ביופילם הוא צבר חיידקים אשר מתאגדים 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.

פוסט אורח מאת ד"ר אלעד ארד, בשיתוף עמותת סיינס אברוד

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, הקרויים ביופילמים. צברים אלו נצמדים למשטחים, הן בגוף עצמו והן בסביבת החולה, והם חסינים במיוחד לטיפול אנטיביוטי. בנוסף לחיידקים, הביופילם מכיל גם חלבונים, סוכרים וחומצות גרעין, שעוזרים לחיידקים להשאר בצביר ומאפשרים להם להיות מוסתרים חלקית, לשגשג ולשרוד טוב יותר טיפול באנטיביוטיקה, מה שמאריך את משך המחלה. מחקר חדש מקבוצתו של פרופ' רז ילינק (Jelinek) במכון אילזה כץ 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 אלצהיימר 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 את 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 ליכולתו 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 בעלי מבנה דומה אך שונה במעט, אשר יקנה להם 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.

ד"ר אלעד ארד השלים את לימודיו באוניברסיטת בן גוריון בנגב – תואר ראשון בכימיה ובפילוסופיה ולימודי דוקטורט במחלקה לכימיה ובמכון אילזה כץ 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־4,500 חוקרים ישראלים ב־300 קמפוסים ברחבי העולם. הארגון מפעיל 30 מרכזים בצפון אמריקה, אירופה ואוסטרליה וחמישה 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 ולתעשייה כמנוע צמיחה לישראל.

עריכה: סמדר רבן

בתמונת הנושא: חיידקים (בסגול), סיבי חלבונים חיידקיים (בצבע נחושת) ומולקולות אנטיביוטיקה (בזהב). החלק הפעיל במולקולות אנטיביוטיקה מקבוצת הבטא-לקטם הוא הריבוע במרכז המולקולה (המכונה טבעת β-lactam). האיור באדיבות אוניברסיטת בן גוריון בנגב. גרפיקה: שחר מליון, סטודיו מליון.

מקורות והרחבות

[1] "עמידות בלתי אפשרית" – פוסט על עמידות חיידקים לאנטיביוטיקה

[2] המאמר המקורי שעליו מבוססת הכתבה

[3] פוסט על פיתוח תרופה לאלצהיימר

[4] מאמר סקירה על עמילואידים חיידקיים

[5] "תאים מהונדסים נגד חיידקים עמידים" – פוסט על עמידותו של סטפילוקוק זהוב לאנטיביוטיקה

[6] "ללמוד לקפל" – פוסט על המבנה המרחבי של חלבונים