חקירת הקהילה חיידקים במעי האחורי הטרמיטים - ראיון

הטרמיטים והמיקרובים במערכת העיכול שלהם הם דוגמה לסימביוזה מוטואליסטית מרתקת ומורכבת מאוד. לכן, אני מעוניין לחקור טרמיטים ומיקרובים אלו כדי להבין טוב יותר את כל התפקידים השונים של הרכיבים השונים בעודם מפרקים מקור מזון מורכב מאוד, lignocellulose, למוצרים שהן החרק והן המיקרובים יכולים לנצל. אני ג'ארד לדבטר.

אני פרופסור חבר למיקרוביולוגיה סביבתית במכון קליפורניה לטכנולוגיה, ואני משתתף בתוכנית שלנו למדעי הסביבה והנדסה. אני נמצא ב-Caltech מזה שש שנים וחצי, אך ב-17 השנים האחרונות תחומי המחקר העיקריים שלי היו חקר הקהילות המיקרוביאליות השוכנות במעיים האחוריים של מיני טרמיטים שונים. מאז שנחשפתי לראשונה למיקרוביולוגיה של מעי הטרמיט כסטודנט בקורס קיץ על גיוון מיקרוביאלי, הנלמד ב-Woods Hole, מסצ'וסטס, אני מגלה עניין רב בזהות ובתפקוד של מיני המיקרובים השונים שניתן למצוא חיים במעיים האחוריים של טרמיטים.

קהילות המעי האחורי של טרמיטים מורכבות מכ-250 מיני מיקרובים ייחודיים, המייצגים את שלושת דומייני החיים. ניתן לזהות בהם ארכאה (Archaea) מטגנומיים, פרוטואזואה אנאירוביים מפרקי תאית, שהם איקריוטים חד-תאיים, ומגוון רחב של חיידקים, כולל מינים רבים מאוד וחדשים של קבוצת חיידקים הנקראת ספירוכטות (spirochetes). למרות שישנם כ-250 מינים שונים החיים בטרמיטים ושאינם נמצאים בשום מקום אחר בטבע, גם לאחר כמאה שנות מחקר, הבנתנו דלה מאוד לגבי תפקידם של כל המיקרובים השונים הללו בתוך סימביוזה מוטואליסטית מרתקת המתרחשת בין החרק המארח לקהילת המיקרובים, אשר יחד מפרקים תאית למוצרים המשמשים ביסודם כדלק למטבוליזם של החרק המארח ושל המיקרובים השונים הללו.

במהלך 16, 17 השנים האחרונות, התעניינתי מאוד בזיהוי המינים הללו ובבחינת פעילותם. כיצד מינים אלו מקיימים אינטראקציה זה עם זה במעי האחורי ומה התועלת שלהם עבור המאכסן? לכן, טרמיטים והמיקרובים במעיהם הם דוגמה לסימביוזה מוטואליסטית מרתקת ומורכבת מאוד.

אני מעוניין לחקור טרמיטים ואת המיקרובים שלהם כדי להבין טוב יותר את כל התפקידים השונים שמרכיבים שונים ממלאים בעת שהם מפרקים מקור מזון מורכב מאוד, ליגנוצלולוז, למוצרים שגם החרק וגם המיקרובים יכולים להשתמש בהם. סיבה נוספת לחקר הטרמיטים והמיקרובים במעיים שלהם היא שטרמיטים הם קבוצת בעלי חיים חשובה מאוד ברמה הגלובלית, הממלאים תפקידים קריטיים וחשובים במחזורי הפחמן והחנקן העולמיים; באזורים הטרופיים והסובטרופיים הטרמיטים הם מגוונים ביותר. כלומר, קיימים מיני טרמיטים רבים ושונים מאוד, והם נפוצים מאוד.

כדוגמה להצלחתם של חרקים אלו, הם מהווים מקורות קטנים אך משמעותיים של CO2 ומתאן גלובליים. בשל כמות העץ שהם המירו לתוצרי לוואי אלו, התרמיטים תורמים כ-2% מה-CO2 הגלובלי וכ-4% מהמתאן הגלובלי, נתון שהוא למעשה משמעותי מאוד עבור קבוצה אחת של בעלי חיים. לכן, באמצעות חקר המיקרובים ופעילותם בתוך חרקים אלו, אנו מבינים טוב יותר את החרקים הללו ואת הבסיס להצלחתם ברחבי העולם.

חקר הטרמיטים והמיקרובים במעיים שלהם הוא מעניין גם מנקודת המבט של קנה מידה והשחזור. ובמובנים מסוימים אני חוקר טרמיטים והמיקרובים במעיים שלהם מכיוון שזו סביבה מרגשת ומורכבת מאוד. אך הסביבה של המעי האחורי, מערכת אקולוגית זו של המעי האחורי, שונה מאוד מסביבות רבות אחרות.

מעי השגב של הטרמיט קטן מאוד, בנפח של כ-one microliter, והוא מוגבל היטב במובן זה שהוא מרופד על ידי אפיתל המעי או על ידי החרק עצמו. אך אנו יכולים להגדיר באופן קונקרטי מאוד מהם גבולות הסביבה הזו. הסביבה קטנה מאוד, ואנו יכולים לאסוף קופסה של טרמיטים הכוללת 200 טרמיטים, ובממוצע נקבל את אותה הסביבה שחוזרת על עצמה שוב ושוב ושוב.

אם תשוו את סביבת המעי של התרמית, למשל, לים סרגסו, ים סרגסו הוא עצום ורחב ידיים. רוחבו אלפי מיילים. הגבולות שלו מוגדרים, אך אולי רק באופן תפעולי.

אין גבול ברור ומובהק לים סרגסו, וקיים רק אחד כזה. לכן, ניתן ללמוד רבות על מדעי הים באמצעות חקר ים סרגסו, וחקר ים סרגסו הוא חשוב מאוד. עם זאת, ישנם סיבוכים מסוימים, שכן עליכם להיות מסוגלים לעלות על סירה ולהגיע לשם.

אם יש לכם ממצא לגבי חלק מהמיקרובים שם, ייתכן שלא תדעו היכן נמצאים המיקרובים הללו בכל נקודת זמן נתונה, והם עשויים להיות במרחק של מיילים זה מזה, וכמובן שיש רק אחד כזה. לכן, קשה לחקור את ים סרגסו, להשפיע עליו בדרך כלשהי ולהחזיק בים סרגסו המשמש כביקורת לצורך השוואה. לכן, על ידי חקר המיקרובים במעיים שלהם, יש לנו למעשה דוגמה לסביבה שניתן להכניעה לטכניקות מעבדתיות.

אנחנו יכולים לשחזר את הסביבה הזו, להפעיל עליה הפרעות ולהשוות אותה לקבוצות ביקורת. ואנחנו תמיד יודעים, ברמת דיוק של כמילימטר, היכן כל הקבוצות והמינים המיקרוביאליים השונים הללו מקיים אינטראקציה; הם מקיימים אינטראקציה עם זה בסביבת מעי של microliter אחד זה. לכן, במעבדה שלי, אנחנו אוהבים לחקור את הקהילה המיקרוביאלית הזו באמצעות כל טכניקה זמינה שעשויה לסייע לנו לחשוף את סודותיה של קהילה זו.

היבט אחד של כך היה לנסות לגדל מינים השוכנים באותה קהילה מיקרובית. באופן in vitro במעבדה, 250 מינים הם מערכת מורכבת מאוד, וישנה בהירות ללא תחליף בפרשנות של מחקר כאשר ניתן ללמוד תרבית טהורה של חיידק. חלק מהמאמצים שלנו התמקדו בכניסה לקהילת המעיים הזו ובניסיון לבודד ולגדל מינים בודדים מאותה קהילה, ולאחר מכן ללמוד בפירוט את הפיזיולוגיה, הגנטיקה והגנומיקה של מינים אלו, כדי לנסות ולהסיק מה משמעות הדבר לגבי תפקידו של אותו מין בתוך הקהילה.

דוגמה לכך היא המחקר שלנו על מעי הטרמיטים. ספירוכטות הן אורגניזמים בצורת ספירלה, הנמצאים בשפע כמעט בכל הטרמיטים. בטרמיטים קיימות ספירוכטות, שקרובות למעשה באופן הדוק לגורם המسبب של הסיפיליס, אך בכל הטרמיטים הבריאים ניתן לראות את הספירוכטות הללו.

וכך, במשך שנים רבות מאוד ידענו שהספירוכטות הללו הן כנראה סימביונטים המבצעים פעולה חיובית עבור המארח, אך לא ידענו מה הן עושות. לפני כ-10 שנים, הצלחתי לגדל חלק מהספירוכטות הללו in vitro, וכעת אנו יכולים לחקור אותן ולמדנו רבות על הפיזיולוגיה שלהן ועל מה שסביר שהספירוכטות הללו עושות בסביבה. לפני תקופה זו, לא היה לנו מושג מה הספירוכטות הללו עושות בסביבתן.

כך הגענו לגילויים רבים שהתאפשרו בזכות תרביות טהורות, על ידי חקר אותן תרביות. אנו משתמשים בשיטות מבוססות גנים כדי לחקור קהילה מיקרובית זו. ייתכן שקיים סוג גן מסוים המייצג פיזיולוגיה מסוימת, ואנו יכולים להיכנס לתוך הקהילה הזו ולהתחיל לשאול כמה וריאציות של גן זה קיימות, ומי הם האורגניזמים המקודדים את הגנים המרכזיים הללו?

כך נוכל להתחיל לנתח באופן פונקציונלי את המתרחש במעי האחורי על ידי חקר המגוון של הגנים המעורבים במטבוליזם של חנקן ובהיבטים מרכזיים של מטבוליזם של פחמן. בנוסף, נוכל להשתמש במנגנונים מבוססי גנים או בגישות מבוססות גנים כדי להעריך את מגוון האורגניזמים בטרמיט. נוכל להשתמש בגנים של ribosomal RNA כגנים מסמנים או כברתקודים כדי להעריך באמת כמה מינים נוכחים בקהילה זו, ואולי באיזו שכיחות, וכיצד התרביות הטהורות שלנו משקפות למעשה את המגוון הזה. לכן, אנו משתמשים במספר טכניקות מבוססות גנים במעבדה שלי.

עסקנו גם במטגנומיקה, במסגרתה אנו מעוניינים לחקור את תוכן הגנום השלם של מערכת אקולוגית מיקרובית זו, כדי לנסות לקבל מושג לגבי כל חילופי החומרים השונים המתרחשים בקהילה זו. לכן, במעבדתי אנו חוקרים תרביות טהורות. אנו משתמשים בטכניקות מבוססות גנים המועצמות על ידי PCR, אנו משתמשים במטגנומיקה, ואנו בוחנים פעילויות, פעילויות אנזימטיות הנוכחות במעי ה-hin.

אנו משתמשים גם במיקרוסקופיה כדי לנסות וללמוד היכן ממוקמים האורגניזמים במעי ועם אילו תאים אחרים הם מקיימים אינטראקציה. בסך הכל, אנו שואפים להבין כמה מינים נמצאים במעי האחורי, מה כולם עושים וכיצד הם מקיימים אינטראקציה זה עם זה? קיימים מספר אתגרים בחקר קהילות מיקרוביאליות, השונים מאלו של קהילות אחרות בטבע.

כידוע, זהו תהליך פשוט יחסית לצאת לטיול ביער או בסוואנה ולהתבונן במיני הצמחים והבעלי החיים השונים שבהם נתקלים במהלך ההליכה. ובוודאי שבמסגרת האקולוגיה של קהילות פותחו שיטות רבות וננקטו גישות שונות במהלך מאה השנים האחרונות, כדי להתחיל לשאול שאלות לגבי מספר המינים של צמחים או בעלי חיים הנוכחים בקהילה מסוימת, ובאיזו תדירות נתקלים בהם בקהילה זו. ולאחר מכן, להתבונן בפועל בחלק מהאורגניזמים הללו בקהילתם לאורך זמן, כדי לבחון את סוג ההסתגלויות שיש להם לדרינמיקה סביבתית ולפגיעות סביבתיות שהם נאלצים להתמודד איתן.

אתם יודעים, ניתן לצפות בפיל או באריה בסבנה ולבחון חלק מההתנהגות שלהם, את ההסתגלויות שלהם, את האופן שבו הם משיגים את האנרגיה ואת המזון שלהם, וכיצד הם מקיימים אינטראקציה זה עם זה. כל אלה פשוטים למדי לצפייה כאשר לומדים על מיקרובים, אורגניזמים שניתן לראות בעין. כמו כן, זהו תהליך פשוט למדי להבחין אם מדובר בצמח או בבעל חיים.

אינני מתכוון למונחים של מינים, אלא למונחים של מה שהם עושים. ניתן להסתכל על אורגניזם ולומר כמעט בוודאות שזהו פוטוטרוף, שזהו אורגניזם הסופג קרינה סולארית והופך את האנרגיה הזו למשהו שימושי. או שאני מסתכל על בעל חיים שאינו יצרן, ושהחיה הזו משתמשת בעיקר בחלבון כמקור האנרגיה שלה.

קיימות מספר תצפיות שניתן לבצע בעת הליכה בקהילת הוואנה או בקהילת יער. הרבה יותר קשה לבצע תצפיות ולהסיק מסקנות כאלו כאשר לומדים קהילות מיקרוביאליות. האורגניזמים הם קטנים, וגם אם יש ברשותכם מיקרוסקופ טוב מאוד, לא תמיד ברור כיצד אורגניזמים שונים נבדלים זה מזה.

כלומר, אם בוחנים קהילה מיקרוביאלית כשלעצמה, עשוי להיות קשה מאוד לקבוע כמה מינים קיימים בה ומהם ההפצות היחסיות שלהם. כמו כן, עשויה להיות קושי רב בבחינת אותה קהילה מיקרוביאלית באמצעות מיקרוסקופ כדי לענות על השאלה, מהם תפקידיהם של אורגניזמים אלו? לפיכך, אתגר מרכזי בחקר קהילות מיקרוביאליות הוא לקבוע מי נמצא שם ומה הם עושים.

לפיכך, עלינו להשתמש בטכניקות שונות בחקר של קהילות מיקרוביאליות כדי להפיק מידע מהקהילה על השאלה מי נמצא שם, מי פעיל, מה תפקידם של אורגניזמים אלו, וכיצד הם מגיבים ומהן ההסתגלויות שלהם לשינויים בסביבתם. מאז שהתעניינתי לראשונה בחקר קהילות מיקרוביאליות במעי הטרמיט לפני 17 שנים, בסביבות שנת 1990, חלו מספר התקדמויות טכנולוגיות בתחומי באופן כללי, שאפשרו לי ולאחרים ללמוד הרבה יותר על קהילות מיקרוביאליות, ועבורי באופן ספציפי, על קהילות במעי הטרמיט. חלק גדול מהן הן טכניקות מבוססות גנים.

כשרק התחלתי לחקור טרמיטים, ניתן היה להשתמש במיקרוסקופיה כדי לבחון קהילה מיקרובית, כגון זו של הטרמיט, להעריך את הצורות השונות הקיימות באותה קהילה ולקבל הערכה גסה לגבי מספר המינים השונים שנמצאים בה. אך במהלך 15 עד 17 השנים האחרונות, טכניקות רבות המבוססות על גנים וטכניקות גנומיקה רבות הפכו לזמינות, כך שהיכולת שלנו להפיק מידע מקהילות מיקרוביות, כמו המעי האחורי של הטרמיט, השתנתה במהירות רבה. כעת אנו יכולים להשתמש בגנים כמעט כסימני ברקוד לזיהוי אורגניזמים וסביבות שונות.

אנו יכולים לבחון קהילה מיקרוביאלית, כגון המעי האחורי של טרמיט, ולקבוע כמה מינים שונים נוכחים בה באמצעות שימוש בגנים מסוימים כמדדים למגוון זה. אנו יכולים להשתמש בגן זה כבארקוד (barcode) כדי לעקוב אם אורגניזמים אלו נמצאים בתרבית, או להשתמש בבארקוד זה כדי לעקוב אחר תנודות בשפע של מינים שונים באותה קהילה. באמצעות טכניקות אחרות מבוססות גנים, אנו יכולים לשאול האם הגנים המקודדים לאנזימים עבור תהליך ספציפי זה נוכחים בקהילה זו?

וכמה וריאציות, כלומר כמה מיני אורגניזמים קיימים המזרזים זאת, והאם אלו האורגניזמים נמצאים אצלנו בתרבית? היו מספר גישות המבוססות על הנדסה גנטית ועל PCR (תגובת שרשרת פולימראז) לחקר קהילות מיקרוביאליות, אשר שינו באופן רדיקלי את האופן שבו אנו מבינים קהילות מיקרוביאליות. שינויים אלו התבטאו כולם במהלך 20 השנים האחרונות.

חקר הטרמיטים והמיקרובים במערכת העיכול שלהם הוא מרתק, הן ברמה של מחקר בסיסי או אקדמי והן ברמה של מחקר ביו-טכנולוגי ויישומי. טרמיטים אוכלים ומפרקים עץ. עבורי, חשוב מאוד לנסות ולהבין באמצעות אילו מנגנונים תוקפים הטרמיטים והמיקרובים במערכת העיכול שלהם את העץ, המהווה למעשה את חומר המרוכב הראשון של הטבע.

מדובר בחומר מרוכב בעל שלושה שכבות למינציה, וזהו חומר עמיד מאוד. להבין באמת כיצד חרק זה, באמצעות מיקרוביים במערכת העיכול שלו, מבצע דה-אמינציה של החומר המרוכב הזה ולאחר מכן מפרק את כל מרכיביו לתוצרים שיכולים לשמש כדלק הן עבור ההרק והן עבור המיקרובים הללו, הוא בעיניי מרתק מאוד, אך יש לכך גם רלוונטיות בסיסית לביוטכנולוגיה ולתעשייה.

כחברה, איננו מבינים זאת באופן מלא. למעשה, איננו מבינים כלל רבות על האופן שבו עץ מתפרק לחומרים אחרים. וישנו עניין רב בימים אלה בהשגת הבנה טובה יותר של האופן שבו ליגנוצלולוזה של צמחים תתפרק, כמו למשל קליפות אורז, קלחי תירס או שאריות של קנה סוכר לאחר סחיטת הסוכר.

קיים עניין רב בהבנה כיצד ניתן לקחת מוצרי ליגנו-צלולוז בעלי ערך נמוך ולהפוך אותם למשהו בעל ערך גבוה יותר, כגון אתנול, מימן, מתאן או כל מוצר אחר. חשוב להבין שטרמיטים מפרקים ליגנו-צלולוז ועץ ללא הרף והופכים אותם לדלק ביולוגי משלהם. מבחינה תעשייתית, ישנו עניין רב בהבנה אילו אנזימים מעורבים בתקיפה הראשונית של העץ.

ואולי אז ניתן יהיה לקחת את האנזימים הללו ולשלב אותם עם תהליכי המשך אחרים כדי לפתח תהליך חדש, השונה ממה שקורה כיום בתעשייה וממה שקורה כיום בטבע, אשר למעשה שואב את המיטב מהמיטב כדי ליצור משהו חדש, ולהפוך עץ למוצר רצוי. אתנול או מימן או מתאן או כל דבר אחר. במעבדתי מתמקדים בעיקר בהשגת הבנה בסיסית של קהילת מיקרובים זו, ובאינטראקציה שלה עם המאכסן ובבתפקיד שהמאכסן וקהילת המיקרובים ממלאים בפירוק ליגנוסלולוז.

אך קיים עניין רב בניסיון לקחת חלק מהמידע הזה ולנצל אותו לפיתוח תהליכים תעשייתיים חדשניים. אני סבור כי בשנתיים האחרונות התנהלו דיונים רבים על דלקים ביולוגיים, ודבר זה עורר תשומת לב לצורך ואף להבטחה הטמונה במחקר של דלקים ביולוגיים. עם זאת, עליי להיות כנה, אינני סבור שרמת המימון של היוזמות תואמת את העניין שהנושא עורר.

אין "פרויקט מנהטן" עבור דלקים ביולוגיים. לא הייתה השקעה דרמטית רחבת היקף במחקר בסיסי הקשור למחקר על דלקים ביולוגיים. ומכיוון שהבנתנו הבסיסית לגבי פירוק תאית היא כה דלה בנקודת זמן זו, אני סבור שאם תהיה יוזמה לדלקים ביולוגיים, עליה לכלול השקעה ממוקדת בכל הרמות, ממחקר אקדמי בסיסי ויסודי ועד לתעשייה, כדי להפוך זאת לאפשרי.

ואם אנשים רוצים שזה יקרה בעוד שנתיים, חמש או עשר שנים, נצטרך להשקיע גם כספים כדי שאנשים ישקיעו את זמנם ומאמציהם כדי להוציא זאת אל הפועל. במהלך 20 השנים האחרונות, היכולת שלנו להשתמש בטכניקות מבוססות גנים כדי לחקור קהילות מיקרוביאליות התקדמה במהירות רבה. אני חושב שכולנו יכולים לחלום מעט על מה שיכול לקרות במהלך חמש עד עשר השנים הבאות, ואני חושב שיש סיכוי טוב שבעוד 10 שנים תהיה לנו היכולת להכיר, לרצף ולנתח את הגנום המלא של כל מין ומין.

במעי האחורי של התרמית ישנם לפחות 250 מינים, ואני חושב שתהיה הזדמנות ליצור מעין "קלסר" של מידע, שבו נכיר את תכולת הגנום של כל אחד מהמינים הללו. זו תהיה תגלית דרמטית מאוד, שכן רק לפני 10 שנים ריצפנו לראשונה את הגנומים של מיקרואורגניזמים המוכרים היטב. בעוד 10 שנים נוספות, אני מאמין שנוכל להיכנס לקהילות מיקרוביאליות מורכבות ולהשיג גישה למידע גנומי של אורגניזמים שמעולם לא נחקרה בשום רמה של פירוט, ולהשתמש במידע זה כדי להניע מחקרים על אורגניזמים אלו לראשונה.