שיטה חדשה מאפשרת לייצר בקלות חלקי נגיפים ולהכניס בהם שינויים גנטיים בעזרת שימוש בשמרים. השיטה עשויה לסייע בחקר מגפות ובהתמודדות עמן

חוקרים בשווייץ פיתחו שיטה שמאפשרת לייצר במהירות חלקיקי נגיפים בעזרת שמרים. השיטה תעזור למדענים לחקור את מגפת COVID-19, וכן לזרז את יכולת התגובה של אנשי המדע למגפות עתידיות.

הדיווחים על מחלה חדשה שמתפשטת בסין הופיעו לראשונה בסוף דצמבר 2019, וב-10 בינואר פורסם הרצף הגנטי של מחולל המחלה, נגיף הקורונה SARS-CoV-2. כשזה קרה, הווירולוג פוֹלְקֶר תִיל (Thiel) מאוניברסיטת ברן בשוויץ כבר היה מוכן לקרב. תִיל חוקר נגיפי קורונה כבר 25 שנה – עוד לפני שהנגיפים מהמשפחה הזאת פרצו לתודעה הציבורית העולמית בזמן מגפת הסארס בתחילת האלף הנוכחי. התפרצות הנגיף החדש אפשרה לו לבדוק שיטה חדשה שפיתח בתקופה האחרונה, שמטרתה להרכיב את הרצף הגנטי של נגיפים בעזרת שמרים.

חוקרים שמתמחים בנגיפים צריכים בדרך כלשהי לייצר חלקיקי נגיפים, שבהם ישתמשו כדי להדביק תאים או חיות מעבדה, וכן לבדוק תרופות או תגובה חיסונית. הדרך הפשוטה ביותר היא לקחת נגיפים חיים, שמסוגלים להדביק תאים ולהשתכפל בהם, להחדיר אותם לתאים בתרבית ולאסוף את הנגיפים שהתאים מייצרים. אולם כך אפשר ליצור רק עותקים של אותו נגיף. אם רוצים לעשות בו מניפולציות גנטיות כדי לחקור את השפעתן על הנגיף, נוהגים להחדיר את החומר הגנטי של הנגיף הנחקר לתוך חיידקים או נגיפים אחרים, שבהם קל יחסית לערוך שינויים גנטיים.

אולם נגיפי קורונה מציבים בפני החוקרים בעיה כפולה: ראשית, החומר הגנטי של נגיפי הקורונה הוא RNA, לא DNA, דבר שמקשה מאוד לעשות בו שינויים. שנית, כמות החומר הגנטי (הגנום) של נגיפי קורונה היא הגדולה ביותר מכל נגיפי ה-RNA, וכוללת כ-30 אלף חומצות גרעין – אבני הבניין שמהן מורכב החומר הגנטי. לשם השוואה, לנגיף האבולה יש 19 אלף חומצות גרעין, לנגיפי השפעת יש כ-12 אלף, לנגיפי זיקה או אדמת יש כעשרת אלפים, ולנגיף הפוליו רק כ-7,000 חומצות גרעין. הבעיה היא שצופן גנטי גדול לא נשמר כהלכה בתוך חיידקים – הם נוטים לחתוך מתוכו מקטעים שמפריעים להם.

בעבר פיתח תִיל שיטה להחדרת RNA של נגיפי קורונה לתוך החומר הגנטי של נגיפי וַקְסִיניָה – בעלי גנום DNA ארוך במיוחד הכולל כמאתיים אלף חומצות גרעין – ולשכפל אותו בתרביות של תאי אדם או תאי עכבר. אולם זה היה תהליך מורכב וממושך, במיוחד אם גם רצו להכניס שינויים בחומר הגנטי הנבדק.

חקר נגיפי קורונה במכון לווירולוגיה ואימונולוגיה באוניברסיטת ברן | צילום: IVI, אוניברסיטת ברן
עבודה מסובכת ומסוכנת. חקר נגיפי קורונה במכון לווירולוגיה ואימונולוגיה באוניברסיטת ברן | צילום: IVI, אוניברסיטת ברן

הפתרון: שמרים

שמר האפייה (Saccharomyces cerevisiae) מלווה את האנושות כבר אלפי שנים ומשמש להכנת בירה, יין ולחם. השימוש בשמרים למחקר החל עוד בימי לואי פסטר, שהראה שהם יצורים חיים. בשנים האחרונות משתמשים בהם גם להנדסה גנטית של מערכות גנטיות מורכבות, כגון ייצור החומרים הפעילים בקנביס, ואף להרכבת קוד גנטי מלאכותי של חיידק, יישום שהעניק לתִיל השראה לפתח שיטה מהירה להרכבת RNA של נגיפים בשמרים.

השיטה, שפורסמה לאחרונה במאמר בכתב העת Nature, פשוטה למדי: תִיל ועמיתיו חתכו את החומר הגנטי של הנגיפים לכמה פיסות וייצרו עותקי DNA שלהן. כשהחדירו לשמרים את חלקי החומר הגנטי, השמרים הרכיבו בעצמם את כל החלקים יחד בסדר הנכון בתוך כרומוזום (מולקולת DNA) מלאכותי. כך הצליחו החוקרים, עוד לפני פרוץ המגפה, להרכיב את החומר הגנטי של שלושה נגיפי קורונה שונים שפוגעים באדם: סארס, MERS ונגיף נוסף שגורם להצטננות, וכן נגיף קורונה שפוגע בעכברים ונגיף זיקה ממשפחת נגיפי פלאוויוירוס. לאחר שהנגיף נמצא בכרומוזום מלאכותי בשמר, אפשר להפיק את ה-DNA שלו מהשמרים וליצור ממנו במבחנה העתקי RNA שניתן להרבות מהם נגיפים חדשים.

כשפרצה המגיפה הנוכחית, תִיל לא המתין לקבל עותקים חיים של הנגיף. כבר ב-14 בינואר – שלושה ימים בלבד אחרי שפורסם הרצף הגנטי של הנגיף – הזמינו הוא ועמיתיו מחברת הגנטיקה GenScript פיסות DNA שיוצרו באופן מלאכותי. ה-DNA הגיע למעבדה ב-5 בפברואר, ושבוע לאחר מכן כבר הצליחו להרכיב את הנגיף בתוך שמרים, ולאחר מכן להפיק מהם חלקיקי נגיף בתאי תרבית.

מכיוון שבשיטה הזו קל מאוד להכניס מוטציות או שינויים ברצף הגנטי, על אחת כמה וכמה בהזמנת DNA מלאכותי, יצרו החוקרים מגוון של מוטציות באזור בקצה הרצף הגנטי של הנגיף, שמייחד אותו לעומת נגיפי קורונה אחרים. המטרה היתה לראות אם המוטציות פוגעות בכושר ההתרבות של הנגיף, וכך אולי להתרכז באזור זה לפיתוח טיפולים עתידיים. במקרה הזה נמצא שהאזור לא משפיע כמעט על התרבות הנגיף בתוך תאים נגועים, אולם עצם הבדיקה הדגימה היטב כמה פשוטה ומהירה השיטה לייצור נגיפים עם מוטציות לצורך מחקר.

מאז החלה המגפה התגלו בנגיף מוטציות רבות, אך לא ברור איך כל אחת מהן משפיעה על קצב ההדבקה, על יעילות הייצור של נגיפים חדשים ועל חומרת המחלה. השיטה החדשה תסייע לחוקרים ליצור בקלות ובמהירות נגיפי קורונה עם מוטציות ולבחון איך הן משפיעות על התנהגותם. יש לקוות שכך יואץ קצב המחקר ונוכל לפתח מהר יותר טיפולים נגד המחלה.