הנדסה גנטית בצמחים

פריצת דרך בהנדסה גנטית של הצומח תאפשר לייצר צבעים חדשים וייחודים של פרחים. רוצים ורד כחול? עץ בצבעי שלכת? זה אפשרי.

כתבו: ד"ר חיה פרידמן וד"ר נקדימון אומיאל

בשנים האחרונות, צצות חדשות לבקרים נפלאות הביוטכנולוגיה וההנדסה הגנטית. תחומים אלה של מחקר ביולוגי מתפתחים במהירות והופכים בשלבים את רעיונות סופרי המדע הבידיוני - למציאות. שיכפול חיות (כמו הכבשה "דולי") ובני אדם, ממלאים את עמודי החדשות. באופן מעשי, כבר מייצרים כיום תרופות בשיטות ביוטכנולוגיות, התאפשרה הפריה חוץ-גופית והשתלת עוברים בבעלי חיים ובאדם, פותחו זני צמחים עמידים למחלות ולחרקים ע"י השתלת (שיבוט) גנים ועוד.

אך לא הכל ורוד בעתיד ההנדסה הגנטית, יש עננים שחורים התלויים מעל ראשינו ומשתרעים עד לאופק הרחוק, אך על כך ייכתב בהזדמנות אחרת.
פריצת דרך חשובה באפשרות לתכנן ולייצר צבעים חדשים ויחודיים של פרחים נעשתה על ידי קבוצת המחקר של ד"ר מרקורי ופרופ' סכיבה וחובריהם (ממכון המחקר לניסויים בפרחים, בעיר סנרמו באיטליה). הקבוצה הצליחה לייצר שני צמחים, יפעה גדולת-פרחים (ליזיאנתוס) (Eustoma grandiflorum) וגרמית אקלון (Osteospermum ecklonis), בהם הפרחים לבנים באור רגיל וזוהרים בצבע ירוק כאשר הם נחשפים לאור אולטרה-סגול. אמנם, להמצאה חדשנית זו יש ישומים מעשיים בעיקר במועדוני ריקודים ובמקומות דומים, בהם קיימת תאורה המכילה מרכיבים אולטרה-סגוליים, אך השלכותיה פותחות מרחב חדש לצבעים מהונדסים.
בצמחים, צבעי העלים והפרחים נוצרים ע"י שלוש קבוצות של חומרים כימיים אורגנים (ושילובים ביניהם), הנקראים צבענים (פיגמנטים), אותם "יודעים" הצמחים לייצר באופן טבעי.
הקבוצה הראשונה היא הכלורופילים,
הנותנת לצמח את צבעיו הירוקים ומאפשרת לו להפעיל את "בית-החרושת" של הפוטוסינטזה. הכלורופילים מצטברים בתא בתוך הפלסטידות (כלורו-פלסטידות), המהוות את בתי החרושת של הפוטוסינטזה בתאי הצמח.
בתהליך הפוטוסינטזה, אנרגיית האור (שמש) נלכדת ע"י הכלורופיל ומשמשתלהפיכת דו-תחמוצת הפחמן שבאוויר ומים (תוך שיחרור חמצן נקי), לסוכר המשמש דלק כימי להנעת כל התהליכים בתאי הצמח. הצבע הירוק הוא תוצר מישני של קיום הפוטוסינטזה בצמח.
הקבוצה השניה של צבענים, היא קבוצת ה"קרוטנואידים",
מולקולות אורגניות ארוכות הדומות בחלק מתכונותיהם לשומנים. הקרוטנואידים משתתפים כאבני בנין בהרכב קרומי התא ויש להם גם תפקידים וחשיבויות אחרות. לדוגמה, ויטמין A שייך לקבוצת הקרוטנואידים ונוצר מהם. הקרוטנואידים מצטברים בתא בתוך הפלסטידות (כרומו-פלסטידות) ויוצרים בעלי כותרת של פרחים שונים ובפירות מגוון של צבעים מצהוב וכתום (צבע הגזר) ועד לאדום (צבע העגבניה).
קבוצת הצבענים השלישית היא קבוצת ה"אנטוציאנינים".
 זו קבוצה של מולקולות אורגניות גדולות ומורכבות יחסית, המסיסות במים ומצטברות בתוך התמיסות המימיות שבחללית התא. האנטוציאנינים השונים והשילובים ביניהם, נותנים לפרחים, לפירות ולעלווה את הצבעים (גם צבעי שלכת) בתחומי צהוב, ורוד, אדום, סגול וכחול.
יש צבעים שנוצרים כתוצאה משילוב של קבוצות שונות של צבענים. לדוגמה, כאשר בכלורו-פלסטידות יש כלורופיל ירוק ובנוזל חללית התא יש אנטוציאן אדום, נראה לעין צבע חום בגוונים שונים. כמו-כן, כאשר בעלי הכותרת של נוריות יש בכרומו-פלסטידות קרוטנואידים צהובים ובנוזל חללית התא יש אנטוציאן ורוד, נראה לעין צבע קרם (בהיר או כהה). צבע "שחור" (צבע כהה המופיע בצמחים רבים, שהסתכלות מקרוב מגלה בו גווני סגול או חום) מתקבל משילוב של צבענים ירוקים עם כחולים ואדומים.

הצלחות חלקיות
עד כה, בוצעו בשנים האחרונות ניסויים לשנות את צבע הפרחים בהנדסה גנטית, ע"י שינוי הייצור של הצבענים מקבוצת האנטוציאנים (ייצור ורד או ציפורן כחולים), או מקבוצת הקרוטנואידים (ייצור יפעה {ליזיאנתוס} צהובה). למורת רוחם של החוקרים, ההצלחות היו חלקיות, במקרה הטוב. הסיבה לכך היא, שכל אחת משלושת קבוצות הצבענים (כלורופילים, קרוטנואידים ואנטוציאנים) מיוצרת בצמח במסלול ביוכימי מורכב מאד, בו לוקחים חלק בשלביו השונים מספר רב של אנזימים (הנשלטים ע"י הגנים) המפקחים באופן סידרתי על שלביו השונים של הייצור.
כתוצאה מזאת, על מנת להנדס צמח לצבע חדש (לדוגמה ורד כחול), יש צורך לבנות בו מספר גנים (אנזימים) שיתבטאו בתאיו באופן סידרתי וייצרו בשלבים את הצבען הכחול. לרוע המזל, עד כה שיטות ההנדסה הגנטית הקיימות, אינן מאפשרות לשבט בגרעין התא מספר רב של גנים אשר יפעלו באופן סידרתי ומתואם לקבלה והצטברות המוצר הסופי הרצוי. זאת הסיבה העיקרית לכך שלמרות המאמצים הרבים והשקעת הון עתק בנושא, עד כה עדיין אין ורד (ממש) כחול וציפורן (ממש) כחולה.
העבודה של ד"ר מרקורי וחבריו חדשנית, בכך שהכניסה לפרחים קבוצה חדשה לחלוטין של צבענים, הבנויה מחלבונים בעלי צבע, השונה מהותית מקבוצות הצבענים הטבעיות. פריצת הדרך היא בכך, שהצבען החדש הינו חלבון פשוט יחסית (הנקרא Protein Green Fluorescent - PGF), תוצר של גן אחד בלבד, אותו קל יחסית (בשיטות הקיימות) לשבט ולבטא במגוון אורגניזמים שונים. לדוגמה, את הגן לחלבון זה שיבטו לעכברים והתוצאה היתה שעכברונים שרק נולדו (עדיין ללא פרווה) זהרו בצבע ירוק-טורקיז כאשר האירו עליהם באור אולטרה-סגול.
חלבון זה והגן האחראי לייצורו, מקורם בטבע ממדוזה (Aequorea Victoria) הזוהרת בצבע ירקרק. במדוזה באופן טבעי, החלבון PGF זוהר על ידי קליטת האנרגיה מזהירה של פקטור אחר (לוצפרין) הקשור לחלבון. זהירתו של הלוצפרין היא תוצאה של ריאקציה כימית (תהליך הנקרא ביולומיניסנציה) המתרחשת כתוצאה מקישורו של החלבון למולקולת סידן. אך למולקולת ה-PGF יכולים להיות גם חיים עצמאיים: כאשר היא מוארת באור אולטרה-סגול מולקולה זו זוהרת ללא תלות בחומציות של הציטופלסמה* או בקיומם של פקטורים שונים, והיא מולקולה מאוד יציבה שאינה נהרסת על ידי טמפרטורה גבוהה או רמת מלחים גבוהה.
תכונה זו של המולקולה נובעת מקיומו של רצף מסוים של חומצות אמיניות הבונות את החלבון. משום שה-PGF הוא חלבון, ניתן להחליף בו מספר חומצותאמיניות ובהתאמה לשנות את הזהירה של המולקולה. ואכן, שינויים כאלה הביאו ליצירה של חלבון הזוהר באור כחול או באור אדום. כדי שיזהר החלבון בטווח של האור האדום יש להאירו באור כחול, לכן יתכן שחלבון כזה יזהר גם באור הנראה לעין. ראוי לציין שקיימים חלבונים אחרים בטבע שיש להם יכולת זהירה, אך חלבונים אלו לא נחקרו עדיין.
מזה כעשור שנים, משמש הגן לחלבון זה (PGF) במעבדות רבות בעולם, כסמן ויזואלי פשוט בבדיקת יעילות שיטות לשיבוט גנים בהנדסה גנטית. הועלו הצעות, שחלבונים אלה יוכלו לשמש בעתיד לזהות זיהומים גנטיים בצמחים הגדלים קרוב לצמחים מהונדסים. כמו כן ניתן יהיה בעתיד להשתמש בחלבון זה כדי לזהות מצב של הדבקה בפתגונים שונים, טרם הופעת סימנים חיצוניים בולטים.
יתרה מכך, יתכן כי בעתיד יפתחו מיגוון חדש ואקסוטי של צמחיה מעניינת, כיד הדימיון השופע של העוסקים בתחום. לקורא שאינו מצוי בכך, ניתן לדוגמה לשבט את החלבון הזוהר בצבע אדום לאחר הארה באור שמש רגיל, לצמחי האורן ו/או האיקליפטוס ו/או מצעי דשא, כך שיתבטא בעלים, ולגרום ליערות לשמור על צבעי סתיו (אדומים) במשך כל השנה, ללא צורך בקור.

שיטות פשוטות
לאלו שאינם מצויים בחידושי המדע ושיטות העבודה בהנדסה גנטית, הכל נראה כמין מעשה קסמים מסובך. למעשה, השיטות שפותחו (ונרשמו עליהן פטנטים) הינן יחסית פשוטות. לדוגמה, אחת הדרכים לשיבוט גנים היא פשוט לירות את הגנים (הצמודים לחלקיקים זעירים של מתכת) בעזרת "אקדח-גנים" אל מטרה של רקמות צמח. הגנים הם למעשה מקטעי DNA, הוא המרכיב של החומר התורשתי. חלקיקי המתכת, הנושאים עליהם עותקים של DNA המקודדים לגן חודרים לתוך תאי הצמח. בתוך התא מקטעים אלו יורדים מהמתכת ו"שטים" בתוך מוהל התא.
במהלך ה"שייט", חלק ממקטעים אלו מגיע גם לגרעיני התאים. בגרעין מקטעים אלו (לעתים) מגיעים לכרומוזומים (בהם ארוזים כל הגנים המקוריים של הצמח) וע"י אנזימים המטפלים בתיקון ובהכפלת החומר התורשתי הם משובטים (לעתים) לתוך הכרומוזומים, וכך הגן שהוחדר הופך לחלק מהמטען התורשתי של התא.
את התאים שהופצצו עם אקדח-גנים, מעבירים להמשך גידול בתרביות רקמה במעבדה. כאשר הרקמות מתפתחות במבחנה, מזהים בהן את התאים המבטאים את הגן אותו ניסו לשבט לתוך התא. מתרביות התאים הנושאת את הגן ניתן לייצר צמחים זעירים (עם שורשים ועלים) במבחנה. את הצמחים המשובטים אפשר אחר כך להעביר להמשך גידול בחממה. בחלק מהמקרים (לא תמיד) הגן המשובט מקובע בכרומוזומים ועובר בזרעים גם לצאצאי הצמח המשובט.
במקרה הנוכחי, הזיהוי של תאים הנושאים את הגן פשוט וקל יחסית. מאירים את הרקמה באור אולטרה-סגול ומחפשים גושים של תאים הזוהרים בצבע ירקרק כתוצאה ממציאות החלבון הזוהר בהם. את התאים הזוהרים, מפרידים למבחנות עם מצע מזון מתאים ומפתחים אותם לצמחונים מהונדסים המכילים את החלבון הזוהר.
בארצות רבות (כולל במדינות השוק המשותף באירופה) יש עדיין התנגדות חזקה לשחרור צמחים מהונדסים לגידול חופשי בסביבה פתוחה. לכן, עשוי לעבור זמן רב יחסית, עד שנראה בחיי יום-יום מיגוון צבעוני של צמחים מהונדסים מהסוגים שתוארו כאן. בכל מקרה, פריצת הדרך המדעית נעשתה כבר, עתה נותר רק לחכות בסבלנות ליישומים, שבוודאי יבואו.

ספרות
Mercuri, A., Sacchetti, A., De Benedetti, A., Schiva, T., and Alberti, S. (2001) Green Fluorescent flowers. Plant Science, 161: 961-968.

* בחלק מהצבענים הטבעיים, למידת חומציות נוזלי התא יש השפעה על הצבע הנראה לעין

להמשך קריאה על משפחות צמחים