Vibrio cholerae: אורגניזם מודל לחקר פתוגנזה חיידקית - ראיון
28 במאי 2007
אני ב-MindUP, שם אנו חוקרים את הביולוגיה של פתוגנים אנושיים בסביבות שאינן מארחים. פתוגנים אנושיים רבים, לאחר שהם יוצאים מהמארח האנושי, צריכים לשרוד בסביבה לפני שהם מדביקים מארח אחר. לכן, מטרתנו היא להבין טוב יותר את התהליכים השולטים בהישרדות של פתוגנים אנושיים בסביבה.
ומטרתנו היא להבין טוב יותר את דינמיקת ההדבקה של גורמים זיהומיים. לכן, אנו משתמשים ב-Vibrio cholerae, הגורם למחלת הכולירה והשלשול, כאורגניזם מודל. Vibrio cholerae הוא פתוגן אנושי פקולטטיבי בעל מחזור חיים מימי.
לפיכך, הדבר מקנה לנו הזדמנות מצוינת לחקור את הישרדותו של פתוגן אנושי בסביבה טבעית. קיימים כלים רבים לחקר אורגניזם זה. הגנום שלו מורצף במלואו, וקיימים מערכי מיקרו-מערכים (microarrays) המייצגים כל גן בגנום.
בנוסף, קיימים כלים רבים המאפשרים לנו להפעיל מניפולציות על הגנום של אורגניזם זה. תוכנית המחקר שלי מנצלת כלים אלו ומשלבת אותם כדי לחקור את מחזור החיים המימי של הכולרה. לכן, בניסויים שלנו, אנו מנסים לדמות את הסביבות הממיות שבהן חי האורגניזם.
כעת נרצה לדעת כיצד אורגניזם זה מרגיש לתנודות בסביבתו ביחס לעומס חומרי הזנה, טמפרטורה, מליחות או גורמי עקה ביולוגיים אחרים כגון פאג'ים ו-TZO? בסביבה מימית, *Vibrio cholerae* נמצא או בצורה של תא חופשי או בצורה צמודה למשטח. הצורות הצמודות למשטח ידועות כביופילמים (Biofilms), המורכבים פשוט ממיקרואורגניזמים ומחומרים פולימריים חוצץ (extra polymeric substances), שיכולים להיות אקסופוליסכרידים וחלבונים ולעתים DNA.
מטריצה זו משמשת כדבק המחזיק את האורגניזם יחד. כאשר אורגניזמים אלו גדלים במצב של ביופילם, הם למעשה עמידים לפרמטרים משתנים בסביבתם והם יכולים להיות מוגנים יותר, למשל, מפני פאגים ופרוטאזות. אלו הם הגורמים השולטים בשפע המיקרואורגניזמים בסביבה.
חלק מההתקדמויות הטכנולוגיות האחרונות שסייעו לנו במחקרינו הן השלמת רצף הגנום של האורגניזם ופיתוח טכנולוגיית המיקרו-מערך (microarray). באמצעות טכנולוגיות אלו, אנו יכולים לקבוע ברמת הגנום השלם כיצד אורגניזם זה מגיב לתנודות משמעותיות בסביבתו, כגון מחסור בחומרי הזנה או שינויים בטמפרטורה. כמו כן, אחת המטרות המרכזיות שלנו היא לשלב את מחקרי ביטוי הגנום השלם בניתוח רשתות.
לפיכך, ברצוננו לזהות את הרשת הרגולטורית הגנטית השולטת בתגובה לפרמטרים סביבתיים משתנים. נרצה להיות מסוגלים למדל את התנהגות האורגניזם בסביבה. כמו כן, עדיין איננו יודעים מתי בסביבה Vibrio cholerae מקיים אינטראקציות ועם מי.
איננו יודעים הרבה על האקולוגיה של אורגניזם זה, ואיננו יודעים גם מהי הרלוונטיות של הגנים והתהליכים שזיהינו כחשובים להישרדות של אורגניזם זה במעבדה לעומת העולם האמיתי. כמו כן, איננו יודעים אם הגנים שזיהינו באים לידי ביטוי כאשר Vibrio cholera נמצא בסביבה טבעית. נרצה גם להיות מסוגלים לזהות ולתרבת אורגניזמים ש-Vibrio cholera מקייים עמם אינטראקציה, מכיוון שבסביבה, Vibrio cholera הוא חלק מקהילה מיקרובית מורכבת.
לכן אני סבור שהבנת הביולוגיה של Vibrio cholera בסביבה טבעית היא מאתגרת, והיא קריטית עבורנו כדי להבין את הביולוגיה של האורגניזם. בתוך חמש השנים הבאות, אני מקווה שנוכל לאפיין טוב יותר את רכיבי הפוליסכריד של הביופילמים. לדוגמה, ב-Vibrio cholera, עדיין איננו יודעים את המבנה של הפוליסכריד המחזיק את התאים יחד.
כמו כן, איננו מכירים את כל המרכיבים של המדדים של הביופילם. לדעתי, יהיה זה נהדר אם נוכל בעתיד לכמת את מרכיבי מדדי הביופילם בביופילמים טבעיים של אורגניזמים אלו. אני סבור שאתגר מרכזי נוסף הוא לחקור את ה-OC בסביבה טבעית.
ואני מקווה שנוכל לנצל מחקרי גנומיקה השוואתיים ולשלב פרופיל ביטוי גנומי מלא עם גנומיקה השוואתית כדי להבין טוב יותר את האבולוציה של *Vibrio cholerae* כפתוגן.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה בוחן את מנגנוני ההישרדות של פתוגנים אנושיים בסביבות שאינן מאכסנים, תוך התמקדות ב-Vibrio cholerae, הגורם למחלת הכולרה. הבנת תהליכים אלה חיונית להבהרת דינמיקת ההעברה של גורמים זיהומיים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- מיקרוביולוגיה
- מחלות זיהומיות
- ביולוגיה סביבתית
רקע
- פתוגנים אנושיים חייבים לשרוד מחוץ למאוחים שלהם כדי להדביק פרטים חדשים.
- Vibrio cholerae משמש כאורגניזם מודל בשל מחזור החיים המימי שלו.
- לימוד של פתוגנים אלו בהקשרים סביבתיים עשוי לחשוף תובנות לגבי התפשטותם.
- הבנת מנגנוני ההישרדות יכולה לסייע בגיבוש אסטרטגיות לבריאות הציבור.
מטרת המחקר
- לבחון את תהליכי ההישרדות של פתוגנים אנושיים בסביבה.
- להבין את דינמיקת ההעברה של גורמים זיהומיים.
- להשתמש ב-Vibrio cholerae כמודל לחקר דינמיקות אלו.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- מחקרי שדה לתצפית על Vibrio cholerae בסביבות מימיות.
- ניסויי מעבדה להערכת שיעורי הישרדות תחת תנאים שונים.
- ניתוח של גורמים סביבתיים המשפיעים על חיוניות הפתוגן.
- מידול של דינמיקת ההעברה בהתבסס על נתוני הישרדות.
תוצאים עיקריים
- זיהוי גורמים סביבתיים מרכזיים המשפיעים על הישרדותו של Vibrio cholerae.
- הדגמת עמידותו של הפתוגן בסביבות שאינן מאכסן.
- מתן תובנות לגבי מחזור החיים של Vibrio cholerae.
- תרומה להבנת נתיבי ההעברה של כולרה.
מסקנות
- מנגנוני ההישרדות של Vibrio cholerae הם קריטיים להעברתו.
- מחקרים סביבתיים חיוניים עבור התערבויות בתחום בריאות הציבור.
- נדרש מחקר נוסף כדי לבחון פתוגנים אחרים בהקשרים דומים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
הבנת הישרדותם של פתוגנים בסביבות שאינן מאכסן מספקת מידע על דינמיקת ההעברה ותומכת בתיקוף של מטרות עבור אסטרטגיות אנטי-אינפקטיביות. מחקר של Vibrio cholerae כאורגניזם מודל מאפשר הפחתת סיכונים מכניסטית של גורמי עמידות סביבתית. עבודה זו תומכת בביטחון חיזויי בזיהוי דטרמיננטות של virulentות הרלוונטיות להתערבויות במחלה.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: בוחן היפותזות טיפוליות על ידי קישור מסלולי חישה סביבתיים לבקרת virulent.
- ערך תפעולי: מאפשר תיקוף תפקודי של מטרות באמצעות פרופיל ביטוי גנומי רחב תחת תנאי עקה מבוקרים.
- ערך ניבוי: תומך במיון פורטפוליו על ידי הבהרת רשתות גנטיות השולטות בהישרדות מחוץ למאכסן.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay Development)
- ערך מדעי: הכנה של מערכות ביולוגיות שעברו תיקוף לצורך סריקה עתידית של תכונות אנטימיקרוביאליות או אנטי-וירולנטיות.
- ערך תפעולי: מענה לסטנדרטיזציה של בדיקות באמצעות מודלים הניתנים לשחזור של ביופילם ותרביות פלנקטוניות.
- יכולת הרחבה: הדגשת שימוש חוזר בפלטפורמה באמצעות שילוב של מיקרו-מערכים של גנום מלא וגנומיקה השוואתית.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- המשכיות תרגומית: מקשרת בין גנים שזוהו במעבדה לבין הרלוונטיות שלהם לסביבה הטבעית באמצעות מחקרי אינטראקציה אקולוגית.
- הפחתת סיכונים מכניסטית: מתמקדת בתיקוף חיזוי של רכיבי מטריקס הביופילם כנקודות התערבות פוטנציאליות.
- קידום מותאם סיכונים: תומכת בקבלת החלטות באמצעות אפיון עמידותם של פתוגנים במאגרי מים.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
ממקם את מידול ההישרדות הסביבתית בין שלב תיקוף המטרה לבין זיהוי המולקולה המובילה (lead identification), ובכך מאפשר בדיקה של השערות בנוגע למנגנוני פתוגנזה.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בהבהרת מסלולים על ידי קישור תנודות ברכיבי תזונה, בטמפרטורה ובמליחות לרשתות בקרה גנטיות.
- סריקה: מתאר את מוכנות הבדיקה באמצעות סימולציה סטנדרטית של סביבות מימיות וחשיפה לגורמי עקה.
- אנליטיקה: מדגיש את תוצרי ביטוי הגנום השלם ואת ניתוחי הרשת המאפשרים השוואה בין תנאים.
- מחקר תרגומי: מקשר להמשכיות פרה-קלינית באמצעות כימות מרכיבי ביופילם בסביבות טבעיות.
- שימוש חוזר ארגוני: מציג ערכות כלים גנומיות וסביבתיות כפלטפורמות הניתנות לשימוש חוזר לחקר פתוגנים פקולטטיביים אחרים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון חיזוי בתיקוף מטרה באמצעות תובנה מכניסטית לגבי עמידות סביבתית.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה ויכולת הרחבה (scalability) של מודלים לסימולציה סביבתית במערכות פתוגנים שונות.
- ערך אסטרטגי: קבלת החלטות משופרת לגבי המשך או הפסקת פיתוח (go/no-go) על ידי הפחתת סיכונים של מטרות בהתבסס על נתוני הישרדות סביבתית.
- השפעה על הפורטפוליו: תיעוד עדיפויות של מטרות אנטי-וירולנטיות בהתאמה לסיכון, תוך שימוש במודלים רלוונטיים להעברה.
שיקולי יישום
- דרושה מומחיות באקולוגיה של מיקרואורגניזמים, גנומיקה ומיקרוביולוגיה סביבתית.
- הצורך בציוד כולל תאי סביבה מבוקרת, פלטפורמות של מערכי מיקרו (microarray) ומנתחי ביופילם.
- סטנדרטיזציה בין צוותים מחייבת פרוטוקולים משותפים להחלת גורמי עקה ולכימות הישרדות.
- שיקולי התאמה בין מערכות מודל כוללים תיקוף של הרלוונטיות הסביבתית של ממצאים מעבדתיים.
- מגבלות מעשיות כוללות אתגרים בגידול של קהילות מיקרוביאליות טבעיות ובאישור ביטוי גנים in situ.
