מחקרים Chemotaxis חיידקית שימוש מיקרופלואידיקה - ראיון

שמי רומן שטוקר. אני מרצה עוזר בשנה השנייה במעבדת רולף פארסונס, שהיא חלק מהמחלקה להנדסה אזרחית וסביבתית כאן ב-MIT. אני במקור מאיטליה ולמדתי מכניקת נוזלים.

לכן, הרקע שלי הוא יותר במדעי הפיזיקה, אך בשנתיים האחרונות, למעשה בשלוש שנים, פניתי יותר לנושאים סביבתיים וביולוגיים. לפני שנתיים התחלתי לפתח מערכות מיקרופלואידיקה כדי לבחון בעיות באקולוגיה מיקרובית, ובעזרת התקני מיקרו אלה, אנו מסוגלים לפתח שאלות אקולוגיות טיפוסיות עבור תופעות במקשׂי מיקרונים. עבודתנו עוסקת בעיקר באורגניזמים שחייים במים, אלה שיכולים לשחות באוקיינוס ולעקוב אחר מקורות המזון שלהם.

בפרט, חיידקים פיתחו דרכים חכמיות מאוד של שחייה, ויש לי כאן הדגמה קטנה. ראש החיידק הוא בערך אליפסואיד. דמיינו שגודלו הוא כ-2 microns.

בחלק האחורי של החיידק נמצאים שוט אחד או יותר. שוטים אלה הם מבנים ספירליים, אותם החיידק יכול לסובב. סיבוב זה מייצר דחף המאפשר לחיידק למעשה לשחות קדימה.

קיימים מצבים שונים שבהם חיידקים אכן עושים זאת, וישנן אסטרטגיות שחייה שונות, וזהו חלק מהנושאים שבהם עוסק המחקר שלנו. הסיבה שחיידקים שוחים באוקיינוס היא כדי שיוכלו לנצל טוב יותר מקורות של חומרי הזנה, וזהו חלק משינוי פרדיגמה שהתרחש במהלך 15 או 20 השנים האחרונות. לפני כן, אנשים נהגו לחשוב שהאוקיינוס הוא מרק הומוגני של חומרי הזנה בקנה מידה של מטרים ועד לעשרות מטרים, ובתיאור זה של האוקיינוס, נלמד כי אורגניזמים בקנה מידה קטן כגון חיידקים אינם ממלאים תפקיד משמעותי והם למעשה הובלו באופן פסיבי על ידי זרמי האוקיינוס.

אך לפני 10 או 15 שנים, אנשים הבינו שזהוו ממש לא מה שקורה באוקיינוס, ושבפועל אורגניזמים קטנים אלה הם מהשחקנים החשובים ביותר בקביעת בריאות האוקיינוס, ולפיכך אף לדברים כמו האקלים הגלובלי שלנו. זאת בשל שתי סיבות. הסיבה הראשונה היא שהם נמצאים בכל מקום באוקיינוס, והביומסה המצטברת שלהם עולה בהרבה מזו של כל שאר האורגניזמים הימיים.

הסיבה השנייה, ואולי הבסיסית ביותר, היא שבעזרת שימוש במקורות תזונה ובמיוחד בפחמן, אורגניזמים קטנים אלו יכולים למחזר את החומרים המזינים עבור רכיבים אחרים ברשת המזון, ובכך להגביר באופן משמעותי היבטים אחרים וחלקים אחרים של השלשלת הטרופית באוקיינוס. בכל זה, עבודתנו מתמקדת בעיקר באינטראקציה בין אורגניזמים שוחים לבין מוקדי ריכוז של חומרים מזינים. חיידקים אינם רק מסוגלים לשחות, אלא הם גם מסוגלים לחוש ולזהות מדרגי ריכוז של חומרים מזינים.

כלומר, הם מסוגלים לזהות מתי תנאי החיים משתפרים ולשחות במעלה מפל של רכיבי תזונה. הם עושים זאת בתהליך המכונה כימוטקסיס. כימוטקסיס היא היכולת לחוש מפל כימי ולשחות לעברו.

זהו בדיוק הנושא שאנו חוקרים במעבדה, ומיקרופלואידיקה היא כלי המאפשר לנו לבחון את היכולות הכיmotקטיות ואת יכולת השחייה של חיידקים, ובכך להכליל ולהרחיב את תפקידם כדי לקבוע עד כמה הם משפיעים על בריאות האוקיינוס. במהלך השנה וחצי האחרונה, הקמנו מכשירים מיקרופלואידיים המאפשרים לנו לחשוף חיידקים לסוגים שונים של תנאים הנמצאים בדרך כלל באוקיינוס. כפי שציינתי קודם לכן, מדובר במכתבי רכיבי תזונה טיפוסיים, אך גם, למשל, בטורבולנציה.

מה שמצאנו עד כה הוא שנראה כי חיידקים ימיים הותאמו ביעילות רבה לנצל מוקדי חומרים מזינים אלו, ושהם מסוגלים להתגבר באמצעות שחייה על מגוון רחב של תנאי טורבולנציה באוקיינוס. יכולת זו הופכת אותם למתאימים מאוד להישרדות באוקיינוס, שנתפס מנקודת מבטם כמעין מדבר של חומרי הזנה, שבהם חומרים מזינים מופיעים רק במוקדים מפוזרים ונדירים מאוד בתוך עמוד מים תלת-ממדי; ובמקביל, הם מסוגלים לשחות, להילחם בטורבולנציה ולכן עדיין להיות מסוגלים לעקוב אחר מקורות המזון שלהם גם כאשר המים סביבם נעים בעוצמה. יוזמת מערכת כדור הארץ (Earth system initiative) היא יוזמה מעניינת מאוד, המאגדת אנשים רבים מדיסציפלינות שונות, שכולם מעוניינים להבין טוב יותר כיצד כדור הארץ שלנו פועל בפועל. בקיצור, מטרתה של יוזמת מערכת כדור הארץ היא לנסות לעשות עבור כדור הארץ את אותו הדבר שאנו כבר עושים ומבצעים מזה זמן רב.

עבור גוף האדם המבקש להבין את בריאותו, הבנת בריאות כדור הארץ בימים אלה היא חשובה במיוחד בשל חששות מהתחממות גלובלית, למשל, וגזי חממה; מספר אחד מהמאמצים במסגרת יוזמת מערכת כדור הארץ מכוון להבנה טובה יותר של בריאות כדור הארץ. עבודתנו משתלבת בכך על ידי בחינה של רכיב אחד במחזור הפחמן באוקיינוס. אנו מנסים להבין בפרט כיצד אורגניזמים בקנה מידה קטן, כפי שציינתי קודם לכן, ובמיוחד חיידקים שוחים, יכולים להשפיע על מחזורים רחבי היקף אלו, דבר שיש לו השלכות על מחזור הפחמן הגלובלי באוקיינוס ולפיכך על מחזור הפחמן הגלובלי ברחבי העולם, כולל האטמוספירה.

כל עבודתנו עד כה בתחום זה התאפשרה, ולמעשה הונעה, הודות להקדמה טכנולוגית מרכזית אחת, והיא מיקרופלואידיקה. בעשור האחרון, המיקרופלואידיקה התפתחה לכלי מעניין ומרגש במיוחד באזור בוסטון-קיימברידג'. יוזם טכנולוגיית המיקרופלואידיקה בצורתה הנוכחית הוא פרופסור George Whitesides מהרווארד, שהציג את תהליך הליתוגרפיה הרכה ואת השימוש ב-PDMS לייצור התקני מיקרו.

מאז, היישום של מיקרופלואידיקה גדל באופן מעריכי במגוון רחב של תחומים. מהנדסה כימית ועד למדעי הבריאות, התחלנו ליישם אותה באקולוגיה מיקרוביאלית ובטיפול בכמה מהבעיות בקנה מידה קטן אלו באוקיינוס בנוגע לשחייה של מיקרואורגניזמים. בקצרה, קשה, אם לא בלתי אפשרי, לחקור תהליכים אלו ישירות באוקיינוס בשל קני המידה הקטנים שלהם ובשל השונות שהאוקיינוס מציג בהכרח; עדיין איננו מסוגלים להדמות חיידקים, שגודלם כמיקרון אחד, ישירות in situ באוקיינוס, ובמקביל, אנשים ניסו למדל תהליכים אלו, למשל באופן נומרי או תיאורטי, אך מכיוון שמדובר בביולוגיה, יש להסתמך בהכרח על הנחות יסוד.

לדוגמה, תצטרכו להניח הנחות לגבי אסטרטגיית השחייה של חיידק או אסטרטגיית הכימוטקסיס של חיידק, ולכן דרושים ניסויים ממשיים כדי להתקדם בתחום זה. מיקרופלואידיקה מאפשרת לנו להביא למעבדה אזורים קטנים, חלקים קטנים מהאוקיינוס, ובמקביל לחשוף חיידקים ומיקרואורגניזמים לתנאים סביבתיים ריאליסטיים, הן מבחינת רכיבי תזונה והן מבחינת זרימות. במקביל, באמצעות שימוש במיקרוסקופיית וידאו ומעקב אחר תאים, אנו יכולים לחקור את התנהגותם של חיידקים בודדים באופן מבוקר ומדויק מאוד, המאפשר לנו להתקדם בשאלות אלו בדרך שלא הייתה אפשרית לפני כ-10 שנים, וכל זאת הודות להתקדמויות טכנולוגיות, ובמיוחד למיקרופלואידיקה.

ישנם שני אתגרים מרכזיים שאני רואה לפנינו בתחום זה. הראשון, כפי שציינתי קודם לכן, הוא היכולת להעביר בשלב מסוים את השאלות הללו לאוקיינוס. הסיבה לכך שסופו של דבר יש צורך לצאת לאוקיינוס היא כדי ללכוד את כל השונות המובנית בתהליכים אלו.

לדוגמה, עדיין אין לנו מושג מה באמת דולף מחלקיק ששוקע, אילו סוגי רכיבי תזונה נמצאים שם, ולאילו סוגים של תרכובות כימיות חיידקים נמשכים באמצעות כימותקסיס במעבדה. אנו יכולים לחקור רק את הפשוטים מבין התנאים הללו, אך מה שקורה במציאות באוקיינוס הוא אוסף של תהליכים מורכבים ומשתנים מאוד שעלינו לחקור בסופו של דבר באופן ישיר ב-C two. זהו אתגר גדול מנקודת המבט של דגימה, מנקודת המבט של דימות ומנקודת המבט של ביצוע ניתוחים כימיים וביולוגיים בקנה מידה, כפי שציינתי מספר פעמים, שהוא רק בסדר גודל של מספר מיקרומטרים ובמונחים של נפחים של פיקוליטרים.

האתגר השני, שלדעתי קל יותר לטיפול, הוא הדמיית התנהגות בשלושה ממדים. כל מה שאנו עושים כעת במעבדה הוא דו-ממדי. אנו משתמשים במיקרוסקופיה קונבנציונלית כדי להדמיות מסלולים והצטברות של מיקרואורגניזמים, אך אנו מקווים מאוד שטכניקה המכונה הולוגרפיה דיגיטלית תעניק לנו, בטווח זמן של אולי שלוש עד חמש שנים, את היכולת לעקוב אחר דברים אלו בשלושה ממדים, ובכך בצורה נאמנה ומציאותית יותר, כדי להיות מסוגלים ללכוד את האקולוגיה באופן ריאליסטי בחמש השנים הבאות.

בנוסף לניסיונות להתרחב לממד תלת-ממדי בדגימה, ואולי לביצוע הצעדים הראשוניים והפשוטים ביותר לקראת דגימה באוקיינוס, אנו שואפים בהחלט לקשר מחקרים אלו למאמצים שוטפים להבנת הגנומיקה של אורגניזמים אלו. קיימת דחיפה משמעותית, במיוחד כחלק מיוזמת מערכת כדור הארץ (earth system initiative), להבנת ההרכב הגנטי והשונות הגנטית של חיידקים אלו בשטח. במקביל, לגנומיקה חסרה היכולת לקשר ישירות בין הממצאים לבין התנהגות האורגניזמים, וזהו הערך שמיקרופלואידיקה ומחקרים אקולוגיים קלאסיים והתנהגותיים יותר יוכלו, לדעתנו, לתרום.

יש לנו תשתית מצוינת וצוות מומחים רב שבוחן את הגנומיקה של חיידקים ימיים, ובאמצעות שיתוף פעולה איתם, אנו מקווים לקשר בין שתי שאלות יסוד אלו כדי להגיע להבנה טובה יותר לגבי סוגי החיידקים הקיימים באוקיינוס ומהו תפקידם בקביעת בריאות האוקיינוס ובריאות כדור הארץ.