התרופה המהונדסת הראשונה

דייויד גדל (Goeddel) לא חשב שיהיה מדען. כנער שגדל באזור סן דייגו בקליפורניה הוא התעניין בעיקר בספורט, ולצד בייסבול וטניס עסק גם בענף שהיה אז הרבה פחות מוכר ופופולרי בהשוואה לימינו: טיפוס הרים וסלעים. "חשבתי שאהיה מטפס מקצועי, או מטפס מובטל, או מדריך טיפוס", סיפר בריאיון לתוכנית ההיסטוריה של המדע באוניברסיטת ברקלי. "הלכתי ללמוד באוניברסיטת סן דייגו כדי שאוכל להישאר בבית הוריי, לחסוך כסף ולצאת לטיולי טיפוס בסופי השבוע, בחופשות ובקיץ".

גדל, שנולד ב-1951, התחיל את התואר הראשון במתמטיקה, אבל לא היה מסוגל לראות את עצמו עוסק במתמטיקה כמקצוע לחיים, והחליף את התחום העיקרי לפיזיקה. גם שם הוא לא מצא עצמו ועבר להתמקד בגיאולוגיה, תחום שהיה קרוב לתחביב הטיפוס. לימודי הגיאולוגיה דרשו קורסים רבים בכימיה, וגדל מצא את עצמו מתעניין יותר ויותר בתחום הזה, ומסיים בו את התואר הראשון. במהלך הלימודים גם עבד אצל חוקר במחלקה, שחשף, אותו לראשונה לתחום הביוכימיה, ועודד אותו להמשיך לתארים מתקדמים. 

גדל בחן כמה אוניברסיטאות שהמנחה שלו המליץ עליהן, ובסופו של דבר בחר באוניברסיטת קולורדו בבולדר, לא בגלל האיכות האקדמית או המחקרית, אלא עקב ריבוי אתרי הטיפוס בסביבה. הוא התחיל לעבוד בהדרכתו של חוקר צעיר, מרווין קרותרס (Caruthers), בתקופה שהייתה ראשיתה של עידן הביולוגיה המולקולרית. גדל חקר בעבודתו את המבנה והפעילות של אופרון הלקטוז, שהיה המנגנון הראשון שהתגלה העוסק בבקרת גֵנים. המנגנון הזה התגלה בחיידקים, ואיפשר לחוקרים להבין כיצד קישור של גורמים שונים לאתרים מסוימים ברצף ה-DNA של חיידקים משפיע על ביטוי הגֵנים, כלומר קובע את כמות החלבון שהתא מייצר לפי ההוראות המקודדות בגֵנים האלה. 

אחרי שלל שינויי הכיוון שעשה בחייו, גדל חש שהוא מצא את עצמו בביולוגיה המולקולרית. "בעיקר בשנתיים האחרונות בקולורדו טיפסתי הרבה פחות מכפי שציפיתי. התעניינתי יותר בעבודת המעבדה והתמסרתי לה יותר. נשארו הרבה אתרי טיפוס באזור בולדר שלא הצלחתי להגיע אליהם", סיפר. אף שאהב את העבודה המדעית, והצטיין בה, גדל לא ראה את עתידו באקדמיה. וגם אם לא היה לו ברור מה הוא רוצה לעשות בהמשך דרכו, לא הייתה לו כל כוונה לחפש השתלמות פוסט-דוקטורט, שהיא שלב חשוב בדרך לקבלת משרת מחקר אוניברסיטאית. 

מטיפוס הרים לביולוגיה מולקולרית. דיוויד גדל | צילום: University of Colorado, Boulder

זנבות ופלסמידים

כמה שנים קודם לכן, בנובמבר 1972, כשגדל היה עדיין סטודנט לתואר ראשון, נפגשו שני מדענים מקליפורניה בכינוס מדעי בהוואי, שם הציג כל אחד מהם את ההתקדמויות האחרונות בעבודתו. סטנלי כהן (Cohen) נולד ב-1935 בניו ג'רזי, וסיים לימודי רפואה באוניברסיטת פנסילבניה, אבל המחקר הרפואי משך אותו הרבה יותר מאשר הטיפול בחולים, והוא הפך לחוקר במשרה מלאה. מחקריו התמקדו בביטוי הגֵנים של הבקטריופאג', נגיף התוקף חיידקים, וב-1968 הוא מונה לחוקר באוניברסיטת סטנפורד. מחקריו שם התמקדו במידה רבה בפלסמידים של חיידקים. פלסמיד הוא מולקולה קטנה יחסית של DNA, שחיידקים יכולים לשכפל ולהעביר באמצעותה מידע גנטי זה לזה. 

הרברט בויר (Boyer) נולד ב-1936 בפנסילבניה, וגם הוא התחיל את דרכו בלימודי רפואה, אך לא טרח לסיים אותם לאחר שנשבה בקסמי המחקר הביולוגי. הוא השלים דוקטורט בביולוגיה באוניברסיטת פיטסברג, ובתום השתלמות פוסט-דוקטורט באוניברסיטת ייל, קיבל ב-1966 משרת מחקר באוניברסיטת קליפורניה בסן פרנסיסקו. בויר הציג בכינוס את הגילוי כי אנזימים מסוימים חותכים את ה-DNA של חיידקים בצורה שמשאירה "קצוות דביקים" - כלומר, הם אינם חותכים את שני גדילי ה-DNA בסליל הכפול באותה נקודה בדיוק, אלא שיש פער של כמה חומצות גרעין בין נקודות החיתוך של שני הסלילים. ה"זנב" שנשאר, של DNA חד-גדילי, הוא נקודת הצמדה מצוינת לפיסה אחרת של DNA שנחתכה באותו אופן, כך ששני הזנבות ייצמדו זה לזה. 

באחד מערבי אותו כינוס בהוואי, בעודם מכרסמים שאריות כריכים, שוחחו כהן ובויר על שיתוף פעולה אפשרי. במסגרתו הם ביקשו לשלב את הטכניקות שלהם כדי לחתוך ולהדביק DNA עם האנזימים של בויר, וליצור פלסמיד שיכיל רצף DNA שהם רצו לקבל. את הפלסמיד הזה יהיה אפשר להחדיר לחיידקים, ולגרום להם לייצר לפי הזמנה חלבון שאנו מעוניינים בו. 

ליצור פלסמיד עם רצף לפי הזמנה. צילום במיקרוסקופ אלקטרונים, עם צביעה, של אחד הפלסמידים שייצרו כהן ובויר | מקור: PROFESSOR STANLEY COHEN / SCIENCE PHOTO LIBRARY

סדר חדש

שיתוף הפעולה בין כהן לבויר התבסס גם על פריצת דרך של חוקר אחר, פול ברג (Berg) שהראה ב-1971 שאפשר לשנות את רצף ה-DNA, במקרה זה של נגיף, באמצעות חיתוך והדבקה של DNA מנגיף אחר. פריצת הדרך הזו זיכתה אותו ב-1980 בפרס נובל בכימיה, עם שני שותפים, על מחקרים נפרדים הקשורים ב-DNA: וולטר גילברט (Gilbert) ופרדריק סנגר (Sanger), שזכה בפרס בפעם השנייה.

כהן ובויר לקחו את העבודה הזאת שלב אחד הלאה, והנדסו פלסמיד לפי הזמנה, באמצעות חיתוך ה-DNA של הפלסמיד במקומות מסוימים, והשתלת מקטע DNA שרצו, עם הקצוות הדביקים המתאימים. הם הדגימו את השיטה עם גֵן שמקנה לחיידקים עמידות מפני אנטיביוטיקה מסוימת. הם השתילו את הגֵן בתוך פלסמיד של החיידקים, ואז נתנו לחיידקים להתרבות במצע שהכיל את האנטיביוטיקה. החיידקים שקיבלו את הפלסמיד המהונדס התרבו בהצלחה, מה שהראה שלא רק שהגֵן לעמידות הושתל בהצלחה בפלסמיד, אלא שהוא גם היה פעיל והחיידק הצליח לייצר על פיו את החלבונים שהקנו לו את העמידות.

כמה חודשים לאחר מכן הם הראו במאמר פורץ דרך כי השיטה שלהם מאפשרת לחבר DNA של חיידקים עם DNA שמקורו בתאים בעלי גרעין (איקריוטיים). כלומר אפשר להשתיל בפלסמיד לא רק גֵן של חיידק, אלא גם של צפרדע, כפי שהם הראו במחקר הזה, ואין סיבה עקרונית שתמנע לשתול בו גם גֵנים של חתול, של תפוח אדמה ואפילו של אדם. 

הטכנולוגיה הצעירה קיבלה את השם "DNA רקומביננטי", כלומר "מאורגן בסדר חדש". אוניברסיטת סטנפורד מיהרה לרשום עליה פטנט, עם השמות של שניהם כממציאים הראשיים. השלב המתבקש הבא היה להשתמש בה כדי לגרום לחיידקים לייצר חלבונים שאנחנו זקוקים להם, ובאמצעות DNA רקומביננטי להפוך אותם לבתי חרושת זעירים שייצרו למעננו חלבונים לפי הזמנה. אחד המועמדים המובילים להיות החלבון הראשון שייוצר בשיטה הזו היה האינסולין. 

לסדר מחדש את ה-DNA לפי הזמנה. הרברט בויר (מימין) וסטנלי כהן | צילומים: Science History Institute, NICHD - NIH, Wikipedia

סוכרת ואינסולין

מחלת הסוכרת מוכרת לאנושות כבר אלפי שנים, אבל פריצת הדרך המשמעותית בהבנתה אירעה לפני כמאה שנים, בעבודתו של הרופא הקנדי פרדריק בנטינג (Banting). הרבה לפני זמנו של בנטינג הבינו הרופאים שיש קשר בין מחלת הסוכרת ללבלב, וראו כי אצל כלבים שכרתו להם את הלבלב בניתוח, שיעור הסוכרת זינק. בנטינג, שהיה בכלל אורתופד בהכשרתו, החליט להתמודד עם האתגר וחיפש דרכים למצות מהלבלב של כלבים את החומר שאחראי על מניעת הסוכרת. הוא ניסה לגייס למשימה את חוקר הסוכרת ג'ון מקלאוד (Macleod) מאוניברסיטת טורונטו. מקלאוד לא התייחס לעניין ברצינות, אבל בנטינג התעקש,  ומאחר שמקלאוד תכנן לצאת לחופשה ממילא, הוא איפשר לבנטינג להשתמש במעבדה שלו, ולהסתייע בשירותיו הטוובים של עוזרו, הסטודנט לרפואה צ'רלס בֶּסְט (Best).

תוך זמן קצר הצליחו בנטינג ובסט למצות את החומר הפעיל מהלבלב של כלבים, והראו כי כשמזריקים אותו לכלבים חולי סוכרת, רמת הסוכר בדמם יורדת. בעזרת מקלאוד, שחזר בינתיים מהחופשה, הם שיפרו את שיטות המיצוי, וב-1922 הזריקו את החומר שמיצו לחולי סוכרת אנושיים. הטיפול המהפכני הציל את חייהם של חולים רבים, וכבר ב-1923 הוענק לבנטינג ולמקלאוד פרס נובל ברפואה. בנטינג חשב שהפרס מגיע גם לבסט, וחלק איתו את כספי הזכייה. 

החומר שמיצו בנטינג ובסט מופק מתאי בטא הנמצאים באזור של הלבלב המכונה "איי לנגרהנס". לכן הוא  קיבל את השם אינסולין, מהמילה הלטינית insula ‒ אי. האינסולין הוא הורמון חלבוני שנקשר לקולטנים של תאים ומווסת את ספיגת הסוכר שלהם מהדם. כשהאינסולין אינו פועל כשורה, התאים אינם קולטים את הסוכר מהדם, ולכן סובלים ממחסור באנרגיה זמינה. במקביל, עודפי הסוכר שנשאר בדם משבשים את זרימתו, בעיקר בכלי דם קטנים, ומחוללים שורה ארוכה של בעיות נלוות, מעיוורון ועד נמק בגפיים.

כיום אנו יודעים שסוכרת היא למעשה שתי מחלות שונות, המאופיינות ברמה גבוהה של סוכר בדם עקב חוסר יכולת של תאי הגוף לספוג מהדם את הסוכר הדרוש להם. סוכרת מסוג 1, שנקראה בעבר סוכרת נעורים, היא מחלה אוטואימונית, שבה מערכת החיסון תוקפת את תאי בטא של הלבלב ופוגעת בייצור האינסולין. הצורה הנפוצה יותר של המחלה היא סוכרת מסוג 2, שבה התאים עצמם מפסיקים להגיב לאינסולין. לעיתים גם בסוכרת הזו יש ירידה בתפקוד הלבלב, ולכן מחסור באינסולין, כך שהזרקת אינסולין היא מרכיב בטיפול בשני סוגי הסוכרת.

בעקבות הצלחת הטיפול של בנטינג, הפך ייצור האינסולין לתעשייה גדולה, כשאת תפקיד המכונות ממלאים הלבלבים של פרות וחזירים שנטבחו בהמוניהם כדי לענות על הביקוש הגדל והולך להורמון. האינסולין שהופק מבעלי החיים הציל את חייהם של מיליוני חולים בסוכרת, אבל הוא לא היה חף מבעיות: חולים לא מעטים פיתחו אלרגיה למרכיבים בתרופה מהחי, ומערכת הייצור הייתה יקרה וחסרת חמלה כלפי בעלי החיים שמהם הופק ההורמון. כשהפציעה באופק האפשרות לייצר חלבונים בהנדסה גנטית של חיידקים, אינסולין היה אחד המועמדים המובילים.

הבחירה בו נבעה לא רק מחשיבותו הרפואית, אלא גם מכך שכבר כמה שנים הוא עמד במוקד מחקרים חלוציים. זה היה החלבון הראשון שחוקרים הצליחו לקבוע את רצף חומצות האמינו שהוא מורכב מהן, הקשור ישירות לרצף ה-DNA, כלומר הגֵן שמקודד את החלבון הזה. החוקר שהוביל את העבודה היה אותו פרדריק סנגר שהוזכר קודם, וההישג הזה זיכה אותו בפרס נובל הראשון שלו בכימיה, בשנת 1958. כמה שנים לאחר מכן, אינסולין היה החלבון הסינתטי הראשון שיוצר במעבדה. הכוונה עדיין לא הייתה לחלבון שמיוצר בהנדסה גנטית, אלא להרכבת הרצף הנכון של חומצות אמינו, בעבודה סיזיפית ומייגעת, שדרשה היכרות מלאה עם מבנה החלבון. 

משמאל למעלה בכיוון השעון: הלבלב, תאי בטא, הפרשת אינסולין, וקשירתו לתאי שריר כדי לגרום להם לקלוט סוכר. בסוכרת התהליך התקין משתבש | איור: Sakurra, Shutterstock

חלבון אנושי בחיידק

הפוטנציאל הרב של טכנולוגיית ה-DNA הרקומביננטי, וגם האפשרויות הגלומות בה, לא נשארו בעולם האקדמי. חברות ביוטכנולוגיה פרטיות רבות החלו לצוץ בתקווה לרתום את השיטות החדשות לייצור חלבונים יקרי ערך. אחת החברות הראשונות בתחום היתה ג'יננטק (Genentech), שייסד ב-1976 הרברט בויר עצמו, עדיין כפרופסור באוניברסיטת קליפורניה. חבר אליו המשקיע רוברט סוונסון (Swanson), מחלוצי אנשי העסקים בתחום, שבעצמו היה בעל תואר בכימיה. 

במקביל להקמת החברה רשם בויר עוד הישג חשוב, עם עמיתו קאיצ'י איטקורה (Itakura) וחוקרים נוספים: הם הצליחו להשתיל גן של אדם בפלסמיד של חיידק, כך שהחיידק הצליח לייצר את החלבון. היה זה הורמון של סומטוסטטין, המווסת את ייצור הורמוני הגדילה במוח. לא פחות חשוב, בויר ועמיתיו הראו שאין שום הבדל בין תפקוד החלבון הרקומביננטי לחלבון הטבעי. 

מהתחלה צנועה לחברה שמגלגלת מיליארדים. משרדי ג'יננטק בסן פרנסיסקו | צילום: Sundry Photography, Shutterstock

תחרות קשה

גדל, כאמור, לא התעניין במשרה אקדמית ולא התכוון לעשות פוסט-דוקטורט. אך אז הגיע אליו טלפון מדניס קלייד (Kleid), חוקר צעיר שהקים מעבדה במכון מחקר ליד אוניברסיטת סטנפורד. הוא הבטיח לגדל עצמאות במחקר, ומעמד של שותף במעבדה. וכבונוס, סטנפורד אינה רחוקה מפארק יוסמיטי, שם קיווה גדל לשוב ולהקדיש את זמנו לטיפוס על סלעים. 

גדל הספיק לעבוד בקושי שלושה חודשים במעבדה החדשה, כשקלייד קיבל הצעה להצטרף לחברה החדשה של בויר ‒ ונענה לה, בתנאי שיוכל להביא עימו את עמיתו גדל. מנהלי החברה החליטו להסתער בכל הכוח על האתגר להיות הראשונים שיצליחו לייצר אינסולין בהנדסה גנטית. גדל, שקיווה לחזור לתחביב הטיפוס שלו בקליפורניה, מצא את עצמו נשאב לתוך האתגר הטכני לגרום לחיידק לייצא אינסולין.

בשונה מהסומטוסטטין, שמורכב מ-14 חומצות אמינו, אינסולין מכיל 51 חומצות. יתרה מזו, החלבון בנוי משתי שרשראות של חומצות אמינו, כך שהחוקרים היו צריכים לייצר בנפרד את הגֵן לכל שרשרת, להחדיר כל גֵן לפלסמיד נפרד, וליצור את התגובה הכימית שתחבר את שתי השרשראות ותניב אינסולין פעיל. האתגרים הטכניים היו רבים, אבל גדל והצוות לא הרימו ידיים. "הוא עבד כמו תחנת כוח, מכונה לשיבוט DNA", אמר עליו מדען שהכיר את עבודתו. "הוא היה נחוש מאוד, ממוקד מאוד, ועבד מאוד מאוד קשה".

תוך כמה חודשים עמדו גדל ועמיתיו באתגר, וגרמו לחיידקים לייצר אינסולין פעיל של אדם באמצעות הפלסמידים המהונדסים. "הייתה תחרות די קשה, בעיקר עם שתי קבוצות נוספות, אחת באוניברסיטת קליפורניה בסן פרנסיסקו, והשנייה באוניברסיטת הרווארד, בהובלת וולטר גילברט, שממנה חששנו במיוחד", סיפר גדל בריאיון. "אבל זה היה חלק ממה שמושך בתחום הזה, ולא יכולנו לעשות את זה כל כך מהר אלמלא הייתה לנו תחרות כזאת".

הייצור המוצלח של האינסולין הרקומביננטי ב-1978 היה רק תחילת הדרך. בשלב הראשון הצליחו החוקרים לייצר רק כמויות זעירות, והיו צריכים לשכלל את השיטה ולמצוא דרכים לייצר אינסולין בכמות גדולה, במפעל שהחברה שכרה לשם כך בסן פרנסיסקו. במקביל התחילה החברה בהליכים לבדוק את יעילות האינסולין שלה כדי לקבל את האישור לשווק את התרופה. לשם כך חברה ג'יננטק לענקית התרופות איליי לילי (Eli Lilly), שהייתה אחת מיצרניות האינסולין הגדולות והוותיקות ביותר עוד מימי בנטינג, כמעט 60 שנה קודם לכן.

ב-1981 פרסמו מדעני החברה את ממצאי הניסויים הטרום-קליניים, כלומר אלה שבדקו את יעילות החלבון רק במבחנה. במקביל החלו לבחון את האינסולין הרקומביננטי על בעלי חיים, ולאחר מכן על בני אדם. ההצלחה הייתה מרשימה. בחודש מאי 1982 הגישה החברה את האינסולין שלה לאישור מינהל המזון והתרופות של ארצות הברית (FDA), תחת השם Humulin, קיצור של Human Insulin, כלומר אינסולין של אדם, להבדיל מזה שהופק מבעלי חיים. כעבור חמישה חודשים בלבד אישר המינהל לשווק את האינסולין הרקומביננטי. זו הייתה התרופה המהונדסת הראשונה שאושרה לשימוש.

ניצחו בתחרות ופרצו את הדרך לאחרים. כמה פורמולציות של ההומולין של ג'יננטק, לצד פורמולציות חדשות אחרות של אינסולין על מדף מקרר בית המרקחת | צילום: DR P. MARAZZI / SCIENCE PHOTO LIBRARY

המאבק בעיצומו

ארבעים שנה אחרי ייצור האינסולין הרקומביננטי הראשון, שוק האינסולין מגלגל מיליארדי דולרים בשנה, וצפוי להמשיך לגדול עקב התגברות התחלואה בסוכרת. עם השנים פיתחו חברות התרופות סוגים נוספים של אינסולין מהונדס, למשל כאלה שמשחררים את החלבון באופן איטי ומבוקר, ומאפשרים להפחית את תדירות הזריקות.

עם השנים הצטרפו אליו עוד מאות תרופות מהונדסות רבות. שוק התרופות המהונדסות מגלגל כ-100 מיליארד דולר בשנה, כשבראשן נוגדנים, הורמונים וגורמי גדילה. כמה מהן, אגב, פיתח גדל עצמו, שהמשיך לעבוד בג'יננטק עד 1991, למשל גורם גדילה סינתטי ואינטרפרון סינתטי. גדל היה אחד האחראים העיקריים לצמיחתה העצומה של החברה, שמעסיקה יותר מ-13 אלף עובדים, ומחזור המכירות שלה מגיע ליותר מ-24 מיליארד דולר בשנה.

האינסולין המהונדס הציל את חייהם של מיליוני חולי סוכרת, והאריך את חייהם של רבים נוספים. עם זאת, אין מדובר בתרופה לסוכרת עצמה אלא רק לתסמין בולט שלה. יתרה מזו, ככל שהטיפול באינסולין האריך את חייהם של חולי הסוכרת, נחשפו גם הסיבוכים הרבים הכרוכים בחיים ממושכים עם המחלה, ובכלל זה נזקים לכלי הדם הקטנים המובילים לנמקים ואף לקטיעת רגליים, לעיוורון, לפגיעה בכליות ועוד. המאבק בסוכרת עדיין בעיצומו, והיום הבינלאומי להגברת המודעות למחלה מצוין מדי שנה ב-14 בנובמבר, יום הולדתו של פרדריק בנטינג.