וִידֵאוֹ: כיצד משתמשים בתאים בתגובות ביוכימיות אקראיות
2023 מְחַבֵּר: Peter Bradberry | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-05-21 22:33
מחקרים חדשים חושפים כיצד תאים מנצלים אקראיות ביוכימית.
כשם שתאומים זהים שגדלו באותו בית גדלים לעיתים קרובות להיות שונים, תאים זהים שגדלים באותה סביבה מראים לעתים קרובות מאפיינים מובחנים. הבדלים אלה הם תוצאה של תנודות אקראיות בתגובות ביוכימיות. ביולוגים חשבו תמיד על סתרים ביוכימיים כאלה כהתחייבויות, אך מחקרים אחרונים מצביעים על כך שתאים וחיידקים משתמשים לעתים באקראיות זו לטובתם.
מערכות קטנות כמו תאים רגישות מטבען להשפעות אקראיות המדענים מכנים סטוכסטיות - או רעש - מכיוון שהן מכילות רק כמה עותקים פעילים של חלבונים בודדים או חומצות גרעין. תנודות קלות ברמות של כמה מרכיבים תאיים, למשל, משפיעות על האם גן מסוים נדלק ויוצר חלבון. נראה שרעש כזה מעיד על כך שהיבטים מסוימים בגורל התאים נותרים במקרה. היעדר השליטה מכריח את התאים לפתח תוכניות גיבוי, כמו מסלולים ביוכימיים מיותרים.
עד לאחרונה, מדענים התקשו ללמוד את התופעה, מכיוון שכדי לעשות זאת נדרש יכולת לדמיין תאים ומולקולות בודדים; ממוצע התנהגותן של קבוצות תאים מבטל את השפעות הרעש, כמו שהבד שנצפה מרחוק נראה מושלם. בעשור האחרון, לעומת זאת, קומץ כלים חדשים, כולל סמנים פלואורסצנטיים הנקשרים למולקולות ונדלקות תחת מיקרוסקופים, העניקו למדענים את היכולת לראות רעש בפעולה. מה שחוקרים מגלים הוא מפתיע: נראה שלפעמים תאים משתמשים ברעש כדי לעזור להם לשרוד בסביבות משתנות ולקבל החלטות במהלך הפיתוח. "בדרך כלל, יצורים חיים צריכים להתמודד עם רעש, אבל לפעמים הם מנצלים אותו", אומר ריצ'רד לוסיק, ביולוג מאוניברסיטת הרווארד, שבחודש אפריל היה שותף לכתיבת מאמר בנושא סטוכסטיות במדע.
למשל, חמישית מהחיידקים במושבות Bacillus subtilis חיים במדינה מיוחדת הנקראת כשירות, בה הם מפסיקים לגדול ומשלבים DNA מהסביבה בגנום שלהם. האם תא נכנס למצב זה נקבע מבחינה סטוכסטית, ולמרות תאיו הכשירים בעלויות אינם צומחים וחלוקת כשירות נחשבת כיתרון אבולוציוני בכך שהוא מאפשר למושבה להרחיב את ארגז הכלים הגנטי שלה. תאים מוכשרים הם ככל הנראה "בחיפוש אחר רצפים גנטיים חדשים שיכולים לשפר את כשירותם לנסיבות משתנות בעתיד", מעיר לוסיק.
אורגניזמים מורכבים יותר משתמשים גם ברעש לטובתם. העין של זבוב הפירות המצוי, דרוזופילה מלנוגסטר, כוללת יחידות קטנות יותר, שכל אחת מהן מורכבת משמונה תאים. כאשר כל תא מתפתח, הוא מבצע בחירה הנקבעת על ידי קיומו או היעדרו של חלבון מווסת. חלבון זה הופך פעיל רק בתת-קבוצה אקראית של התאים, והתרחשותו קובעת האם התא יגיב לגוון מסוים של אור אולטרה סגול. ביטוי אקראי של חלבון מווסת זה מבטיח כי שני סוגי התאים מחולקים על פני העין במקרה כדי למנוע דפוסים חוזרים שיכולים להגביל את הראייה הכוללת של הזבוב. למרות שהתאים "נמצאים בסביבה זהה וכולם מקורם באב קדמון זהה, הם רוכשים פנוטיפים שונים", או תכונות פיזיות, אומר מדס קרן, ביולוג מערכות באוניברסיטת אוטווה.
למרות שרעש ממלא תפקיד חשוב בגורל התא, נותר ללמוד הרבה על מקורות הרעש הזה ובמידה שהוא משפיע על תאים ואורגניזמים אחרים, כולל בני אדם. "אנו מכירים כמה [מנגנונים], אך ישנן עדויות רבות לכך שיש עוד המון", מציין אדו קוסל, ביופיזיקאי מאוניברסיטת ניו יורק. משימה קשה נוספת תהיה פענוח הרלוונטיות הביולוגית שלהם. למשל, ספקולציות מדוע חיידקים הופכים להיות מוכשרים היא קלה, אך להוכיח שספקולציות כמעט בלתי אפשריות. "האם אנו יכולים למצוא דרך להוכיח שמנגנון סטוכסטי מסוים באמת הותאם לאבולוציה? איך נדגים זאת באופן סופי? " שואל קוסל.
כאשר המדענים מתמקדים בהתנהגותם של תאים ומולקולות בודדים, מתעוררת גם בעיה נוספת: קשה להבחין בתהליכים מבלי להשפיע עליהם. "עלינו לעשות משהו עם התא על מנת לנתח אותו, ואנחנו לא באמת יודעים כיצד המניפולציות האלה משפיעות עליו", אומר קארן.
הבנת רעש תכלול אפוא התגברות על מספר מכשולים טכנולוגיים, אך איש אינו מטיל ספק בכך שהעשייה שווה לבצע אותה. לרעש עשויות להיות השלכות חשובות על תחומים רבים, כולל רפואה: אם תאים וחיידקים מקבלים מספר החלטותיהם בצורה סטוכסטית, ייתכן שמדענים יצטרכו להבין רעש כדי לפתח אנטיביוטיקה חדשה ולייעל טיפולים מבוססי תאים כגון טיפול בתאי גזע. "עלינו להבין כיצד פועל רעש בהקשר רשת; איך זה משמש אורגניזמים, "אומר קארן. "זה תחום מאוד מרגש אבל לפעמים קצת מביך.".