בשיתוף עמותת מדע גדול בקטנה

ביופילם הוא צבר חיידקים שמתאגדים יחד במבנה התורם לשרידותם, ומהווה אתגר משמעותי בטיפול בזיהומים. ביופילמים מכילים, בנוסף לתאי החיידקים, גם סוכרים, חומצות גרעין ואף חלבונים. עד לאחרונה חשבו שסיבי החלבון משמשים רק כדבק או ״פיגום״ במבנה הביופילמים. מחקר חדש מצא כי סיבים המורכבים מחלבונים אלו מזרזים פירוק מולקולות אנטיביוטיקה נפוצות ויכולים  להגן על המושבה כולה.

עמידות חיידקים לאנטיביוטיקה הופכת לבעיה חריפה למערכות הבריאות, ומציבה אתגר משמעותי בטיפול  בזיהומים חיידקיים [1]. בעיה מטרידה במיוחד מתעוררת  כשמינים שונים של חיידקים יוצרים צברים הנקראים ביופילמים. צברים אלה נצמדים למשטחים, הן בגוף עצמו והן בסביבת החולה, וחסינים במיוחד לטיפול אנטיביוטי. בנוסף לחיידקים, הביופילם מכיל גם חלבונים, סוכרים וחומצות גרעין שעוזרים לחיידקים להשאר בצביר, ומאפשרים להם להיות מוסתרים חלקית, לשגשג, ומאפשרים להם לשרוד טוב יותר טיפול באנטיביוטיקה, מה שמאריך את משך המחלה. מחקר חדש מקבוצתו של פרופ’ רז ילינק (Jelinek) במכון אילזה כ”ץ לננוטכנולוגיה ומהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בן גוריון בנגב, בשיתוף חוקרים מאוניברסיטת בן גוריון בנגב, מהטכניון ומאוניברסיטת Aarhus (דנמרק) [2] מראה כי סיבי חלבונים מסוימים בביופילמים, חלבונים עמילואידים, מזרזים פירוק של סוגי אנטיביוטיקה נפוצים מקבוצת הבטא-לקטאם (β-lactam), דמויי הפניצילין.

עמילואידים הם חלבונים אשר יוצרים, בתנאים מסוימים, סיבים חזקים ודביקים. עמילואידים זכו לשם רע בשל הקשר שלהם למחלות הניווניות, שבהן משקעים עמילואידיים מצטברים במערכת העצבים והמוח וגורמים למוות של תאי עצב דוגמת מחלת אלצהיימר, פרקינסון, מחלת “הפרה המשוגעת” ועוד (בהתאמה, טיפולים חדשים שאושרו למחלת האלצהיימר מתמקדים בעיכוב שקיעת הסיבים האלו [3]). עם זאת, סיבים עמילואידיים נפוצים ונחוצים במערכות חיים שונות, דוגמת קורי עכביש, סיבי משי, חלבוני הדבקה של רכיכות ימיות וכמובן ביופילמים של חיידקים ופטריות. תפקיד החלבונים העמילואידיים משתנה ממערכת למערכת, ובחלק מהמערכות רב הנסתר על הגלוי. ההנחה הרווחת הייתה כי במערכות חיידקיות, הם משמשים את החיידקים שבביופילם כדי להידבק למשטח ולייצב את הצבר התלת-ממדי, ואף לאפשר מעבר של נוזלים וחומרי מזון לתוך הצבר ובתוכו[4].

מחקרים מהשנים האחרונות מראים כי לחלק מהסיבים העמילואידיים יכולת לזרז תגובות כימיות שונות. זה שנים חוקרים מציעים את האפשרות שבראשית החיים, תגובות כימיות לא זורזו על ידי חלבונים מורכבים שייעודם לזרז תגובות (אנזימים), אלא על ידי צבירי חלבונים פשוטים יחסית, הדומים לעמילואידים, אשר ספחו מולקולות אל פני השטח שלהם וגרמו להן להגיב זו עם זו באופן יעיל יותר. ייתכן שכך תפקדו החלבונים הזרזים, האנזימים הפרימיטיביים, בראשית החיים, עד שהתפתחו לאנזימים המורכבים המוכרים לנו כיום, אשר מזרזים תגובות כימיות באופן יעיל להפליא.

במסגרת המחקר בחנו החוקרים חלבונים קצרים (פפטידים) שונים כדי להבין אם יכול להיות להם תפקיד בפירוק מולקולות אנטיביוטיקה. בהמשך נבחנו המאפיינים הכימיים והמבניים המעודדים פירוק האנטיביוטיקה. במסגרת המחקר נסקרו חלק מהעמילואידים האופייניים לביופילם של חיידקי סטפילוקוקוס זהוב (Staphylococcus aureus), אחד מהגורמים המובילים לזיהומים עמידים [5], ונבחן איזה מהם הוא היעיל ביותר בפירוק מולקולות אנטיביוטיקה דוגמת פניצילין, אמוקסיצילין וניטרוצפין (מהצפלוספורינים). יעילות הפירוק נבחנה הן ביכולת לספוח ולקשור את האנטיביוטיקה, והן ביכולת לפרק אנטיביוטיקה – שני השלבים העיקריים בתגובה בין זרז (אנזים) והחומר שעמו הוא מגיב (סובסטרט). במחקר זה נמצא כי כי מבין מרכיבי הביופילם של סטפילוקוק זהוב, הפפטיד העמילואידי PSMα3 הוא היעיל ביותר ביחס לכמותו (יעילות הזרז נבחנת ביחס בין יכולתו לפרק את המולקולה ויכולתו לקשור אותה מלכתחילה).

שאלה מהותית היא האם המבנה של סיב העמילואיד, המורכב מיחידות רבות של פפטידים (אותם חלבונים קצרים), הוא הגורם לזירוז הפירוק של מולקולות האנטיביוטיקה, אשר עלול לפגוע ביעילות הטיפול. יש להסביר: מולקולות טבעיות גדולות, ובהן חלבונים, פפטידים וסוכרים, יכולות להימצא בתנוחות שונות במרחב, ובכך לחשוף חלקים מסוימים בהן ולהסתיר אחרים. לאופן שבו החלבון מתקפל ומתארגן [6] יש חשיבות רבה ליכולתו להיות פעיל – הקיפול הוא שיקבע אילו קבוצות כימיות תהיינה זמינות להגיב, לקשור מולקולות אחרות או לפרק קשרים כימיים.

נחזור למחקר כדי להבין אם ואיך מבנה הפפטיד תורם לפירוק האנטיביוטיקה.

החוקרים בחנו את הנושא מכמה כיוונים: הבנת מבנה הסיב, מידול ממוחשב של קישור הפפטיד בתוך מבנה הסיב עם מולקולות האנטיביוטיקה והשוואה לעמילואידים נגזרים (עמילואידים שתוכננו באופן מלאכותי כך שיהיו במבנה דומה אך שונה במעט ויקנו למבנה תכונות כימיות אחרות), ובפרט השוואה ליכולתם לפרק מולקולות אנטיביוטיקה ביעילות אשר מאפשרת לחיידקים לשרוד גם בחשיפה לאנטיביוטיקה. כדי להוכיח שמולקולות האנטיביוטיקה אכן פורקו, נעשה שימוש באנטיביוטיקה המשנה את צבעה כאשר היא מתפרקת, ובמקביל נבחנו שינויים במבנה המולקולות על בסיס שינוי משקלן המולקולרי.

השוואה בין התכונות השונות של הפפטידים שנבדקו הצביעה על כך שזירוז פירוק האנטיביוטיקה מתרחש בנוכחות פפטידים אשר יוצרים סיבים עמילואידיים בעלי מטען חשמלי חיובי (בפרט בהשוואה לסיבים עמילואידיים אחרים, בעלי מטען שונה). זה יכול להעיד על חשיבותו של המבנה הסיבי בתהליך, ואף מלמד על מנגנון הקישור בין הסיבים העמילואידיים ומולקולות האנטיביוטיקה, המבוסס על משיכה חשמלית בין הסיבים החיוביים והאנטיביוטיקה בעלת המטען השלילי. החוקרים הראו שהוספה מלאכותית של סיבי הפפטיד המקורי למצע הגידול של החיידקים גרמה לכך שיותר חיידקים שרדו על אף חשיפה לאנטיביוטיקה. ממצאים אלו מצביעים על האפשרות כי לסיבים העמילואידיים בביופילמים חיידקיים תפקיד נוסף על תפקידם המבני: להוות מנגנון הישרדות נוסף, המאפשר לצבר החיידקים להתמודד עם חשיפה לאנטיביוטיקה.

המחקר יכול לשפוך אור על מנגנון הישרדות אפשרי של קהילות חיידקים בביופילם. הבנה של מנגנונים אלו תאפשר בעתיד לפתח דרכי פעולה מתוחכמות יותר נגד זיהומים חיידקיים. המחקר גם מדגיש את תפקידם של צבירי חלבון עמילואידיים כזרזים לתגובות כימיות, ופותח צוהר למחקרי המשך שיוכלו לחקות מנגנונים אלו לטובת פיתוח חומרים חדשים מבוססי חלבונים.

אלעד ארד השלים את לימודיו באוניברסיטת בן גוריון בנגב – תואר ראשון בכימיה ובפילוסופיה ולימודי דוקטורט במחלקה לכימיה ובמכון אילזה כ”ץ לננו-מדע וטכנולוגיה, בהנחייתם של פרופ’ רז ילינק ופרופ’ חנה רפפורט. במהלך הדוקטורט התמקד במחקר תכונות פני שטח של עמילואידים ובפרט עמילואידים קטליטיים. בימים אלו הוא משתלם פוסט-דוקטורט במחלקה להנדסה כימית באוניברסיטת קולומביה בהנחייתו של פרופ’ אולג גאנג בנושא התארגנות של מבני DNA ועריכתם, לשם יצירת מבנים דינמיים ומכונות זעירות.

ארגון המדענים הישראלים בחו”ל ScienceAbroad הוא ארגון ללא כוונות רווח, הפועל מאז 2006 לשמירת קשר עם חוקרים ישראלים בעולם והשבת המוחות לישראל. ScienceAbroad הוא קהילה בינלאומית עבור יותר מ-6000 חוקרים ישראלים ב-300 קמפוסים ברחבי העולם. הארגון מפעיל כ 50 מרכזים בצפון אמריקה, אירופה ואוסטרליה ו- 11 תחומים מקוונים המנוהלים על ידי מדענים מתנדבים. הארגון מעניק כלים, מפתח קשרים ופותח דלתות למדענים ישראלים המבקשים לשוב לישראל על מנת שיביאו עימם את הידע, הכישרון, הניסיון והקשרים שצברו לאקדמיה ולתעשיה כמנוע צמיחה לישראל.

מקורות

[1] עמידות “בלתי אפשרית” מתוך “מדע גדול, בקטנה”.

[2] המאמר המקורי עליו מבוססת הכתבה

Arad, E., Pedersen, K.B., Malka, O. et al. Staphylococcus aureus functional amyloids catalyze degradation of β-lactam antibiotics. Nat Commun 14, 8198 (2023)).

[3] התרופה לאלצהיימר? מתוך “מדע גדול, בקטנה”.

[4] מאמר סקירה על אודות עמילואידים חיידקיים

Otzen, D., Nielsen, P.H. We find them here, we find them there: Functional bacterial amyloid. Cell. Mol. Life Sci. 65, 910–927 (2008).

[6] ללמוד לקפל מתוך “מדע גדול, בקטנה”.

[5]  תאים מהונדסים נגד חיידקים עמידים, להרחבה על עמידות לאנטיביוטיקה של סטפילוקוק זהוב, מתוך “מדע גדול, בקטנה”.

*********************************************

ספר לי קצת על עצמך?

אני אלעד ואני שנה בפוסטדוק בקולומביה בהנדסה כימית. במקור אני בוגר אוניברסיטת בן-גוריון במחלקה לכימיה ובמכון הננו. כמו שעולה מהפוסט כחוקר עבדתי כל הזמן על פפטידים בעיקר עמילואידים, אבל זה לא התחום שרציתי לעסוק בו, שנאתי ביולוגיה וכל מה שקשור לזה בתואר הראשון. כמו כל סיפור טוב – בשנה השלישית לתואר הראשון , יצא לי לשבת ליד חוקרת שהפכה להיות המנחה שלי – בהתחלה זה היה כפרוייקט ואז המשכתי כחוקר. בפוסט שיניתי כיוון ואני עובד בעיקר על DNA בהקשר של DNA אוריגמי או פיתוח כלים לשימוש ב DNA לננו טכנולוגיה ובעצם רציתי לצאת מתחום המחלות או תרופות.

מה היו השיקולים לצאת לחו״ל ולמה בחרת לשנות כיוון?

בסוף הדוקטורט הבנתי שרוב החוקרים בתחום של פפטידים ממשיכים לתחום של מתן והולכת תרופות ״drug delivery״ באקדמיה או בתעשייה. היה לי ברור שאני רוצה לטוס לפוסט כי אני רוצה להמשיך באקדמיה וגם לחוות מחקר מחוץ לישראל. התראיינתי בכמה מעבדות והתקבלתי ב MIT וב imperial collage. לפני שהחזרתי תשובה סופית יצאתי לכנס של חתני וכלות פרסי נובל ושמעתי את ההרצה של פרופ׳ בן פרינגה (זוכה פרס נובל בכימיה בשנת 2016) על חומרים שיכולים שיכולים לשנות את עצמם ולשמש כמעין רובוטים כימיים – הנושא הדליק אצלי ניצוץ של סקרנות, פתח לי כיוון מחקר שונה וגם נתן הכשר ״לצאת״ מהנישה לכיוונים שהם פחות מיינסטרים כמו ביורפואה ותרופות. בכנות הנושא ממש מגניב ורציתי לבדוק מעבדות מחקר וכך הגעתי למעבדה של פרופ׳ אולג גאנג. הוא גם היה המנחה הראשון שענה לי בסבב החיפוש השני וגם השיחה איתו זרמה ולא המשכתי עם כיוונים אחרים.

אז מה אומר תחום המחקר של רובוטים כימיים, או מבני DNA?

חיפשתי מעבדות שעובדות על חומר שיכולים לשנות את התכונות שלהם לפי אות חיצוני – חומרים דינמיים או רובוטים מולקולרים. כך הגעתי לאולג, שהוא ישראלי בעברו, בוגר אוניברסיטת בר אילן. במעבדה שלנו עובדים על מבנים שבנויים מ DNA, לא לשימוש ביולוגי אלא לתיכנון כיוון שיש מבחר גדול של כלים לעריכה ותיכנון של DNA מה שמאפשר יותר ״משחק״ והבנה של מבנים תלת מימדיים. היום יודעים לבנות בצורה יעילה מבנים מ DNA אבל לא יודעים לגרום להם לשנות צורה. הפרוייקט שלי מנסה לקחת כלי עריכה כמו קריספר ולגרום לו לייצר שינוי מבני – להיפתח, להיסגר, לחשוף חלקים מסויימים בתגובה לאותות. זה נשמע כמו רעיון פשוט, אבל בפועל זה מורכב מאוד. מערכת הקריספר עובדת במערכות חיות או בתאים, ואנחנו צריכים להתאים את תנאי העבודה של הקריספר ולבנות מערכת שתדע לתמוך במצב בו אין מערכות תאיות שמאפשרות את הפעילות של הקריספר. מצד שני, היכולת לקחת כלי ביולוגי לחלוטין ולהשתמש בו לבניית חומרים או לשינוי שלהם זה רעיון מאוד מעניין ולכן זה התחום שבחרתי בו. המחקר שלי הוא יותר בתחום של מדע בסיסי, אבל בהמשך, הרעיון שחומר יכול לשנות תכונות כתגובה לגירוי מסויים, לדוגמא – מרך לקשה, מגבישי לנוזלי, שינוי צבע או בניית מערכת שתייצר שרשרת תגובת בחשיפה למולקולה מסויימת ולהגיע לתוצר לפי סדר התגובות, יכולים לשמש בתעשייה. בעבודה עם DNA אנחנו יודעים לתכנן מבנים בדיוק מאוד גבוה, כיוון שזו מולקולה פשוטה יחסית ואנחנו מכירים את המבנה והתכונות הכימיות של הנוקלאוטידים (מולקולות ה DNA), כך שאנחנו יכולים ליצור מבנה מאוד מדוייק. יש תמונה מאוד מפורסמת של המונה ליזה ממולקולות DNA שזה מאוד יפה לפירסום – אבל חשוב להבין שהיכולת לתכנן מבנים תלת מימדים מורכבים כולל יכול לשלוט בתכונות של המבנה כמו טמפרטורת התכה או עמידות. כיוון שאנחנו יודעים הרבה על מולקולות ה DNA זה מאפשר לנו גם לשלוט על התכונות של המבנה כתלות בצרכים של המערכת שלנו. בפפטידים וחלבונים יש הרבה יותר מורכבות ותכונות שאנחנו פחות יודעים ויכולים לשלוט עליהם – לכן מערכת ה DNA מאוד מעניינת ונוחה לעבודה כדי להבין תכונות של מבנים ואפשרות להשפיע ולשנות אותן.

אם נחזור לנושא הפוסט, עמידות לאנטיביוטיקה היא אחד האתגרים ברפואה – איך הגעתם לחקור את העמידות בהקשר של החלבונים שבונים את הביופילם?

התחלנו לעבוד על עמילואידים בלי קשר לביופילם, אלא בכיוון של לבדוק את יכולת הפירוק שלהם. הרעיון הגיע מעבודות שהצביעו שבעבר הרחוק באבולוציה לפני שנוצרו אנזימים, היו צבירים של חלבונים שהיו מזרזים תגובות כימיות. כשהתחלנו לבדוק את היכולת של עמילואידים – התחלנו בעמילואיד בטא, שזה החלבון הידוע לשמצה במחלת אלצהיימר (אולי שנוי במחלוקת לאחרונה). ראינו שהצבירים שלו יכולים לפרק כל מיני מולקולות. בשלב הזה היינו מאוד מופתעים שההיפותיזה שלנו עבדה, ולקחנו כל מיני צבירי חלבונים כדי שישמשו כמערכות ביקורת, בינהם גם את הסוג שמופיע בביופילם, וראינו שחלק מהצבירים מזרזים תגובות בעיקר של פירוק. ואז שאלנו לאיזה מנגנון זה שייך, באותו זמן קראתי על עמידות לאנטיביוטיקה, וראיתי שמולקולות האנטיביוטיקה, בעיקר מקבוצת הפניצילינים, מכילות קשרים דומים לאלו שהעמילואידים יכולים לפרק. כשבדקנו את זה – זה עבד! התוצאות מאוד הפתיעו אותנו, כי חשבנו שהמערכות האלו יגיבו בצורה הפוכה. אני חייב לסייג שהמערכת שלנו עבדה ברמה מאוד פרימיטיבית, ולפני שהממצאים יהיו יישומיים לקליניקה, צריך לבדוק את המערכת החיידקית והביופילם בתנאים ביולוגים – מערכות תאים, חיות מודל ועוד, כדי לראות איך הביופילם עובד במערכת חיה. זה יהיה השלב הבא, במקביל לבדיקה של כיוון הטיפול למניעת היצירה של הביופילם עצמו, שידוע שמסייע לעמידות לאנטיביוטיקה.

נחזור קצת אליך, מה אתה עושה כשאתה לא חוקר בשעות הפנאי?

בתור פוסטדוק אין המון זמן פנוי, ובשנה האחרונה אני בעיקר צמוד לחדשות מישראל מהסיבות המובנות. אני אוהב מאוד לנגן, אז אני מנצל את הזמן לנגן בפסנתר ובעיקר בסקסופון, בארץ ניגנתי בהרכבים, פה עוד לא מצאתי מסגרת של הרכב, אני קורא הרבה. אני אוהב מוזיאונים ומנסה לנצל את הזמן בניו יורק לבקר במבחר הגדול של התערוכות בניו יורק, אבל אני פחות מנצל את העיר ממה שדמיינתי. אני מודה שהבריחה שלי מהחדשות היתה להישאב לעבודת המחקר, גם ככה חיי פוסט הם צמודים למחקר ולמעבדה.

מה התוכניות שלך לעתיד?

אני רוצה לחזור לישראל ולפתוח מעבדה באקדמיה, ולשם אני שואף כשהפוסט יגיע לסיום ואפרסם את התוצאות. אני חושב שהאקדמיה הישראלית מאוד טובה ומתקדמת, אפשר לעשות מחקר מעולה ושווה ערך למחקר שאני רואה מסביבי, ובעיקר – אני רוצה לחזור הביתה!

יש משהו משמעותי שלמדת בשנה שלך בפוסטדוק?

מבחינת מחקר, יש מסביבי תנאים מתקדמים מאוד והמון נגישות לכלים ומערכות כמו מאיץ חלקיקים שזמינות הרבה יותר ומאפשרות לקדם את המחקר בצורה מהירה יותר. מצד שני, אני רואה שאני כחוקר, שווה ערך מבחינה אינטלקטואלית וחוזק מחקרי לקולגות מסביבי – כולם נתקלים באותן בעיות ואותן שאלות, על אף היוקרה של מוסדות העילית. זו בעצם תעודה חיובית למחקר וההכשרה בישראל. בשורה התחתונה, יש חשיבות יותר לשאלות שאתה שואל ואיך מתבצע המחקר, ללא ספק שהנגישות למערכות מתקדמות הוא יתרון, לכן הקשרים ואפשרויות שיתופי הפעולה מאד מסייעים למדענים שחוזרים ארצה אחרי השתלמות כזו בחו”ל.

יש לך טיפ שהיית רוצה לחלוק עם אלו שמתכוונים לצאת לפוסט?

אני חושב שהדגש האישי חשוב מאוד בבחירת המעבדה, זו סביבת העבודה וה״בית״ של הפוסטדוק. יש חשיבות להבין את היחסים והציפיות של המנחה, הדינמיקה עם חברי המעבדה וסביבת העבודה יכולה מאוד להשפיע על הצלחת הפוסט. אני רואה את זה גם על עצמי וגם על אחרים – אנחנו רחוקים מהסביבה המוכרת, ובין האתגרים של לקדם את המחקר והדרך העצמאית, כשיש קבוצת מחקר נעימה ומעודדת, אפשר לפרוח, איכות העבודה תהיה טובה יותר. בסביבה אחרת זה יכול להשפיע הפוך.

עוד דבר שאנחנו לא מספיק מדברים עליו, או מודעים לו, הוא הבדלי תרבויות – אני חשבתי שארה״ב לא תפתיע אותי, הייתי בניו יורק המון פעמים. אבל המון ניואנסים כמו איך הולכים, מה אומרים ולמי לא היו במודעות שלי. קשה לתפוס כמה ״הלם התרבות״ נוכח בחודשים הראשונים, עד שמתרגלים, כנראה משני הכיוונים – אנחנו לתרבות אמריקאית והם אלינו.

האם יש לסיינס אברוד תרומה לפוסטים, בייחוד כשאתה גם לקחת על עצמך להיות מנהל קהילה בקולומביה?

בהחלט! הקהילה, בייחוד קהילת הישראלים היא מאוד תומכת ועוזרת. יש אנשים שזה מאוד עוזר בהתאקלמות, בייעוץ. בתור חוקר שיצא לפוסט לבד, אני מאוד מעריך את זה ורואה איך זה עוזר לי במעגלי תמיכה, התאקלמות וייעוץ מקצועי במחקר. היה לא מזמן פוסט בקהילת הפייסבוק על יציאה לבד ועל האתגרים והקשיים, התחברתי להרבה מהדברים וגם קראתי תגובות וזה ממש הכוח של קהילת סיינס אברוד כגוף מכיל בפן אישי ומקצועי. התמיכה והקשר עם האקדמיה בארץ היא קריטית על מנת להחזיר חוקרים ארצה, ומהבחינה הזו יש לנו עוד הרבה לאן להתקדם.