בעולם הביולוגיה, טרנספורמציה היא תופעה שבה חיידקים מקבלים תכונות חדשות לאחר שהם נחשפים לחומר תורשתי של חיידקים אחרים. תופעה זו הוגדרה על ידי המדען פרדריק גריפית', שמחקרו ביסס את ההבנה שחומר תורשתי הוא אכן חומר ממשי. לאחר מכן, מדען בשם אוסוואלד אייברי פרסם מאמר שבו הוא ושותפיו קבעו ש-DNA הוא החומר האוצר בתוכו את תכונות היצורים החיים.

אם תשאלו ביולוגים כיצד הם ינסו להבין איך רדיו עובד, סביר להניח שתשובתם תהיה שהם יסירו בכל פעם חלק אחר ויראו את מה זה מקלקל. גישה זו מלווה את החקר הביולוגי זה מכבר.

בפוסט קודם [1] סיפרנו לכם על הניסוי של פרדריק גריפית', שהציג את האפשרות שתכונות של יצורים חיים אצורות בחומר כלשהו המרכיב אותם.

בקצרה, בשנת 1928 עבד גריפית' עם שני סוגי חיידקים מאותו מין, Streptococcus pneumoniae. סוג אחד, S (מהמילה Smooth – גדל בתרבית בצורה של מושבות חלקות ומבריקות) הוא סוג מסוכן, שגורם למחלה ומוות בעכברים. הסוג השני, R (מהמילה Rough – גדל בתרבית בצורה של מושבות מכווצות ולא מבריקות), אינו מסוכן ואינו גורם למוות בעכברים.

גריפית' הראה שהזרקה של תערובת תאי S שהומתו בחימום יחד עם תאי R חיים לעכבר גורמת למותו, וכי ניתן לבודד מתוכו תאי S חיים. גריפית' כינה את השינוי של תאי R הלא מסוכנים לתאי S מחוללי מחלה 'טרנספורמציה', תופעה שבה חיידקים מקבלים תכונות מחיידקים אחרים על ידי חשיפה לחומר תורשתי הקיים בחיידקים המומתים.

באותם ימים נחשבו תוצאות הניסוי שלו מרחיקות לכת, אך שאלה משמעותית נותרה בעינה – מהו החומר הקסום האוצר את תכונותיהם של יצורים חיים?

בתקופתו של גריפית' סברו המדענים שחומר תורשתי אצור בחלבון. הנחה זאת הייתה מקובלת בשל ההתפתחות הביוכימיה, שחקרה בעיקר פעילות של אנזימים וחלבונים. הנוכחות הגבוהה של חלבון ביצור החי ומגוון הפעילויות השונות שיש לחלבונים, הובילו להבנה (לא מדויקת) שלחלבונים יש תפקיד בהעברת תכונות. נוכחותם של חומרים נוספים כמו DNA ו-RNA (חומצות גרעין) הייתה ידועה, אך תפקידם לא אופיין, ולכן חשבו כי חומרים אלו קיימים בתא מבלי שיש להם חשיבות  לתפקודו.

זאת עד שבשנת 1944 פרסמו אוסוואלד אייברי (Oswald Avery) [2], קולין מקלאוד (Colin MacLeod) ומקלין מקארטי (Maclyn McCarty) מאמר [3] שקידם את ההבנה לגבי טבעו של החומר התורשתי. כדי לענות על השאלה מהו החומר האחראי לתהליך הטרנספורמציה, החליט אייברי להוסיף שלב מקדים לניסוי המקורי של גריפית', שבו סילק חומר ביולוגי מסוים מן המרק של תאי S המחוממים לפני שהפגיש אותו עם תאי R. אייברי בדק אם נוכחותו של כל אחד משלושת המרכיבים העיקריים בתא – חלבונים, RNA ו-DNA – יכולה להשפיע על הפיכת תאי R לתאי S.
ניתן לפרק את החומרים האלו באמצעות אנזימים בעלי פעילות ספציפית: פרוטאז (Protease) מפרק חלבון, RNase מפרק RNA ו-DNase מפרק DNA.

אוסוולד אייבר. מקור: https://www.britannica.com/biography/Oswald-Avery

ההיפותזה של אייברי הייתה שללא החומר המכיל את תכונות חיידקי S, ערבוב בין מרק תאי S מומתים ותאי R חיים לא יגרום לטרנספורמציה (הפיכה מ-R ל-S).
לאחר שפירק בכל פעם חומר ביולוגי אחר, ערבב אייברי את המרק החדש עם תאי R חיים וזרע אותם על צלחת. נזכיר שהשאלה היא מהו המרכיב האחראי לטרנספורמציה, או במילים אחרות – בהיעדרו של איזה חומר לא יגדלו תאי S.

במבחנה שנוספו אליה אנזימים המפרקים RNA תאי R הפכו לתאי S, ופירוש הדבר ש-RNA אינו החומר האחראי לתהליך. להבנתם של החוקרים באותה תקופה, תוצאה זו הייתה לא הייתה מפתיעה במיוחד. מאוחר יותר גילו ש-RNA אחראי ליצירת החלבונים בתא, לכן ללא RNA תא אינו יכול להתקיים.
במבחנה שלה הוסיף אנזימים המפרקים חלבון, תאי R הפכו לתאי S ללא בעיה, מה שמלמד כי גם החלבונים אינם הכרחיים לתהליך! תוצאה זו הייתה מפתיעה למדי, בשל חשיבותם של החלבונים בתא. גם כיום ידוע שחלבונים הכרחיים לחיי היצור, ואפילו נגיפים (וירוסים), שאינם מתרבים לבד, זקוקים לפעילות של חלבונים בתא המודבק כדי לשכפל את עצמם. אך לפי תוצאותיו של אייברי, אין לחלבונים תפקיד בהפיכת תאי R לתאי S.

לכאורה מדובר במצב לא הגיוני: חלבונים הם ביומולקולות גדולות, שממלאות תפקידים חשובים מאוד בתא, כגון זירוז תהליכים כימיים, יצירת אנרגיה, ניצול אנרגיה והובלת חומרים אל תוך התא ומן התא החוצה. איך ייתכן שמרכיב כה חשוב לחיי היצור אינו מכיל את החומר שמקיים את תכונותיו?

בדיעבד, פעולת החימום לא רק ממיתה את החיידק, אלא גם פוגעת ברמה המולקולרית בפעילות  של חלבונים. פעולה זו עצמה יכלה לרמוז שלחלבונים אין מעורבות משמעותית בתהליך הטרנספורמציה.

התשובה לשאלה הייתה מהולה במבחנה האחרונה, שלה נוספו אנזימים המפרקים DNA. ממבחנה זו לא גדלו תאי S כלל, מה שהוביל למסקנה ש-DNA הוא החומר האוצר בתוכו את תכונותיו של היצור החי. כמו RNA וחלבונים, DNA הוא חומר שבלעדיו תא אינו יכול להתקיים. אך בניגוד ל-RNA ולחלבונים, ללא DNA תכונות אינן יכולות לעבור מיצור אחד לאחר.

הצעתו של אייברי, כמו כל תגלית מרחיקת לכת במדע, לא התקבלה בזרועות פתוחות בקרב הקהילה המדעית, בשל הקיבעון המחשבתי באשר לחשיבותם של החלבונים. עד אז DNA נחשב לחומר שפשוט קיים בתא ללא חשיבות מעשית. הניסוי של אייברי הציע לראשונה של-DNA תפקיד חשוב ביותר: הוא החומר המכיל את המידע התורשתי ביצורים חיים.

גם כיום, מחקר ביולוגי משתמש בשיטה של הוצאת מרכיבים ספציפיים ממערכת כדי לראות אם היא משתנה, ובאיזה אופן. בעבודתו של אייברי נעשתה המניפולציה על מרכיבים משמעותיים בתא, ואילו כיום ניתן להסיר גן בודד או ליצור מוטציה שתשבש פעילות של חלבון אחד בלבד. אך על אף ההבדל הטכנולוגי והדיוק שבו אנו יכולים לשנות מערכת ביולוגית, לרוב נתבסס על אותן גישות מחשבתיות שהובילו את אייברי ושותפיו ב-1944 לגלות ממה עשוי ספר ההוראות ליצירת יצור חי.

עריכה: סמדר רבן

מקורת והרחבות

[1] מחומר לתכונה – פוסט במדע גדול, בקטנה

[2] אוסוולד אייברי

[3] המאמר המקורי של אייברי, מקלין ומקארטי