מרכיב של פלורת המעיים האנושית שנחקר מעט עד היום הוא המוקד של מחקר חדש. פלסמידים הם אלמנטים גנטיים חוץ-כרומוזומליים קטנים המופיעים לעתים קרובות בתאי חיידקים ויכולים להשפיע על אורח חיים מיקרוביאלי – אך המגוון שלהם בבתי גידול טבעיים אינו מובן היטב. צוות בינלאומי בראשות פרופ' ד"ר א. מוראט ערן ממכון הלמהולץ למגוון ביולוגי ימי פונקציונלי באוניברסיטת אולדנבורג (HIFMB) מדווח בכתב העת המדעי. תָא, פלסמיד מסתורי, הוא אחד האלמנטים הגנטיים הרבים ביותר במעיים האנושיים שיכולים לשמש כסמן ביולוגי רב עוצמה לזיהוי סכנות בריאותיות כגון זיהום צואה של מים או הפרעות אנושיות כגון מחלות מעי דלקתיות. על פי ניתוחי הצוות, הפלסמיד הזה קיים במעיים של יותר מ-90% מהאנשים במדינות מתועשות.
פלסמידים הם רצפי DNA חוץ-כרומוזומליים המשותפים לתאים מכל תחומי החיים. ערן מתאר אותם כ"ישויות גנטיות קטנות בדרך כלל הנושאות גנים נוספים". ניתן להחליף אותם בין תאי חיידקים שונים ואפילו בין סוגים שונים של חיידקים. שכפול הפלסמידים תלוי בתאי המארחים שלהם: אך הם מפצים על כך בכך שהם מספקים למארחים שלהם, במקרים מסוימים, גורמי כושר חשובים ביותר. לדוגמה, חלק מהפלסמידים מכילים גנים המקודדים לעמידות לאנטיביוטיקה, שעוזרים למארחים החיידקיים שלהם לשרוד אנטיביוטיקה, מה שתורם לאחד הדאגות הדוחקות לבריאות הציבור ברחבי העולם.
ישנם גם פלסמידים אחרים אשר, על פי המחקר עד כה, אינם מכילים גנים המקודדים לתפקודים מועילים ברורים עבור המארח שלהם. "מה שמכונה 'פלסמידים קריפטיים' אלה מכונה לעתים קרובות טפילים גנטיים. הם נשארים בגדר תעלומה באקולוגיה המיקרוביאלית, כי מנקודת מבט אבולוציונית הם לא אמורים להתקיים כלל", מסביר ערן, מדען מחשבים ופרופסור למדעי נתונים של מערכת אקולוגית ב- אוניברסיטת אולדנבורג.
זיהוי פלסמידים היה משימה קשה עד כה. מזה זמן מה, מדענים מצליחים לחלץ חומר גנטי ישירות מדגימות סביבתיות, ולדוגמא לנתח את קהילת החיידקים במעי האנושי בשלמותה, ללא צורך לטפח אורגניזמים חיידקיים בודדים. עם זאת, היכולת להבחין בביטחון מהו פלסמיד בין קונצרן זה של חומר גנטי, המכונה המטאנום, מהווה אתגר לא מבוטל.
כדי לפתור בעיה זו פיתחו ערן ועמיתיו גישת למידת מכונה חדשה. כפי שדיווח הצוות במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת המדעי מיקרוביולוגיה של הטבעבאמצעות גישה זו הם זיהו למעלה מ-68,000 פלסמידים בפלורת המעיים האנושית, וגם גילו שפלסמיד קריפטי מסוים בשם pBI143 נמצא בשפע במיוחד במערך הנתונים שלהם.
אחת הישויות הגנטיות הרבות ביותר במעיים האנושיים
במחקר שפורסם ב תָא, צוות החוקרים בחן מקרוב את הפלסמיד הזה, המורכב משני גנים בלבד שבאופן מפתיע משמש רק לשכפול וניוד שלו על פני תאי חיידקים ללא תועלת ברורה אחרת. כדי להבין טוב יותר את האקולוגיה של pBI143, הצוות ניתח 60,000 מטאנומים של בני אדם ו-40,000 מטאנומים סביבתיים שנוצרו מבתי גידול שונים.
"מצאנו של-pBI143 יש רשימה של תכונות מאוד מעניינות", מסביר ערן. הצוות גילה שיותר מ-90 אחוז מהאנשים במדינות מתועשות נושאים את הפלסמיד וכי בממוצע מדובר באחד הישויות הגנטיות הרבות ביותר במעיים האנושיים. "בממוצע זה היה יותר מפי עשרה מאשר גנום ויראלי שנחשב בעבר כיסוד החוץ-כרומוזומלי הגנטי השופע ביותר במעי האנושי", אומר החוקר.
ניתוחים נוספים גילו כי הפלסמיד התרחש כמעט אך ורק במעיים האנושיים, אך נעדר למעשה במערכי נתונים מסביבות אחרות כגון האוקיינוסים, הקרקעות, הצמחים ואיברי העיכול של בעלי החיים והצואה שלהם. הדגימות הנוספות היחידות שבהן הצליחו החוקרים לזהות את רצף הגנים האופייני לפלסמידים אלו היו בדגימות מסביבות המושפעות מבני אדם, כמו שפכים, משטחי בתי חולים וחולדות מעבדה.
בשל מספרו העצום, השכיחות בבני אדם ושמירותו באוכלוסיות אנושיות, צוות החוקרים שיער כי pBI143 יכול, למשל, לשמש כסמן ביולוגי בבדיקת זיהום צואה.
למעשה, הצלחנו להראות שהפלסמיד הזה הוא סמן רגיש יותר לאיתור זיהום צואה במי שתייה בהשוואה לסמנים ביולוגיים מתקדמים המבוססים על רצפי גנים ספציפיים של חיידקי מעיים אנושיים".
ד"ר א מוראט ערן, פרופסור למדעי נתונים אקולוגיים באוניברסיטת אולדנבורג
שיטה לא פולשנית לכימות התקדמות IBD
הצוות גם זיהה יישום פוטנציאלי נוסף של ישות גנטית רווחת זו בהקשר של הפרעות אנושיות כגון מחלת מעי דלקתית (IBD), מצב רפואי המשפיע על 3 מיליון אנשים באירופה בלבד. הם הצליחו להדגים שמספר ההעתקים היחסי של הפלסמיד הצפוי הזה עלה כמעט פי ארבעה במעיים של אנשים הסובלים מ-IBD בהשוואה למעיים של אנשים בריאים, מה שמצביע על כך שהשינויים במספר ההעתקים של הפלסמיד יכולים לשמש כ- שיטה לא פולשנית לכימות התקדמות המחלה או חומרתה.
ב-HIFMB, הצוות של ערן מפתח כלים חדשים בצומת של מדעי המחשב והמיקרוביולוגיה כדי לזהות ולאפיין פלסמידים טבעיים ואלמנטים גנטיים ניידים אחרים בחיידקים החיים באוקיינוס. הם שואפים להשיג הבנה טובה יותר של האקולוגיה והאבולוציה של חיידקים, ואסטרטגיות המאפשרות להם להגיב לסביבותיהם המשתנה ללא הרף עבור יישומים ביוטכנולוגיים חדשים שיכולים לשפר את המשברים שאנו מתמודדים איתם.
