Rough) | לא | לא | חי |
| S מחומם (מת) | — | לא | חי |
| S מחומם + R חי | — | ??? | ז״ל |
השורה האחרונה הוכיחה שזן R קלט את ה-DNA של זן S המת ורכש את תכונת הקפסולה. בשנת 1928 טרם ידעו מה “המרכיב המשנה” - זה התגלה רק לאחר מכן כ-DNA.
מגבלות: קטעים קצרים מ-400 זוגות בסיסים או ארוכים מ-12,000 נוקלאוטידים לא נכנסים.
ב. קוניוגציה (Conjugation)
כאן יש מגע פיזי ישיר בין שני חיידקים, ומה שעובר הוא בדרך כלל פלסמיד שלם.
חיידק F+ יש לו פלסמיד מיוחד (פקטור F, מ-Fertility) הכולל גנים לשכפול עצמי ולייצור פילי - שעריות חלבוניות שיוצאות מהחיידק. חיידק F- אין לו פלסמיד ואין לו פילי.
הפילי של ה-F+ נצמדות ל-F-‚ נוצר גשר מולקולרי, הפלסמיד משכפל את עצמו, ועותק שלו עובר לחיידק המקבל. לאחר ההעברה שני החיידקים הם F+.
נקודה חשובה: ה-F+ לא “מתרוקן” - הוא שומר אצלו עותק ויכול להמשיך לתרום. בנוסף לכך, ההעברה יכולה להתרחש גם בין מינים שונים של חיידקים.
ג. טרנסדוקציה
כאן מעורב גורם שלישי - בקטריופאג’, וירוס שתוקף חיידקים. הווירוס חודר לחיידק, משכפל את עצמו במהירות (כשהוא בתוך החיידק), ואז יוצא להדביק חיידקים חדשים. במהלך השכפול המהיר, קטע DNA חיידקי עלול להיארז בטעות בתוך חלק מהוויריונים. כשאותו וירוס “משודרג” תוקף חיידק חדש, הוא מזריק לו גם את ה-DNA הוויראלי, וגם את קטע ה-DNA החיידקי - שיכול להשתלב בגנום של החיידק החדש.
וירוס שמכיל DNA חיידקי נקרא פאג’ טרנסדוקטיבי.
סיכום השוואתי
| טרנספורמציה | קוניוגציה | טרנסדוקציה | |
|---|---|---|---|
| מגע ישיר? | לא | כן | לא |
| גורם שלישי? | לא | לא | כן (וירוס) |
| מה עובר? | קטע DNA חופשי | פלסמיד שלם | קטע DNA בתוך וירוס |
גנוטיפ ופנוטיפ
גנוטיפ הוא המידע הגנטי הגולמי - מה שרשום ב-DNA. פנוטיפ הוא הביטוי החיצוני בפועל - מה שניתן לראות ולמדוד. לא כל גן מתבטא בכל רגע: גן לייצור נבגים, לביופילם, או לאנזים ספציפי יכול להיות “רדום” בגנוטיפ ולהתבטא רק כשהתנאים מתאימים. הפנוטיפ הוא תוצאה של אינטראקציה בין גנוטיפ לסביבה.
ביופילם
ביופילם הוא מושבת חיידקים שנצמדה למצע ומכוסה בשכבה ג’לטינית-פוליסכרידית שהחיידקים עצמם מייצרים. לא לכל חיידק יש את היכולת הזאת - מדובר בתכונה שנמצאת על פלסמיד.
התהליך: חיידק בודד נצמד למצע ← מייצר שכבה ג’לטינית ← מתחלק ← מיקרואורגניזמים נוספים (ואפילו פטריות) מצטרפים ← כשאין מקום, חלק מתנתקים ומקימים ביופילם חדש במקום אחר.
מדוע זאת בעיה קלינית קשה? הביופילם מגן על החיידקים הן ממערכת החיסון והן מאנטיביוטיקות - התרופה עוברת את השכבות החיצוניות אך מתקשה להגיע לליבה. דרושים מינונים גבוהים יותר לטווח ארוך יותר. קטטרים, מסתמים ואביזרים רפואיים מושתלים הם אתרים אופייניים לביופילם. מצד שני, לא ניתן להחליף קטטר מדי יום כדי למנוע ביופילם, כי כל החדרה היא כשלעצמה סיכון לזיהום - טרייד-אוף קלאסי.
מוטציות
מוטציות הן שינויים אקראיים ב-DNA. אקראיים - זאת מילת המפתח. במשך שנים מנסים להכריע בשאלה האם מוטציה היא תגובה מכוונת לסביבה (“אנטיביוטיקה הופיעה ← חיידק מפתח עמידות”), או תהליך ספונטני שקורה ממילא.
ניסוי לוריא ודלבריק: גידלו חיידקים רגישים לסטרפטומיצין ב-100 מבחנות נפרדות, ואז זרעו את כולן על פלטות עם האנטיביוטיקה. ההיגיון: אם המוטציה מכוונת - היינו רואים גדילה בכל 100 הפלטות. אם הן אקראית - רק בחלק, כתלות מתי בדיוק קרתה המוטציה במהלך גדילת כל מבחנה.
ראו גדילה רק בחלק מהפלטות - הוכחה שמוטציה היא תהליך אקראי, שהתרחש לפני החשיפה לאנטיביוטיקה, לא בגללה.
חשיבות קלינית: משבר עמידות האנטיביוטיקות
כל המנגנונים שלמדנו מסבירים איך עמידות מתפשטת. כמה נקודות מעשיות:
-
לא להפסיק אנטיביוטיקה מוקדם - אחרי יומיים-שלושה החיידקים החלשים מתים ומרגישים טוב יותר. אך נשארים רק החיידקים העמידים ביותר, שמתרבים בשלב הזה ללא תחרות. בחזרה לרופא - אנטיביוטיקה אחרת, פחות טובה.
-
לא לקחת אנטיביוטיקה בלי מרשם, לא לשתף עם אחרים - לכל חיידק רגישות שונה, גם בתוך אותו מין.
-
אנטיביוטיקות “כבדות” כמו קרבאפנמים שמורות ודורשות אישור מיוחד - כי אם גם אליהן תיווצר עמידות, אין מה לתת.