אורגניזמים רבים מגיבים לריח של פתוגנים קטלניים על ידי הימנעות מהם באופן רפלקסיבי. אבל מחקר שנערך לאחרונה מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, מראה שהנמטודה סי elegans מגיב גם לריח של חיידקים פתוגניים על ידי הכנת תאי המעיים שלו לעמוד בהתקפה אפשרית.
כמו בבני אדם, המעיים של נמטודות הם מטרה נפוצה של חיידקים גורמי מחלות. הנמטודה מגיבה על ידי השמדת אברונים המכילים ברזל הנקראים מיטוכונדריה, המייצרים אנרגיה של התא, כדי להגן על יסוד קריטי זה מפני חיידקים גונבים ברזל. ברזל הוא זרז מפתח בתגובות אנזימטיות רבות בתאים -; בפרט, יצירת מטבע האנרגיה של הגוף, ATP (אדנוזין טריפופט).
הנוכחות ב סי elegans התגובה המגנה הזו לריחות המיוצרים על ידי חיידקים מרמזת שתאי המעיים של אורגניזמים אחרים, כולל יונקים, עשויים גם לשמור על היכולת להגיב בהגנה לריח של פתוגנים, אמר המחבר הבכיר של המחקר, אנדרו דילין, פרופסור למולקולאריות וברקלי באוניברסיטת קליפורניה. ביולוגיה של התא וחוקר במכון הרפואי הווארד יוז (HHMI).
האם יש באמת ריח של פתוגנים שאנחנו יכולים לקלוט ולעזור לנו להילחם בזיהום? ניסינו להראות את זה בעכברים. אם אנחנו באמת יכולים להבין שבני אדם מריחים פתוגן ובהמשך להגן על עצמם, אתה יכול לדמיין בהמשך הדרך משהו כמו בושם מגן על פתוגן."
אנדרו דילין, פרופסור באוניברסיטת ברקלי לביולוגיה מולקולרית ותאית וחוקר במכון הרפואי של הווארד יוז (HHMI)
אולם עד כה, יש רק עדויות לתגובה זו סי elegans. עם זאת, הממצא החדש הוא הפתעה, בהתחשב בכך שהנמטודה היא אחד האורגניזמים הנחקרים ביותר במעבדה. ביולוגים ספרו ועקבו אחר כל תא באורגניזם מהעובר ועד המוות.
"החידוש הוא זה סי elegans מתכונן לפתוגן עוד לפני שהוא פוגש את הפתוגן", אמר ג'וליאן דישארט, שקיבל לאחרונה את הדוקטורט שלו ב-UC ברקלי והוא המחבר הראשון של המחקר. "יש גם עדויות שכנראה יש הרבה יותר קורה ב בנוסף לתגובה המיטוכונדריאלית הזו, שאולי תהיה יותר תגובה חיסונית כללית רק על ידי הרחת ריחות חיידקים. מכיוון שריח הריח נשמר אצל בעלי חיים, מבחינת ויסות פיזיולוגיה ומטבוליזם, אני חושב שזה בהחלט אפשרי שהריח עושה משהו דומה ביונקים כמו שהוא עושה אצל סי elegans."
העבודה פורסמה ב-21 ביוני בכתב העת התקדמות המדע.
מיטוכונדריה מתקשרת זו עם זו
דילין הוא חלוץ במחקר כיצד מתח במערכת העצבים מעורר תגובות הגנה בתאים -; בפרט, הפעלה של חבילת גנים המייצבים חלבונים המיוצרים ברטיקולום האנדופלזמי. ההפעלה הזו, מה שנקרא תגובת חלבון נפרשת (UPR), היא "כמו ערכת עזרה ראשונה למיטוכונדריה", אמר.
המיטוכונדריה הן לא רק מוקדי הכוח של התא, שורפים חומרים מזינים לאנרגיה, אלא גם ממלאות תפקיד מפתח באיתות, מוות תאים וגדילה.
דילין הראה כי שגיאות ברשת UPR יכולות להוביל למחלות ולהזדקנות, וכי מתח מיטוכונדריאלי בתא אחד מועבר למיטוכונדריה של תאים בכל הגוף.
עם זאת, חלק מפתח אחד בפאזל היה חסר. אם מערכת העצבים יכולה לתקשר מתח דרך רשת של נוירונים לתאים שעושים את העבודה היומיומית של בניית חלבון ומטבוליזם, מה בסביבה מפעיל את מערכת העצבים?
"מערכת העצבים שלנו התפתחה לקלוט רמזים מהסביבה וליצור הומאוסטזיס עבור האורגניזם כולו", אמר דילין. "ג'וליאן למעשה הבין שנירוני ריח קולטים רמזים סביבתיים ואיזה סוגים של חומרי ריח מהפתוגנים מפעילים את התגובה הזו."
עבודה קודמת במעבדה של דילין הראתה את חשיבות הריח במטבוליזם של יונקים. כאשר עכברים נמנעים מריח, הוא גילה, הם עלו פחות במשקל בזמן שאכלו את אותה כמות מזון כמו עכברים רגילים. דילין ודישארט חושדים שריח המזון עלול לעורר תגובה הגנה, כמו התגובה לפתוגנים, על מנת להכין את המעיים להשפעות המזיקות של בליעת חומרים זרים והפיכת המזון הזה לדלק.
"הישרדות בזיהומים היה הדבר החשוב ביותר שעשינו מבחינה אבולוציונית", אמר דילין. "והדבר הכי מסוכן ומטלטל שאנחנו עושים כל יום הוא לאכול, כי פתוגנים הולכים להיות באוכל שלנו."
"כשאתה אוכל מזון, זה גם מלחיץ מאוד, כי הגוף מבצע חילוף חומרים במזון אבל גם מייצר ATP במיטוכונדריה מהחומרים התזונתיים שהם משלבים. והדור הזה של ATP גורם לתוצר לוואי הנקרא מיני חמצן תגובתי, אשר מזיק מאוד לתאים", אמר דישארט. "תאים צריכים להתמודד עם הקיום המוגבר הזה של מיני חמצן תגובתיים. אז אולי ריח של מזון יכול להכין אותנו להתמודד עם אותו עומס מיני חמצן תגובתי משופר."
דילין משער עוד שהרגישות של המיטוכונדריה לריח של חיידקים פתוגניים עשויה להיות נקודת אחיזה מתקופה שבה המיטוכונדריה היו חיידקים חיים חופשיים, לפני שהם שולבו בתאים אחרים כתחנות כוח והפכו לאאוקריוטים לפני כ-2 מיליארד שנה. אוקריוטים התפתחו בסופו של דבר לאורגניזמים רב-תאיים עם איברים מובחנים -; מה שנקרא מטאזואים, כמו חיות ובני אדם.
"ישנן ראיות רבות לכך שחיידקים חשים את הסביבה שלהם בדרך כלשהי, אם כי לא תמיד ברור כיצד הם עושים זאת. המיטוכונדריה הללו שמרו על היבט אחד של זה לאחר שהוכנסו למטאזואים", אמר.
בניסויים שלו עם סי elegans, Dishart גילה שריח של פתוגנים מפעיל תגובה מעכבת, שמשחררת אות לשאר הגוף. זה התברר כאשר הוא ביטל נוירוני ריח בתולעת וגילה שכל התאים ההיקפיים, אך בעיקר תאי המעי, הראו את תגובת הלחץ האופיינית למיטוכונדריה שנמצאות בסכנה. מחקר זה ואחרים גם הראו שסרוטונין הוא נוירוטרנסמיטר מרכזי המעביר מידע זה בכל הגוף.
דילין ועמיתיו למעבדה עוקבים אחר המעגלים העצביים המובילים מנוירוני ריח לתאים היקפיים ולנוירוטרנסמיטורים המעורבים בדרך. והוא מחפש תגובה דומה בעכברים.
"אני תמיד שונא את זה כשאני חולה. אני אומר, 'גוף, למה לא התכוננת לזה טוב יותר?' זה נראה ממש טיפשי שאתה מפעיל מנגנוני תגובה רק ברגע שאתה נדבק", אמר דילין. "אם יש מנגנוני גילוי מוקדם יותר כדי להגדיל את סיכויי ההישרדות שלנו, אני חושב שזה ניצחון אבולוציוני ענק. ואם נוכל לרתום את זה מבחינה ביו-רפואית, זה יהיה די פראי".
מחברי המאמר האחרים ב-UC Berkeley הם קורין פנדר, Koning Shen, Hanlin Zhang, מייגן לי ומדיסון ווב. העבודה נתמכת על ידי HHMI והמכונים הלאומיים לבריאות (R01ES021667, F32AG065381, K99AG071935).
