חוקרים פיתחו חיידקים שניזונים מפחמן דו חמצני בלבד להצלת כדור הארץ

המדענים יצרו חיידקים שניזונים מפחמן דו-חמצני בלבד ובונים את מאסת גופם גופם מפחמן מהאוויר לסייע להפחתת גזי החממה

חוקרים ממעבדתו של פרופסור רון מילוא ממכון ויצמן בצוותא עם ד”ר שמואל גלייזר פיתחו חיידקים שניזונים מפחמן דו חמצני בלבד להצלת כדור הארץ החיידקים. החיידקים נגמלו לגמרי מסוכר, והם ניזונים כעת מפחמן דו-חמצני בלבד שאותו הם מקבלים מסביבתם. כלומר המדענים יצרו חיידקים ש”חיים מהאוויר” בלבד ובונים את כל הביומסה שלהם, את כל גופם, רק מפחמן שמקורו באטמוספירה. תהליך ממושך זה הוא תוצאה של עשור של  הנדסה גנטית וגרסה מואצת של “אבולוציה במעבדה” הישג זה פותח צוהר לאפשרויות מגוונות לפיתוח טכנולוגיות חדשות וירוקות שיסייעו בהפחתת הצטברות גזי החממה באטמוספירה ובמאבק בהתחממות הגלובלית.

ומדוע ישנה חשיבות כה רבה לפיתוח זה ולפיתוחים מעין אלה? החיים בעולמנו מבוססים על מחזורי “קיבוע פחמן” המתרחשים בעזרת פוטוסינתזה: יכולתם של צמחים, אצות וחיידקים מסוימים “לשאוב” מהסביבה פחמן דו-חמצני ולהמירו בעזרת אנרגיית השמש – לסוכרים המשמשים חומר מוצא הכרחי לתהליכי החיים. יצורים חיים אלה נמצאים בתחתית מארג המזון, והם מכונים יצורים אוטוטרופיים או יצרנים. במעלה מארג המזון, מצויים יצורים שפועלים בכיוון ההפוך: הם צורכים סוכרים (שמפיקים היצרנים) ו”בתמורה”, משחררים לסביבה פחמן דו-חמצני. יצורים אלה קרויים יצורים “הטרוטרופיים” או “צרכנים” והם כוללים חיידקים רבים, פטריות, בעלי-חיים ובהם בני-האדם. אך האם אפשר “לתכנת מחדש” יצור שמצוי במעלה מארג המזון, צורך סוכרים ומשחרר פחמן דו-חמצני, כך שישתמש בפחמן דו-חמצני מהסביבה וייצר סוכרים הנחוצים לו לבניית גופו? זה בדיוק האתגר שעמו ביקשה להתמודד קבוצת המחקר של פרופ’ מילוא במחלקה למדעי הצמח והסביבה.

vחיידקים ניזונים מפחמן דו-חמצני בלבד ובונים את כל הביומסה של גופם מפחמן שמקורו באוויר. אילוסטרציה באדיבות מכון ויצמן למדע.
vחיידקים ניזונים מפחמן דו-חמצני בלבד ובונים את כל הביומסה של גופם מפחמן שמקורו באוויר. אילוסטרציה באדיבות מכון ויצמן למדע.

מדעני מכון ויצמן בהובלת ד”ר שמואל גלייזר, ניסו להחיל את ה”אתגר ללא סוכר” על חיידקי אי קולי. המדענים מיפו בשלב ראשון את הגנים הנחוצים לתהליך קיבוע הפחמן וצירפו כמה מהם לגנום של החיידקים במעבדתם. מעבר לכך על מנת  להחליף את תפקיד אנרגיית השמש בתהליך פוטוסינתזה, החוקרים החדירו לחיידקים גן שמאפשר להם לקבל אנרגיה מחומר זמין המכונה פורמאט.

ציוד החיידקים ב”אמצעי ייצור” אלה לא הספיק כדי לגרום להם לשנות את התזונה שלהם והחוקרים נדרשו לפעול בדרך נוספת על מנת לגרום להם לפעול אחרת. בצוותא עם רועי בן-ניסן, ינון בר-און ותלמידי מחקר נוספים, השתמש ד”ר גלייזר בתהליכי “אבולוציה במעבדה” בכדי לגמול את החיידקים בהדרגה מסוכר. בכל שלב בתהליך, חיידקים בתרבית קיבלו סוכר בכמות הולכת ופוחתת, אך בכמות שהספיקה לכך שלא יגוועו ברעב, וזכו במקביל בשפע של פחמן דו-חמצני ופורמאט. צאצאי החיידקים שהצליחו להיגמל בהדרגה מהתלות בסוכר (מה שהעניק להם יתרון אבולוציוני על פני חיידקים שדבקו בסוכר), קיבלו פחות ופחות סוכר, עד שאחרי שישה חודשי הסתגלות למשטר התזונה החדש, עברו חלק מהחדייקים מהפך תזונתי השלם, כשהם חיים ומתרבים בסביבה שבה מקור המזון היחיד הוא פחמן דו-חמצני.

על מנת לבדוק אם החיידקים לא צרכו חומרי הזנה אחרים, הזינו החוקרים חלק מחיידקי הקולי שעברו התפתחות אבולוציונית בפחמן דו-חמצני שהכיל איזוטופ כבד – C13. חלקי הגוף החיידקיים נשקלו, והמשקל שהעלו הושווה עם המאסה שהייתה מיתוספת מאכילת גרסת הפחמן הכבדה. הממצאים הוכיחו שאטומי הפחמן בגופם של החיידקים הופקו כולם ישירות מפחמן דו-חמצני בלבד.

בשלב זה ריצפו המדענים את הגנום של החיידקים שנגמלו מסוכר, על מנת לזהות את המוטציות שהביאו לשינויים בהרגלי התזונה. במפתיע, המדענים מצאו שינויים גנטיים מועטים יחסית  – כמה שינויים הקשורים בסנכרון תהליך קיבוע הפחמן, כמה שינויים הקשורים בהסדרת רמות ההתבטאות של גנים, ומספר שינויים שתפקידם טרם הוברר למדענים. “אנו מקווים שמחקר המשך יגלה כיצד בדיוק התאימו הגנים הללו את פעילותם”, אומר ד”ר גלייזר.

vחיידקים ניזונים מפחמן דו-חמצני בלבד ובונים את כל הביומסה של גופם מפחמן שמקורו באוויר. אילוסטרציה באדיבות מכון ויצמן למדע.
vחיידקים ניזונים מפחמן דו-חמצני בלבד ובונים את כל הביומסה של גופם מפחמן שמקורו באוויר. אילוסטרציה באדיבות מכון ויצמן למדע.

החוקרים מאמינים שההרגלים ה”בריאים” של חיידקים אלה עשויים להתגלות כבריאים בעיקר עבור כדור-הארץ. כך למשל חברות ביוטק שמשתמשות כיום בתרביות תאים של שמרים או חיידקים כדי לייצר כימיקלים תעשייתיים, יוכלו לייצר בתאים חומרים אלו באמצעות פחמן דו-חמצני, במקום באמצעות כמות גדולה של סירופ תירס שממנו הם ניזונים כיום. עם זאת, חשוב לשים לב שבשלב זה החיידקים מקבלים את האנרגיה שלהם מפורמאט – מקור אנרגיה שאינו מתחדש. בהמשך, מתכננים המדענים  להשלים את המהלך האבולוציוני ו”ללמד” חיידקים לקבל את האנרגיה שלה הם זקוקים לצורך קיבוע הפחמן, ממקורות אנרגיה מתחדשים. בתרחיש שכזה, החיידקים ייצרו דלק פחמני מתחדש שיהיה נייטרלי מבחינת פליטות הפחמן לאטמוספירה, שכן מקור הפחמן שלו יהיה הפחמן הדו-חמצני שבאוויר. ממצאי המחקר ראו אורבכתב-העת המדעי Cell.

פרופ’ מילוא מסכם: “המעבדה שלנו הייתה הראשונה לעסוק ברעיון של שינוי משטר התזונה של הטרוטרוף – אורגניזם שניזון מחומרים אורגניים – והמרתו לאוטוטרופ – אורגניזם ש’חי מהאוויר’. זה נשמע בלתי-אפשרי בהתחלה, אך למדנו הרבה מאוד לאורך הדרך, ובסופו של דבר, הראינו שזה בר-ביצוע. הממצאים שלנו מהווים ציון דרך משמעותי בדרך ליעד שלנו – יישומים מדעיים יעילים וירוקים”.