תכנית תכנון להנדסה גנטית של אלמוגים סופר

לוקח שונית אלמוגים לבנות אלפי שנים, ובכל זאת יכול להיעלם ברגע.

תוכן קשור

• אלמוגי מים עמוקים זוהרים מחייהם
• אירוע ההלבנה האחרון עשוי להסתיים, אבל שוניות עדיין בסכנה

האשם בדרך כלל הוא הלבנת אלמוגים, מחלה שמחריפה על ידי מים מחממים שמאיימים כיום על שוניות ברחבי העולם. אירוע ההלבנה הגרוע ביותר שנרשם פגע בדרום האוקיאנוס השקט בין השנים 2014-2016, אז עלתה טמפרטורת האוקיאנוס ואחריה זרם פתאומי של מי אל ניניו החמים טראומת את שונית המחסום הגדולה. בעונה אחת בלבד ההלבנה גברה כמעט רבע מהמערכת האקולוגית העצומה, שפשטה פעם כמעט 150, 000 מיילים דרך ים האלמוגים.

"נורא כמו שהיה, אירוע ההלבנה הזה היה קריאת השכמה", אומרת רחל לוין, ביולוגית מולקולרית שהציעה לאחרונה טכניקה נועזת להצלת מערכות אקולוגיות מרכזיות אלה. הרעיון שלה, שפורסם בכתב העת Frontiers in Microbiology, הוא פשוט: במקום למצוא סימביונים בריאים שיוכלו לשוב ולהביא לאלמוגים מולבנים בטבע, הנדס אותם במעבדה במקום. בהתחשב בכך שהדבר ידרוש התעסקות בטבע בצורה משמעותית, ההצעה עשויה לעורר מים שנוי במחלוקת.

אולם לוין טוען שעם הזמן שנגמר שוניות ברחבי העולם, הערך הפוטנציאלי יכול בהחלט להיות שווה את הסיכון.

לוין למד פרמקולוגיה של סרטן כתואר ראשון, אך הוקסם מהאיומים העומדים בפני חיים מימיים תוך כדי התעמקות בקורסי מדעי הים. היא נדהמה מהעובדה שבניגוד למחקר על מחלות אנושיות, היו הרבה פחות חוקרים שנלחמו להשבת בריאות האוקיאנוס. לאחר שסיימה את לימודיה, עברה מקליפורניה לסידני באוסטרליה כדי להמשיך לדוקטורט. במרכז לחדשנות ביו-ימית באוניברסיטת ניו דרום ויילס, בתקווה ליישם את המומחיות שלה במחקר מחלות אנוש על אלמוגים.

ברפואה נדרש החוקרים לעתים קרובות לאיום של מחלה קשה כדי לנסות טיפול חדש ושנוי במחלוקת (כלומר, מיזוג של שתי ביצים בריאות של נשים עם זרע של גבר אחד כדי ליצור "תינוק בן שלוש הורים"). כך גם במדעי הסביבה - במידה מסוימת. "כמו מחלה נוראה [אצל] בני אדם, כאשר אנשים מבינים עד כמה המצב קשה הופך לחוקרים לנסות להציע הרבה יותר, " אומר לוין. בכל הנוגע לשמירת הסביבה, ישנם פחות תומכים המוכנים ליישם טכניקות מסוכנות ופורצות דרך.

כשמדובר בשוניות - אזורים ימיים חשובים המכילים כמות מדהימה של מגוון כמו גם מגנים על המוני היבשה מפני נחשולי סערה, שיטפונות ושחיקה - היסוס יכול להיות קטלני.

הלבנת אלמוגים מוצגת לרוב כמוות של אלמוגים, שהוא קצת מטעה. למעשה, זו התמוטטות האיחוד הסימביוטי שמאפשר לאלמוג לשגשג. חיית האלמוגים עצמה דומה לפיתוח בניינים אשר בונה פיגומים של מתחם דירות רב קומות. היזם שוכר את כל אחד ממיליארדי החדרים למיקרובים חד-תאיים פוטו- סינתטיים בשם סימביודיניום.

אך במקרה זה, בתמורה למקום בטוח לחיות בו, סימביודיניום מייצרת מזון לאלמוגים באמצעות פוטוסינתזה. אלמוגים מולבנים, לעומת זאת, הם כמו מבנה שומם. בלי דיירים להכין את ארוחותיהם, האלמוגים מתים בסופו של דבר.

למרות שהלבנה יכולה להיות קטלנית, היא למעשה אסטרטגיה אבולוציונית חכמה של האלמוגים. הסימביודיניום צפוי לשמור על סיום ההסכם . אבל כשהמים מתחממים מדי, הם מפסיקים לבצע פוטוסינתזה. כאשר האוכל הזה נדיר, האלמוגים שולחים הודעת פינוי. "זה כמו שיהיה לך דייר רע - אתה תיפטר ממה שיש לך ותראה אם ​​אתה יכול למצוא טוב יותר, " אומר לוין.

אך ככל שהאוקיינוסים ממשיכים להתחמם, קשה יותר ויותר למצוא דיירים טובים. זה אומר שפינוי יכול להיות מסוכן. באוקיינוס ​​מתחמם, חיית האלמוגים עשויה למות לפני שתוכל למצוא שוכרים טובים יותר - תרחיש שהפחית את המערכות האקולוגיות של השונית סביב כדור הארץ.

לוין רצה לפתור את הבעיה הזו, על ידי יצירת מתכון פשוט לבניית סופר-סימביונט שיכול לאכלס מחדש את האלמוגים המלבינים ולעזור להם להתמיד באמצעות שינויי אקלים - בעיקרם, הדיירים המושלמים. אבל היא הייתה צריכה להתחיל בקטן. באותה תקופה, "היו כל כך הרבה חורים ופערים שמנעו מאיתנו להמשיך קדימה, " היא אומרת. "כל מה שרציתי לעשות היה להראות שאנחנו יכולים להנדס גנטית [ סימביודיניום ]."

אפילו זה יתגלה כסדר גבוה. האתגר הראשון היה שלמרות היותו אורגניזם חד-תאי, לסימביודיניום יש גנום לא נעים . בדרך כלל אורגניזמים סימביוטיים יש גנום יעיל, מכיוון שהם מסתמכים על מארחיהם לרוב צרכיהם. עם זאת, בעוד שלמינים אחרים יש גנום של בערך 2 מיליון זוגות בסיס, הגנום של סימביודיניום גדול משלושה סדרי גודל.

"הם הומאניים, " אומר לוין. למעשה, הגנום האנושי כולו גדול רק מעט פי 3 מזה של סימביודיניום .

אפילו לאחר שההתקדמות ברצף ה- DNA איפשרה את פיענוח הגנום האפשרי, למדעים עדיין לא היה מושג למה מיועד 80 אחוז מהגנים. "היינו צריכים לעקוב אחר חלק אחר הגנים שעושים את מה שבאורגניזם הזה", אומר לוין. חבר בקבוצת פיטופלנקטונים בשם דינופלגלטים, סימביודיניום הם מגוונים להפליא. לוין הפנתה את תשומת לבה לשני זני מפתח Symbiodinium שהיא יכולה לגדול במעבדה שלה.

הזן הראשון, כמו רוב סימביודיניום, היה פגיע לטמפרטורות הגבוהות הגורמות להלבנת אלמוגים. הגבה את חיוג החום כמה חריצים, והקריטר הזה היה כוסית. אבל הזן האחר, שהיה מבודד מהאלמוגים הנדירים שחיים בסביבות החמות ביותר, נראה אטום לחום. אם היא הייתה יכולה להבין כיצד שני הזנים הללו הפעילו את הגנים שלהם בתנאי הלבנה, היא עשויה למצוא את המפתחות הגנטיים להנדסת זן-על חדש.

כאשר לוין הגביר את החום, היא ראתה שהסימביודיניום הארדי הקשיח הסלים את ייצורו של נוגדי חמצון וחלבוני הלם חום, המסייעים בתיקון נזקים סלולריים שנגרמו כתוצאה מחום. באופן לא מפתיע, סימביודיניום הרגיל לא עשה זאת. לאחר מכן הפנתה לוין את תשומת לבה לפענח דרך להכניס עותקים נוספים של הגנים המכריעים את החום הסובלני לסימביודיניום החלשה יותר, ובכך ליצור זן המותאם לחיות עם אלמוגים מאזורים ממוזגים - אך עם הכלים לשרוד אוקיינוסים מחממים.

הכנת DNA חדש לתא דינופלגאט אינה משימה קלה. בעודם זעירים, תאים אלה מוגנים על ידי לוחות משוריינים, שני ממברנות תאים ודופן תא. "אתה יכול לעבור אם אתה דוחף מספיק חזק", אומר לוין. אבל שוב, אתה עלול בסופו של דבר להרוג את התאים. אז לוין ביקש עזרה ממשתף פעולה לא סביר: וירוס. אחרי הכל, וירוסים "התפתחו כדי שיוכלו להכניס את הגנים שלהם לגנום של המארח שלהם - ככה הם שורדים ומתרבים", היא אומרת.

לוין בודד וירוס שהדביק את סימביודיניום, ושינה אותו במולקולרית כך שהוא כבר לא הרג את התאים. במקום זאת, היא הנדסה שהיא מערכת אספקה ​​שפירה לאותם גנים סובלני חום. במאמרה טוענת לוין כי עומס הנגיף יכול להשתמש ב- CRISPR, טכניקת עריכת הגנים הפורצת הדרך הנשענת על תהליך טבעי המשמש את החיידקים, כדי לחתוך ולהדביק את הגנים הנוספים הללו לאזור בגנום של סימביודיניום, שם הם יהיו מאוד הביע.

זה נשמע די ברור. אבל התעסקות עם מערכת אקולוגית חיה אינה דבר פשוט, אומר דסטין קמפ, פרופסור לביולוגיה באוניברסיטת אלבמה בבירמינגהם, החוקר את ההשפעות האקולוגיות של שינויי אקלים על שוניות האלמוגים. "אני מאוד בעד הפתרונות האלה לשמר ולעזור גנטית", אומר קמפ. אבל "בנייה מחדש של שוניות שלקח אלפי שנים להיווצר הולכת להיות משימה מפחידה מאוד."

בהתחשב במגוון המדהים של זני סימביודיניום שחיים בתוך מין אלמוגים אחד בלבד, אפילו אם הייתה מערכת חזקה לשינוי גנטי, קמפ תוהה אם אי פעם ניתן יהיה להנדס מספיק סימביודיניום סופר-סופר שונה כדי לשחזר את הגיוון הזה. "אם אתה מנקה יער גידול ישן ואז יוצא לנטוע כמה עצי אורן, האם זה באמת מציל או בונה מחדש את היער?", שואל קמפ, שלא היה מעורב במחקר.

אבל קמפ מסכים ששוניות מתות בקצב מדאיג, מהר מכדי שההתפתחות הטבעית של סימביודיניום תמשיך לעמוד. "אם האלמוגים היו מתפתחים במהירות להתמודד עם [מים מחממים], היית חושב שהיינו רואים את זה עד עכשיו, " הוא אומר.

תומאס מוק, מיקרוביולוג ימי ב אוניברסיטת מזרח אנגליה בבריטניה וחלוץ שינוי גנטית של פיטופלנקטון, מציין גם כי ביולוגיה של דינופלגה עדיין אפופה במידה רבה במסתורין. "מבחינתי זה מתעסק", הוא אומר. "אבל ככה זה מתחיל בדרך כלל. טיעון פרובוקטיבי הוא תמיד טוב - זה מאוד מאוד מאתגר, אבל בואו נתחיל איפשהו ונראה מה אנחנו יכולים להשיג. "לאחרונה, CSIRO, חטיבת המדע של ממשלת אוסטרליה, הודיעה שהיא תממן מעבדות להמשיך לחקור שינויים גנטיים בסימביוני אלמוגים.

כשמדובר בבריאות האדם - למשל, הגנה על בני אדם מפני מחלות הרסניות כמו מלריה או זיקה - מדענים היו מוכנים לנסות טכניקות דרסטיות יותר, כמו למשל שחרור יתושים שתוכנתו גנטית להעביר גנים קטלניים. השינויים הגנטיים הדרושים להצלת האלמוגים, טוען לוין, לא יהיו קיצוניים כמעט. היא מוסיפה כי נדרשת בדיקות מעבדה מבוקרות בהרבה לפני שניתן היה לשחרר את סימביודיניום המותאם גנטית לסביבה כדי לשוב ולהביא לאוכלוסיית שוניות אלמוגים גוססות.

"כשאנחנו מדברים 'מהונדסים גנטית', אנחנו לא משנים משמעותית את המינים האלה", היא אומרת. "אנחנו לא עושים דברים מאוד מוטנטים. כל מה שאנחנו מנסים לעשות זה לתת להם עותק נוסף של גן שהם כבר צריכים לעזור להם ... אנחנו לא מנסים להיות מדענים משוגעים. "