ככל שעמידות לאנטיביוטיקה הופכת לאיום רציני יותר ויותר על בריאותנו, הקהילות המדעיות והרפואיות מחפשות תרופות חדשות להילחם בזיהומים. חוקרים במכוני גלדסטון זה עתה התקרבו למטרה זו עם טכניקה חדשה לניצול כוחם של בקטריופאג'ים.
בקטריופאג'ים, או בקיצור פאג'ים, הם וירוסים שמשתלטים באופן טבעי והורגים חיידקים. קיימים אלפי פאגים, אך השימוש בהם כטיפולים למלחמה בחיידקים ספציפיים הוכח עד כה כמאתגר. כדי לייעל את טיפול הפאג'ים ולהפוך אותו למדרגי למחלות אנושיות, מדענים זקוקים לדרכים להנדס פאגים למכונות יעילות להורג חיידקים. זה יציע גם דרך חלופית לטיפול בזיהומים חיידקיים עמידים לאנטיביוטיקה סטנדרטית.
כעת, מדעני גלדסטון פיתחו טכנולוגיה המאפשרת להם לערוך את הגנום של הפאג'ים בצורה יעילה ויעילה ביותר, המעניקה להם את היכולת להנדס פאגים חדשים ולחקור כיצד ניתן להשתמש בנגיפים כדי להתמקד בחיידקים ספציפיים.
"בסופו של דבר, אם אנחנו רוצים להשתמש בפאג'ים כדי להציל את חייהם של אנשים עם זיהומים שעמידים לתרופות מרובות, אנחנו צריכים דרך ליצור ולבדוק המון גרסאות פאג' כדי למצוא את הטובים ביותר", אומר חוקר עמית גלדסטון, סת' שיפמן, PhD, המחבר הראשי של מחקר שפורסם ב טבע ביוטכנולוגיה. "טכניקה חדשה זו מאפשרת לנו להכניס בהצלחה ובמהירות עריכות שונות לגנום הפאג' כדי שנוכל ליצור וריאנטים רבים."
הגישה החדשה מסתמכת על מולקולות הנקראות רטרונים, שמקורן במערכות חיסון חיידקיות ופועלות כמו מפעלים לייצור DNA בתוך תאי חיידקים. הצוות של שיפמן מצא דרכים לתכנת רטרונים כך שהם יוצרים עותקים של רצף DNA רצוי. כאשר פאג'ים מדביקים מושבה חיידקית המכילה רטרונים, באמצעות הטכניקה המתוארת במחקר החדש של הצוות, הפאג'ים משלבים את רצפי ה-DNA המיוצרים ברטרון לתוך הגנום שלהם.
האויב של האויב שלך
בניגוד לאנטיביוטיקה, שהורגת סוגים רבים של חיידקים בבת אחת, הפאג'ים הם מאוד ספציפיים לזנים בודדים של חיידקים. ככל ששיעורי זיהומים חיידקיים עמידים לאנטיביוטיקה עולים – עם הערכה של 2.8 מיליון זיהומים כאלה בארצות הברית מדי שנה – חוקרים בוחנים יותר ויותר את הפוטנציאל של טיפול בפאג'ים כחלופה להילחם בזיהומים אלה.
"הם אומרים שהאויב של האויב שלך הוא החבר שלך", אומר שיפמן, שהוא גם פרופסור חבר במחלקה לביו-הנדסה ומדעי הטיפול ב-UCSF, כמו גם חוקר צ'אן צוקרברג ביוהוב. "האויבים שלנו הם החיידקים הפתוגניים האלה, והאויבים שלהם הם פאגים".
כבר היום, הפאג'ים שימשו בהצלחה במרפאה לטיפול במספר קטן של חולים עם זיהומים עמידים לאנטיביוטיקה מסכני חיים, אך פיתוח הטיפולים היה מורכב, זמן רב וקשה לשכפל בקנה מידה. הרופאים חייבים לסנן אוספים של פאג'ים טבעיים כדי לבדוק אם אחד מהם יכול לפעול נגד החיידקים הספציפיים שבודדו ממטופל בודד.
הקבוצה של שיפמן רצתה למצוא דרך לשנות את גנום הפאג' כדי ליצור אוספים גדולים יותר של פאג'ים שניתן לסנן לשימוש טיפולי, כמו גם לאסוף נתונים על מה הופך פאגים מסוימים ליעילים יותר או מה שהופך אותם ליותר או פחות ספציפיים למטרות חיידקיות.
"כטורפים הטבעיים של חיידקים, הפאג'ים ממלאים תפקיד חשוב בעיצוב קהילות מיקרוביאליות", אומרת קלואי פישמן, עמיתת מחקר לשעבר ב-Gladstone ומחברת-הראשונה של המחקר החדש, כעת ממשיכה לתואר השני שלה באוניברסיטת רוקפלר. "חשוב שיהיו כלים לשנות את הגנום שלהם כדי ללמוד אותם טוב יותר. זה גם חשוב אם אנחנו רוצים להנדס אותם כך שנוכל לעצב קהילות מיקרוביאליות לטובתנו – להרוג חיידקים עמידים לאנטיביוטיקה, למשל."
עריכת פאגים רציפה
כדי להנדס בדיוק גנומי פאג', המדענים פנו לרטרונים. בשנים האחרונות, שיפמן וקבוצתו היו חלוצים בפיתוח ובשימוש ברטרונים לעריכת ה-DNA של תאים אנושיים, שמרים ואורגניזמים אחרים.
שיפמן ועמיתיו התחילו ביצירת רטרונים שמייצרים רצפי DNA שתוכננו במיוחד לעריכת פאג'ים פולשים – מערכת שהצוות כינה "רקומביטרונים". ואז, הם הכניסו את הרטרונים האלה למושבות של חיידקים. לבסוף, הם נותנים לפאג'ים להדביק את מושבות החיידקים. כאשר הפאג'ים הדביקו חיידקים אחר חיידקים, הם רכשו ושילבו ללא הרף את ה-DNA החדש מה-recombitrons, וערכו את הגנום שלהם תוך כדי.
צוות המחקר הראה שככל שהם נתנו לפאג'ים להדביק מושבה חיידקית המכילה רקומביטרון זמן רב יותר, כך גדל מספר גנומי הפאג'. יתרה מכך, החוקרים יכלו לתכנת חיידקים שונים בתוך המושבה עם רקוביטרונים שונים, והפאגים ירכשו עריכות מרובות כשהם מדביקים את המושבה.
מכיוון שפאג מקפץ מחיידק לחיידק, הוא קולט עריכות שונות. ביצוע עריכות מרובות בפאג'ים הוא משהו שהיה קשה להפליא בעבר; עד כדי כך שרוב הזמן, מדענים פשוט לא עשו זאת. עכשיו, אתה בעצם זורק כמה פאג'ים לתרבויות האלה, מחכה זמן מה ומקבל את הפאג'ים הערוכים המרובים שלך."
סת' שיפמן, דוקטורט, סופר ראשי
פלטפורמה למסך פאג'ים
אם מדענים כבר ידעו בדיוק אילו עריכות הם רוצים לבצע בפאג' נתון כדי לייעל את הפוטנציאל הטיפולי שלו, הפלטפורמה החדשה תאפשר להם לבצע את העריכות הללו בקלות וביעילות. עם זאת, לפני שחוקרים יכולים לחזות את התוצאה של שינוי גנטי, הם צריכים קודם להבין טוב יותר מה גורם לפאג'ים לעבוד וכיצד שינויים בגנום שלהם משפיעים על יעילותם. מערכת הרקומביטרון עוזרת להתקדם גם כאן.
אם מכניסים ריקומביטרונים מרובים למושבה חיידקית, ומאפשרים לפאג'ים להדביק את המושבה לזמן קצר בלבד, פאגים שונים ירכשו שילובים שונים של עריכות. אז ניתן היה להשוות אוספים מגוונים כאלה של פאגים.
"למדענים יש כעת דרך לערוך גנים מרובים בו-זמנית אם הם רוצים לחקור כיצד הגנים הללו מקיימים אינטראקציה או להכניס שינויים שיכולים להפוך את הפאג לרוצח חיידקים חזק יותר", אומרת קייט קרופורד, סטודנטית לתואר שני במעבדת שיפמן ושותפה. המחבר הראשון של המחקר החדש.
הצוות של שיפמן עובד על הגדלת מספר הרקומביטרונים השונים שניתן להכניס למושבת חיידקים אחת – ולאחר מכן להעביר אותם לפאג'ים. הם מצפים שבסופו של דבר, מיליוני שילובים של עריכות יוכלו להיות מוכנסים לפאג'ים כדי ליצור ספריות סינון ענקיות.
"אנחנו רוצים להגדיל את זה מספיק גבוה, עם מספיק גרסאות פאג', כדי שנוכל להתחיל לחזות אילו גרסאות פאג יפעלו נגד אילו זיהומים חיידקיים", אומר שיפמן.
