חיידקים מאירים

מושבות של חיידקים מאירים על מצע מזון.

חיידקים מאירים הם מתגים אל-אווירנים פקולטטיבים בעלי שוטונים החיים בים כספרופיטים חופשיים או כסימיביונטים של דגים, נמטודות וסרטנים.

תופעת ההארה הביולוגית (bioluminescence) קיימת גם בפלנקטון מסוג דינופלגלטים, בבעלי חיים ימיים כדגים, מדוזות ותמנונים וביבשה בגחליליות, פטריות, נמטודות ועוד. עקרונות הפעולה של מערכת ההארה באאוקריוטים דומים וההבדל העיקרי הוא בלוצפרין (Luciferin), הסובסטרט שעליו פועל הלוציפראז ובמבנה החלבונים של הלוציפרז.

טקסונומיה של חיידקים מאירים

קיימים ארבעה סוגים:

• פוטובקטריום (Photobacterium): המין המרכזי בסוג זה הוא P.leiognathi- המתקיים כסימיביונט על דגים ממשפחת ה־Leiognathidae וגם כספרופיט חופשי במים מלוחים. P.phosphoreum, ספרופיט חופשי במים עמוקים וקרים.
• Vibrio: שבתוכו נכללים המינים V.harveyi, V.splendida, V. ficheri, V.logei וגם V.cholerea (זן מאיר שאיננו פתוגני).
• Xenorhabdus: הסוג היחידי הקיים במים מתוקים.
• Alteromonas: כולל מין אחד, A.hanwdai.

ההבחנה בין המינים נעשית על סמך הבדלים מורפולוגים ושעור ההיברידיזציה של ה־DNA. ישנה התאמה בין תפוצת המינים לתנאי הסביבה כמו טמפרטורת המים, מליחות ואפשרות לסימביוזה. הביוכימיה של ההארה של כל החיידקים המאירים היא זהה, אך קיימים שינויים בבקרה על ההארה - כלומר מתי מופעלת מערכת ההארה.

אקולוגיה של חיידקים מאירים

סימביוזה בין חיידקים מאירים ובעלי חיים

סימביוזה בין דג מים עמוקים וחיידקים מאירים

מבחינים בין בעלי חיים וצמחים שיש להם מערכת הארה עצמית כמו גחליליות ובין הארה באמצעות סימביוזה עם חיידקים מאירים, בעיקר מהסוגים Phosphobacterium ו-Vibrio.

הדוגמה האופיינית היא הסימביוזה בין הדג ממשפחת ה־Leiognathidae, שחי במים עמוקים ומצויד בכיסים המכילים חיידקים מהסוג P.leiognathi. האור המוקרן מאיבר ההארה שמתחת לעיניהם ומאפשר לדג לראות טוב יותר במים החשוכים, ומספק לחיידקים תנאי חיים טובים, מזון, חמצן ואלדהיד הנחוץ להארה. ריכוז החיידקים יכול להגיע ל 10⁹ חיידקים למ"ל. בחיידקים אלה חל שינוי במבנה הגן LUX המאפשר התאמה לסימביוזה. ההארה משמשת גם כפתיון לצייד באמצעות "חכה", כאשר איבר ההארה בקצה החכה.

החשיבות האקולוגית של החיידקים המאירים

חיידקים מאירים, בעיקר בסימביוזה עם בעלי חיים בים מהווים מרכיב במערכת האקולוגית בעיקר בעומק הים שם שוררת חשיכה. מלבד הגדלת שדה הראיה של הדג האור מהווה כלי למשיכת טרף, לתקשורת בין דגים, לאזהרה או זיווג. החיידקים המאירים כספרופיטים חופשיים מתרבים על חלקיקי חומר אורגני השוקע במים, והאור הנוצר מושך אליו בעלי חיים הניזונים ממנו.

מערכת ההארה בחיידקים

היתרון האבולוציוני של מערכת ההארה

הארה ביולוגית במחזור האורגני בים. חיידקים מאירים משתתפים בתהליך המיחזור של חומר אורגני השוקע לקרקעית, על ידי סימון החומר ומשיכת ספרופיטים ימיים, סימביוזה עם דגים, וריחוף במים באגרגטים של חומר אורגני צף. מימין לתמונה הדגמה לקשר לעומק הים ולפעילות החיידקים.

חיידקים מאירים מקרינים אור באורכי גל בתחום 472–545 ננומטר בעוצמות שונות בהתאם לסוג ובהתאם לתנאי הסביבה. עוצמת ההארה בתחום של 1,500- 100,000 פוטונים לשנייה לחיידק. העוצמה תלויה בנוכחות חמצן, אלדהיד ארוך שרשרת המכונה לוציפרין ובצפיפות החיידקים. המקור האבולוציוני לתהליך זה בחיידקים האנאירוביים המאירים הוא הצורך להיפטר משחרור פראוקסיד-חמצן אטומי (O⁰) כאשר הם נמצאים בסביבה אירובית.

כחיידקים אנאירוביים, הם חסרים חלק ממערכת אנזימים הקיימת בכל בעלי החיים האירוביים - אנזימים המאפשרים תהליך חמצון בנוכחות חמצן מולקולרי תוך ניצול האנרגיה לצורכי התא מבלי לשחרר חמצן אטומי. ולכן בנוכחות חמצן נוצר רדיקל המכיל חמצן כאטום חופשי היוצר במים H₂O₂ (מימן על חמצני) שפועל כמחמצן תרכובות אורגניות ותוקף את מרכיבי התא החי ולכן רעיל. מערכת ההארה מאפשרת שחרור האנרגיה תוך מיחזור האלדהיד ללא שחרור הרדיקל. את התהליך מאפשר האנזים לוציפרז והסובסטרט בתהליך זה הוא אלדהיד ארוך שרשרת המכונה לוציפרין, המתחמצן לחומצה.

המבנה והפעולה של לוציפראז

לוציפרז הוא אנזים מטיפוס Mixed function Oxidase המורכב משתי תת-יחידות הנוצרות בנפרד אך מתחברות זו לזו במהלך הקשירה לאלדהיד. האנזים נמצא בציטופלסמה של כל החיידקים המאירים אך יש שוני בין המינים במבנה החלבונים ונמצא גם קשור לממברנה בחיידק P.leiognathi.

המסלול הביוכימי של ההארה הבקטריאלית מתחיל בקשירה של תת-יחידה 1 של הלוציפרז ל־FMNH2 שנוצר מחמצון סובסטרט אורגני בנוכחות חמצן. בהיעדר אלדהיד המכונה לוציפרין יתפרק הקומפלקס תוך שחרור H2O2 בתהליך ספונטני. בנוכחות הלוציפרין (אלדהיד ארוך שרשרת הכוללת 8–14 פחמנים) נקשר הקומפלקס של שני חלקי האנזים לאלדהיד ו-FMNH2 . האלדהיד יתחמצן לחומצה (RCOOH) והאנרגיה האצורה תשתחרר באמצעות חלבון (emitter) המשחרר את האנרגיה בפליטת פוטונים. אורך הגל נקבע על ידי כרומופור. כדי לאפשר המשך התהליך משקיע התא אנרגיה לחיזור החומצה חזרה לאלדהיד ולא מנצל את האנרגיה המתקבלת מחמצון האלדהיד, כל זאת כדי למנוע שחרור H₂O₂ ולהפיק אור כמתואר בתהליך:

^{Hv +} ${\ce {FMNH2 + RCHO + O2 ->[luciferase] FMN + RCOOH + H2O}}$

שלבי התהליך

תהליך ההארה. חימצון, שחרור האנרגיה כאור, וחיזור הלוציפרין לשימוש חוזר.

1. E (אנזים) + RCHO (אלדהיד) + FMN-H (פלווין מונו נוקליאוטיד שמשמש להעברת מימן בתהליכי חמצון) יוצר קומפלקס.
2. הקומפלקס מתקשר לחלבון המכונה BFP שמאפשר שחרור האנרגיה בתהליך חמצון האלדהיד לחומצה בנוכחות חמצן.
3. האנרגיה מועברת לכרומופור הנקרא emitter, שקובע את אורך הגל ומשחרר אנרגיה בצורת פוטונים. הקומפלקס מתפרק למרכיביו.
4. החומצה המשתחררת מחוזרת לאלדהיד תוך צריכת אנרגיה ${\ce {RCOOH->[{NADPH->NADP}][{ATP->ADP}]RCHO}}$ באמצעות האנזים מריסטיל רדוקטז.
5. התהליך חוזר שוב לקשירת האלדהיד לקומפלקס חדש.

הבקרה על ההארה

כבר בשנות ה־20 של המאה הקודמת הבחינו חוקרים כי חיידקים מאירים, בעיקר מהמינים Photobacterium ו Vibrio מתחילים להאיר רק כשהצפיפות של התרבית עולה על כ-10⁵ חיידקים בסמ"ק. כאשר גידלו חיידקים בצפיפות נמוכה במי-ים מסוננים שבהם הייתה תרבית צפופה ומאירה החלו גם החיידקים הבודדים להאיר. נמצא שהחיידקים בשלבי ההארה יוצרים ומפרישים תרכובת ייחודית המפעילה את מערכת ההארה הנקראת משרן (Inducer). האינדוסר בודד ונמצא ייחודי למין החיידק אף כי לפעמים יכול אינדיוסר של מין אחד להפעיל את מערכת ההארה במינים אחרים. נמצא שהאוטואינדוסר של החיידק P.ficheri הוא Homoserine Lactone. הוספת האינדוסר גרמה ליצור מידי של כל מרכיבי מערכת ההארה: (לוציפרז, מריסטיל רדוקטז, אלדהיד רדוקטז, כרומופור ו־BFP) תהליך זה מתרחש על הגן האחראי על כל מערכת ההארה הנקרא LUX. האינדוסר נקשר לרצפטור הנמצא באזור הרגולטיבי של הגן מפעיל אותו וגורם לשעתוק של הגן ל-mRNA המקודד לייצור מרכיבי המערכת על ידי הריבוזומים. במצב חשוך הרצפטור חסום על-ידי מעכב ( repressor). האינדיוסר מתחרה על עם המעכב על הקישור לרצפטור כך שקיימת בקרה המותנית בריכוז האינדיוסר. מלבד האינדוסר ישנם פקטורים נוספים היכולים להשפיע על הפעלת מערכת ההארה כמו הוספת גלוקוז הגורמת להפסקת פעולת הגן בתהליך הנקרא רפרסיה קטבולית (עיכוב על ידי עקיפת המסלול) בחיידקים מהמין V.harvei. הביטוי של מערכת ההארה מוגבר על-ידי הוספת חמצן. תופעה זו מסבירה את הופעת ה"ניצוצות" או "כוכבים" הנצפה בלילה בים שבו חיידקים מאירים חופשיים או כפלנקטון. גורמים נוספים המשפיעים על ביטוי המערכת הם טמפרטורת המים, נוכחות חומצות אמיניות, ריכוז המלח וריכוז האלדהיד המשמש כסובסטרט הממוחזר בתהליך ההארה.

מוטציות במערכת ההארה

מוטציות בגן LUX יכולות לפגוע בחסימת הגן כולו, על-ידי פגיעה בפרומוטור (הקוד שמפעיל את תחילת השעתוק), אבל גם בכל אחד מקטעי הגן. מוטציה בגן ליצירת אחד מ-2 חלקי הלוציפרז תגרום ליצירת מוטנט חשוך. במוטנטים מסוג זה אפשר לקבל תיקון פעילות של לוציפרז בגלל תרגום שגוי של ה־RNA על ידי הריבוזומים. תופעה זו נקראת קריאה שגויה. מוטציה בקטע ליצירת האנזימים מריסטיל רדוקטז או אלדהיד רדוקטז גורמת להארה חלשה, המוגברת עם הוספת אלדהיד למצע. בעוד מוטציות בקטע האחראי על יצירת הכרומופור ו־BFP גורמת למוטנט חשוך.

קיימים מוטנטים שלא מייצרים אינדוסר פעיל, אבל מגיבים לאינדיוסר שמופרש מחיידקם מאירים שבסביבתם. לכן תרבית מוטנט זה יאירו רק בנוכחות אינדוסר של תרבית מאירה. מוטנטים שבהם האינדוסר לא מפעיל את המערכת אף כי כל מרכיביה קיימים, הם חשוכים. אבל ניתן להפעיל את המערכת על-ידי הוספת חומרים הפועלים ישירות על הרצפטור כמו פרופלווין וצבעי אקרידין מאפשרים קבלת הארה מקסימלית גם בריכוזי חיידקים נמוכים וללא אינדוסר. מוטנטים שהאינדיוסר שבסביבתם אינו חודר לתא, ולכן אינם מושפעים מריכוזו בסביבה. במוטנטים אלה ההארה נגרמת על ידי האוטואינדוסר העצמי שמופרש לתוך התא, ולכן עוצמת ההארה קבועה. מוטנטים אלה נקראים קונסטיטטבים בעוד שכאשר המערכת מופעלת על-ידי אינדיוסר חיצוני או צבעי אקרידין עצמת ההארה גדלה בהכפלה לוגריתמית והם נקראים אינדוקטיבים.

שימוש בחיידקים מאירים ברפואה ובמחקר

שימוש בחיידקים מאירים לניטור חומרים טוקסיים במים ובאוויר

עוצמת ההארה של תרבית רגישה במיוחד לנוכחות חומרים טוקסיים המשפיעים על חדירות התא או על המטבוליזם שלו, כמו מתכות כבדות, מלחים, מעכבי חימצון ועוד. גידול תרבית רציפה מאפשר מעקב אוטומטי רציף על איכות המים ללא צורך בדגימות. שימוש במוטנטים המוזכרים לעיל מאפשר שליטה ברגולציה על ההארה וקבלת הארה אחידה ובלתי תלויה בצפיפות ולכן אפשר להשתמש בהם לניטור טוקסינים, חומרים אנטיביוטים ומתכות כבדות. התגובה המהירה של המערכת והרגישות הגבוהה של מכשירים לעוצמת האור הביאו כבר לשימוש מסחרי במערכות בקרה על טיב המים.

שימוש בלוציפרז כגלאי במערכות דיאגנוסטיות

הפקת מערכת התאורה והפעלתה מחוץ לחיידקים (וגם מגחליליות) מאפשרת שימוש כגלאי או סמן מאיר לנוכחות אנטיגנים ונוגדנים או גלאי (פרוב) לסימון קטעי DNA ו RNA או תאים סרטניים. ומהווה מרכיב בערכות מהירות ורגישות לבדיקות דיאגנוסטיות. לעיתים מערכת הפיתוח של הקיט מכילה את שאר מרכיבי המערכת בזמן קריאת התוצאות למשל בדיקת RNA לקורונה.

העברת מערכת ההארה לחיידקים ובעלי חיים

כבר בשנות ה־80 של המאה הקודמת הוכיחו חוקרים כי ניתן לבודד את הגן LUX ולהעביר אותו באמצעות פלסמיד לחיידקי E.coli ובהמשך גם לבעלי חיים איוקריוטים ואף לצמחים ועכברי מעבדה שהחלו להאיר עם הוספת אינדוסר. אף כי כיום משתמשים למטרה זו במערכת ההארה של גחליליות אך המנגנון זהה ומאפשר מעקב על תהליכים פיזיולוגים, רבייה ומחלות שונות בבעלי חיים וצמחים.

ראו גם

• ביולומינסנציה