מחקר חדש של קרן Champalimaud (CF) חושף כיצד חסר רק של חומצת אמינו חיונית אחת יכולה לשנות את ביטוי הגנים ואת מערכות החישה של המוח, ולגרום לבעלי חיים לחפש שמרים עשירים בחלבון וחיידקי מעיים שעוזרים להם להחזיר את האיזון התזונתי ולשרוד בעתות צורך.
רמזים מותססים
גבינה ושוקולד אולי לא מפתים את החיך של זבוב הפירות, אבל לזבוב רעב חסר חומרים מזינים, הריח שלהם נושא איתות נסתר. כאשר נמנעים מהם חומצות אמינו מסוימות – אבני הבניין של חלבון – מפתחים חרקים זעירים אלה חוש ריח מעודן באופן מפתיע שעוזר להם לאתר לא רק מזון, אלא חיידקים ספציפיים החיים במזונות מותססים.
במשך שנים, מדענים יודעים שבעלי חיים יכולים לחוש מתי חסרים להם חומרים מזינים מסוימים ויחפשו באופן פעיל מזון כדי לפצות על כך. מה שנותר לא ברור הוא איך המוח מתרגם את הצורך התזונתי הפנימי הזה לדחף התנהגותי – איך "צורך" פיזיולוגי הופך ל"רצון" חושי. זו הייתה השאלה שהניעה את החוקרים במעבדת ההתנהגות והמטבוליזם של CF, בהובלת החוקר הראשי קרלוס ריביירו, המחבר הבכיר של המחקר.
סיפור על שני גנים
בעלי חיים, כולל בני אדם, אינם יכולים לייצר את כל חומצות האמינו הדרושות להם. חומצות אמינו חיוניות אלו כביכול (או eAAs) חייבות להגיע מהמזון. אם אפילו אחד חסר, הכימיה הפנימית של הגוף משתנה באופן דרמטי – סינתזת החלבון מתערערת, חילוף החומרים מואט, והמוח מניע תיאבון ספציפי למזון עשיר בחלבון.
בזבובי פירות, קל לראות את ההתנהגות הזו: הסר חומצת אמינו חיונית אחת מהתזונה שלהם, והם מתחילים לחפש שמרים, המקור העיקרי שלהם לחלבון. אבל הצוות של ריביירו רצה לדעת מה קורה במוח כדי לגרום לשינוי הזה להתרחש.
באמצעות דיאטות סינתטיות שבכל אחת מהן חסרה אחת מעשר חומצות האמינו החיוניות, החוקרים רצפו RNA (חומצה ריבונוקלאית) מראשי זבובים באחד עשר מצבים שונים – עשר דיאטות נטולות חומצות אמינו ועוד בקרה אחת מאוזנת לחלוטין. זה איפשר להם לעקוב אחר האופן שבו השתנה הביטוי של אלפי גנים בהתאם לאיזו חומצת אמינו הייתה חסרה.
בעוד שהתנהגות הזבובים הייתה דומה בכל חוסר חומצות האמינו, והראתה דחף מוגבר להאכיל, לכל חסך הייתה 'טביעת אצבע' ייחודית משלו במונחים של ביטוי גנים. אבל למרות ההבדלים האלה, כמה גנים השתנו באותו אופן, לא משנה איזו חומצת אמינו הייתה חסרה".
גילי עזרא-נבו, המחברת הראשונה של המחקר
בין אותם שינויים משותפים, בלט דפוס אחד: שני גנים קולטני ריח, שניהם מעורבים בריח, הווסרו באופן עקבי בתגובה למניעת חומצות אמינו. הגנים הללו – Or92a ו-Ir76a – הפכו למפתח להבנה כיצד חוש הריח של הזבובים מכוונן היטב כדי לענות על הצרכים שלהם.
חיבור השמרים: איך ריח מעצב טעם
הקולטן הראשון, Or92a, כבר היה ידוע כמגיב לדיאצטיל – מולקולה המעניקה לפופקורן בטעם חמאה את הארומה המיוחדת שלו ותורמת לריח היין והבירה. שמרים מייצרים דיאצטיל במהלך התסיסה, ומכיוון ששמרים מכילים את כל חומצות האמינו החיוניות, הגיוני שריח זה יהיה מושך במיוחד כאשר זבובים חסרי חלבון.
כאשר החוקרים בדקו זבובים חסרי Or92a, החרקים עדיין יכלו לאתר שמרים אך ניזונו מהם פחות. "הם יכלו להריח איפה זה, אבל זה לא טעים להם", מסבירה עזרא-נבו. "זה בגלל שריח זה לא רק מציאת מזון – הוא גם תורם לטעם ולהערכת הטעימות".
הצוות הלך צעד קדימה, תוך שימוש בזן מוטנטי של שמרים שלא ייצר דיאצטיל. התוצאה הייתה זהה: זבובים נטו פחות להאכיל. איבוד אות הריח המפתח שיבש את תחושת הטעם שלהם, והפך את האוכל לפחות מושך. בדיוק כפי שבני אדם מאבדים תיאבון או הנאה מאוכל כאשר יש להם אף סתום, זבובים מסתמכים על יחסי גומלין הדוקים בין ריח וטעם כדי לווסת את ההאכלה.
"נוירוני שוקולד" במוח?
הקולטן השני, Ir76a, התגלה כמסתורי עוד יותר. בחיפוש באמצעות ספרות מיקרוביולוגיה ומדעי המזון, החוקרים גילו שמזונות מותססים כמו גבינה ושוקולד פולטים תרכובת בשם PEA, המפעילה את Ir76a.
בדיקות הראו כי נוירוני הריח של זבובים הגיבו חזק לריח השוקולד אך לא לגבינה. האם הם מצאו "נוירוני שוקולד" במוח? לֹא בְּדִיוּק. מכיוון שזבובים בדרך כלל אינם ניזונים משוקולד או גבינה, הצוות חפר עמוק יותר ומצא את הקשר האמיתי: שני המזונות מותססים על ידי חיידקי לקטובצילוס ואצטובקטר, שגם הם מייצרים את אותה תרכובת.
"זה הרגע שבו הדברים הקליקו", אומרת סילביה הנריקס, מחברת המחקר הראשונה. "הזבובים לא נמשכו לשוקולד עצמו – הם הגיבו לחיידקים שגדלו במזונות האלה. והחיידקים האלה הם גם תושבים טבעיים של מיקרוביום הזבובים".
כאשר החוקרים חשפו זבובים לחיידקי לקטובצילוס ואצטובקטר חיים, נוירוני ה-Ir76a הגיבו ביתר שאת. ניסויים התנהגותיים אישרו את הקשר: זבובים חסרי חומצות אמינו הגבירו באופן פעיל את האכלתם מחיידקים – אך רק כאשר החיידקים היו חיים ופעילים מבחינה מטבולית. חיידקים מתים כבר לא הפעילו האכלה. במילים אחרות, הזבובים חיפשו את החיידקים על היתרונות המטבוליים שלהם.
וכשהצוות דפק את הקולטן ל-Ir76a, הזבובים איבדו עניין לחלוטין, אפילו כשהם חסרים חומרי תזונה. "זה היה הממצא המפתיע ביותר", אומר עזרא-נבו. "זה הראה שחוש הריח של הזבובים היה מכוון, פשוטו כמשמעו, לזהות חיידקים, וכי כוונון זה תלוי במצב התזונתי הפנימי שלהם. חוסר חומצות אמינו לא רק שינה את הפעילות העצבית – הוא שינה אילו קולטנים נוצרו מלכתחילה".
בעלי ברית מיקרוביאליים בזבובים – ובנו
למה שזבוב יחפש חיידקים כאשר חומצות אמינו נדירות? מחקרים קודמים הראו כי האכלה מחיידקים מסוימים משפרת את ייצור הביצים בזבובים חסרי חומצות אמינו. מחקרים אחרים גילו שמיקרוביום המעי יכול להגביר את ספיגת חומצות אמינו בתנאים דלים בתזונה על ידי ייצור אנזימים המפרקים חלבונים בצורה יעילה יותר.
"על ידי מעקב אחר אפם לעבר חיידקים, נראה שהזבובים התפתחו לשימוש בחיידקים כבעלי ברית, בחיפוש אחר שותפים שמגדילים את סיכויי ההישרדות שלהם כשהם מאותגרים על ידי מניעת חומצות אמינו", אומר הנריקס.
ההקבלות לבני אדם מסקרנות. דיאטות מסורתיות רבות כוללות מזונות מותססים – מקימצ'י ועד יוגורט וקפיר – שהוערכו זה מכבר בזכות תכונות השימור שלהם, אך חלק בלתי מוערך מהמשיכה שלהם עשוי להיות שהם מכילים חיידקים מועילים המסייעים לעיכול ולספיגה של חומרים מזינים.
הממצאים מצביעים על כך שהתיאבון שלנו למזונות מותססים עשוי לנבוע בחלקו מהיגיון ביולוגי עתיק. כאשר חומרי הזנה מועטים, נראה שהגוף מכוון את מערכות החישה שלו כדי לאתר את מה שהוא צריך – לפעמים על ידי זיהוי חיידקים ולא מאקרו-נוטריינטים.
חושים בשטף
מחקר זה נוגע בשאלה רחבה יותר בביולוגיה: כיצד מצבים פיזיולוגיים פנימיים מעצבים תפיסה והתנהגות. הרעיון שרעב יכול לשנות את העיבוד החושי ואת הפעילות העצבית אינו חדש, אבל המחקר הזה מרחיק לכת יותר – מראה כי על פני חסכים תזונתיים מרובים, קולטנים תחושתיים מסוימים מתוכנתים מחדש ברמה המולקולרית כדי לשפר את הכושר.
במילים אחרות, המוח של הזבובים לא רק מפרש רעב – הם משנה פיזית את הדרך בה הם חשים את העולם כדי לפגוש אותו. למרות שלעתים קרובות אנו חושבים על החושים כמקובעים, הם למעשה דינמיים להפליא. המחקר של מעבדת Ribeiro מראה שכאשר לזבובים חסרות חומצות אמינו חיוניות, הם עוברים שינויים בביטוי הגנים שעוזרים להם לזהות מזונות – או חיידקים – שיכולים לפתור את הגירעון הזה ולעזור להם להסתגל לאתגרים תזונתיים. זוהי דוגמה בולטת לכמה עמוק מטבוליזם, המוח וההתנהגות יכולים להיות שלובים זה בזה.
