‫מבוא למדעי הצמח ‪ -‬הרצאות‬ ‫‪194‬‬ ‫‪30.05.2010‬‬ ‫שיעור ‪ :18‬ביוטכנולוגיה‬ ‫אנחנו מכירים הרבה תחומים של ביוטכנולוגיה שעוסקים בצמחים‪:‬‬ ‫•‬ ‫שימוש בשמרים להתססת שעורה לייצור אלכוהול‪.‬‬ ‫•‬ ‫שימוש בג'יברלין כדי להגביר נביטה ולפרק עמילן בזרעים‪.‬‬ ‫•‬ ‫גבינות שמשתמשות במיקרואורגניזמים שונים‪ ,‬חיידקים או פטריות‪.‬‬ ‫•‬ ‫לחם‪ ,‬שתפיחתו תלויה בשמרים‪.‬‬ ‫•‬ ‫יין שההתססה שלו תלויה בשמרים‪.‬‬ ‫שימוש בהשבחה הגנטית הקלאסית‬ ‫משפחת החרדלים‬ ‫אנחנו מכירים גם שימוש בביוטכנולוגיה קלאסית – דוגמת אחת היא משפחתו המורחבת של החרדל‪ ,‬שגם‬ ‫הארבידופסיס שלנו נמנה עליה‪ .‬הכרוב הוא תוצאה של הגדלת המריסטמה הקודקודית‪ ,‬שהביאה‬ ‫להתפתחות עלים גדולים יותר; כרוב הניצנים הוא הגדלה של ניצנים חיקיים; כרוב העלים )‪ (kale‬מכיל‬ ‫מוטציה שגורמת לעלים לגדול יותר;‬ ‫קולרבי הוא התרחבות של הגבעול;‬ ‫ברוקולי הוא התעבות של גבעול‬ ‫התפרחת‬ ‫והתפרחות;‬ ‫)‪(Cauliflower‬‬ ‫הכרובית‬ ‫הופכת‬ ‫פרחים‬ ‫לתפרחות שבה פגוע הגן ‪.Ap1‬‬ ‫במשך השנים זוהו מוטציות נוספת‪,‬‬ ‫שגורמות לעלים לגדול יותר וכן‬ ‫הלאה‪ .‬כל הדברים האלה התפתחו על‬ ‫ידי סלקציה טבעית של מוטציות‬ ‫שקרו באוכלוסיות טבעיות ונוצלו‬ ‫על ידי האדם לצרכיו‪.‬‬ ‫חמוטל בן דב‬ ‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬ ‫שיעור ‪ :18‬ביוטכנולוגיה‬ ‫‪195‬‬ ‫העגבניות‬ ‫דוגמה שנייה היא העגבניה – הפירות‬ ‫הקטנים‬ ‫והירוקים‬ ‫מימין‬ ‫הם‬ ‫ליקופרסיקון פנלי )ליקופרסיקון הוא‬ ‫השם המדעי של העגבניה( שהם‬ ‫העגבניה המקורית שנתגלתה בפרו‪.‬‬ ‫הפירות שלה אינם אכילים‪.‬‬ ‫ניתן לראות כיצד במשך השנים‬ ‫הפירות השתנו – מוטציות שגרמו להם לגדול‪ ,‬מוטציות שהפכו אותם לאדומים‪ .‬על ידי השבחה קלאסית‬ ‫האדם הגיע לעגבניה כפי שאנו מכירים אותה‪ .‬המעבר מהפרי המקורי לפרי הקיים כיום הוא תוצר של‬ ‫מוטציות בכמה גנים‪ ,‬לא רבים‪ ,‬הגורמים לייצור מוגבר של קראטנואידים‪ ,‬מגדילים את הפרי‪ ,‬את רמת‬ ‫הסוכרים בפרי וכדומה‪ .‬בסך הכל אלו לא מוטציות רבות‪ 4-5 ,‬ואולי פחות‪.‬‬ ‫יחד עם זאת‪ ,‬המשביחים שהלכו על תכונות מסויימות – חיי מדף‪ ,‬גודל‪ ,‬מתיקות – גרמו לאובדן של‬ ‫עמידות למחלות‪ .‬הפנלי עמיד יותר למחלות מסויימות מאשר האסקולנטום‪ ,‬שהוא מין העגבניה המבוייתת‪.‬‬ ‫יש היום מגמה של ניסיון לשימוש בזנים טבעיים על מנת להשביח ולהכניס תכונות רצויות נוספות לקווים‬ ‫השמישים בתעשייה‪ .‬השיטה הזו של השבחה בגנטיקה קלאסית עדיין נמצאת בשימוש אבל יש לה מגבלות‬ ‫שנראה בהמשך – והראשונה בהן היא אובדן תכונות ואולי גם גרירת תכונות שאנחנו לא מעוניינים בהן‪.‬‬ ‫התירס‬ ‫הדוגמה השלישית שלנו היא התירס – למעלה רואים‬ ‫את האב הקדום‪ ,‬שקשה לזהות את קרבתו לתירס‬ ‫המוכר כיום‪.‬‬ ‫שלוש מוטציות שהביאו להתפתחות של התירס כמו‬ ‫שאנו מכירים אותו היום – גדילה של הגרגרים‪ ,‬יישור הצמח )הצמחים של הטריפסקום מאוד מסועפים‬ ‫והפגיעה של המוטנט הביאה לענף תפרחת מרכזי( והגדלת התפרחת‪ ,‬כל זאת על ידי השבחה שנעשתה‬ ‫מידי שבטי אינדיאנים במרכז אמריקה – אשר הביאו להשבחה של התירס‪.‬‬ ‫מהי ביוטכנולוגיה‬ ‫שימוש או מניפולציה של אורגניזמים חיים או תרכובות אורגניות המופקות מאותם אורגניזמים‪ ,‬על‬ ‫מנת ליצור מוצרים לשימוש האדם‪ .‬ראינו דוגמאות ליין‪ ,‬בירה וגבינות ונראה דוגמאות נוספות – כולל‬ ‫חלבונים שניתן להפיק כתרופות או חומרי מזון שונים וכיוצא באלו‪.‬‬ ‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬ ‫חמוטל בן דב‬ ‫מבוא למדעי הצמח ‪ -‬הרצאות‬ ‫‪196‬‬ ‫אנחנו נלמד כיצד הביוטכנולוגיה המודרנית שונה מההשבחה הנוקטת בשיטות הגנטיקה הקלאסית ונראה‬ ‫כיצד הביוטכנולוגיה משפיעה או יכולה להשפיע על החקלאות‪ ,‬כולל הבעיתיות שנובעת מהשימוש‬ ‫במניפולציה גנטית‪ ,‬שמעוררת גם התנגדות במקומות מסויימים )דוגמת אירופה(‪.‬‬ ‫נראה דוגמה אחת לשימוש בחלבונים מצמחים בתוך תאי יונקים ובני אדם‪ ,‬ומה אפשר לעשות עם הדברים‬ ‫האלו‪ .‬זה ייקשור גם דוגמה שנתנו כבר בהרצאות במעין סגירת מעגל לאותו נושא‪.‬‬ ‫השבחה קלאסית‬ ‫ההשבחה הקלאסית נוקטת בשיטת הגנטיקה‬ ‫הקלאסית‪ .‬אם נמשיל את האינפורמציה של גנום‬ ‫החיטה לספרים‪ ,‬נקבל ‪ 1700‬ספרים עם ‪1000‬‬ ‫עמודים בכל ספר )‪ 1.7‬מיליון עמודים(‪ .‬אם היינו‬ ‫עורמים את כל הספרים האלו אחד על השני היינו‬ ‫מקבלים מגדל שגובנו שווה למגדל בן ‪ 20‬קומות‪.‬‬ ‫האבולוציה של חיטת הלחם – טריטיקום אסטיבום – כפי‬ ‫שנערכה עד היום‪ .‬חיטת הלחם מכילה ‪ 3‬סטים של כרומוזומים‪:‬‬ ‫‪ B ,A‬ו‪ .D-‬מכל סט כרומוזומים יש שני הומולוגים ‪,‬כלומר‬ ‫חיטת הלחם היא הקסאפלואידית – בעלת שישה סטים של‬ ‫כרומוזומים‪.‬‬ ‫הדרך להגיע לכך הייתה הכלאה של שני זנים שיש להם שני‬ ‫סטים שונים של כרומוזומים – אחד הוא ‪ AA‬והשני הוא ‪.BB‬‬ ‫הם יצרו הטרוזיגוט ‪ AB‬שהייתה לו בעיה בחלוקה‪ ,‬ולכן הוא‬ ‫הכפיל כל סט ויצר ‪ .AA BB‬זוהי אם החיטה כפי שאנו מכירים‬ ‫אותה היום‪ .‬בזני הבר השיבוליות מתנתקות מהשיבולת ומפיצות‬ ‫את הזרעים; באם החיטה הייתה מוטציה שמנעה את ההתנתקות‬ ‫ואז האיכרים יכלו לקצור את השיבולים כשכל הגרגרים‬ ‫נשארים עליהם‪ ,‬וכך התחיל למעשה ביות החיטה‪.‬‬ ‫כל תהליך יצירת אם החיטה התרחש באיזור הסהר הפורה שישראל היא חלק ממנו‪ .‬בהמשך הדרך‪ ,‬בשדה‬ ‫באירופה‪ ,‬הזן שמכיל את סט הכרומוזומים ‪ DD‬עבר היברידיזציה עם אם החיטה‪ ,‬וכך התקבלה חיטת‬ ‫הלחם ההקסאפלואידית שהגיעה למזרח התיכון רק בתחילת המאה ה‪ 20-‬עם הטמפלרים הגרמנים – עד אז‬ ‫לא הייתה פה חיטת לחם‪ .‬חיטת הלחם עשירה בגלוטן המעניק ללחם את גמישותו‪.‬‬ ‫הסיבה שבמזרח התיכון אוכלים פיתות היא שהבצק שיצרו מהחיטה המקומית לפני חיטת הלחם )חיטת‬ ‫דורום( לא היה טוב להתפחה‪ .‬מאותה סיבה גם באיטליה היו מייצרים פסטה‪.‬‬ ‫חמוטל בן דב‬ ‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬ ‫שיעור ‪ :18‬ביוטכנולוגיה‬ ‫‪197‬‬ ‫מבחינה גנטית‪ ,‬זה כאילו שיש לנו שתי‬ ‫אנציקלופדיות שונות בנות ‪ 1,700‬כרכים כל אחת‪.‬‬ ‫כאשר הגנומים מתערבבים מקבלים תערובת גדולה‬ ‫של גנים – של תכונות‪ .‬אם בסופו של דבר אנו‬ ‫מעוניינים להגיע למצב שבו עמוד‪ ,‬או חצי עמוד‪,‬‬ ‫מכל האינפורמציה הענקית הזו‪ ,‬יישתנה – זהו‬ ‫עקרון הביוטכנולוגיה‪.‬‬ ‫בשיטות ההשבחה הקלאסית המשביחים עושים‬ ‫אינטרוגרסיה )‪ – (intergression‬מכניסים את‬ ‫הגנום הלבן לגנום האדום‪ ,‬עד שמבודדים איזור קטן‬ ‫יחסית )בן כ‪ 100-200-‬דפים( כך שמקבלים את‬ ‫הגנום האדום עם פיסה קטנה של הגנום הלבן‪.‬‬ ‫לפיכך‪ ,‬אם רוצים לבודד תכונה מסויימת צריך‬ ‫לעבור הרבה מאוד דורות של השבחה כדי להגיע‬ ‫למצב המבוקש‪.‬‬ ‫דוגמה להשבחה כזו היא ההשבחה שעשה נורמן בורלארד‪ ,‬שהביא ליצירת הזנים הנמוכים של החיטה‬ ‫שהיום יודעים שקשורים למוטציות בג'יברלינים‪ .‬הזנים שהוא מצא לא בהכרח היו זנים שאוכלים אותם והיה‬ ‫צריך הרבה השבחה כדי להגיע למשהו כזה‪.‬‬ ‫התכונה שאנו רוצים ניתן להשוותה לחצי עמוד‪ ,‬אבל אנחנו גוררים איתה עוד ‪ 200‬עמודים – אלו תכונות‬ ‫נוספות שגם אם אינן מזיקות הן לאו דווקא מועילות ואנו לא דווקא מעוניינים בהן‪.‬‬ ‫אחת הבעיות אם כן היא בעיה של גרירה‪.‬‬ ‫הבעיה‬ ‫השנייה‬ ‫היא‬ ‫בעיית‬ ‫גידול‬ ‫האוכלוסין‪ ,‬המוצגת בגרף הבא‪ :‬עד‬ ‫תחילת‬ ‫המאה‬ ‫ההיסטוריה‬ ‫ה‪19-‬‬ ‫מאז‬ ‫האנושית‪,‬‬ ‫תחילת‬ ‫האוכלוסיה‬ ‫האנושית הגיעה למיליארד‪ .‬בתוך מעט‬ ‫יותר מ‪ 30-‬שנה האוכלוסיה הכפילה את‬ ‫עצמה; בתוך ‪ 45‬שנה היא הכפילה עצמה‬ ‫שוב; עד שנות ה‪ 40-‬של המאה הנוכחית‬ ‫צופים שהאוכלוסיה תגיע ל‪ 9-‬מיליארד‪.‬‬ ‫האוכלוסיה גדלה בעיקר באיזורי דרום‬ ‫אמריקה‪ ,‬מזרח ודרום אסיה – אוכלוסיות שאוכלות מזון לא מגוון כמו אורז‪ ,‬תירס ותפוחי אדמה –‬ ‫והשבחה בשיטות הקלאסיות אינה מספיקה ואינה מהירה דיה‪ .‬ההשבחה הגנטית המודרנית‪ ,‬בעזרת הנדסה‬ ‫גנטית‪ ,‬יכולה לפתור חלק מבעיות הכנסת התכונות הרצויות שיביאו לעלייה בתפוקה של זני צמחים‪ ,‬תוך‬ ‫קיצור הזמן הנדרש לשם כך‪.‬‬ ‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬ ‫חמוטל בן דב‬ ‫מבוא למדעי הצמח ‪ -‬הרצאות‬ ‫‪198‬‬ ‫הנדסה גנטית מודרנית – הכלים‬ ‫אנחנו‬ ‫צריכים‬ ‫להיות‬ ‫מסוגלים‬ ‫לקחת‬ ‫אינפורמציה של חצי עמוד ולהכניס אותה‬ ‫לגנום החיטה הגדול בלי לעבור את תהליך‬ ‫ההכלאה הקלאסית – הכלאות חוזרות ונישנות‬ ‫שיכניסו את התכונה בסופו של דבר‪.‬‬ ‫אנחנו צריכים להיות מסוגלים לקחת חתיכה‬ ‫של גן הארוזה בתוך ה‪ DNA-‬ומקודדת ל‪mRNA-‬‬ ‫שמסונטז לחלבון שנותן לנו תכונה מבוקשת‪ .‬על מנת‬ ‫ליצור חלבון מסויים‪ ,‬היינו לקחת חתיכה ספציפית‬ ‫של ‪ DNA‬או ‪ RNA‬ולהכניס אותה לצמחים‪ ,‬מוכרות‬ ‫שתי שיטות מרכזיות‪:‬‬ ‫•‬ ‫ביטוי זמני )‪– (Transient Expression‬‬ ‫שיטה המבוססת על וירוסים צמחיים‪ ,‬שיטה‬ ‫מהירה מאוד שיכולה להביא לרמות ביטוי מאוד‬ ‫גבוהות של חלבון מסויים‪ .‬החיסרון המרכזי הוא‬ ‫שכל פעם צריך לעשות הדבקה בחדש בוירוסים‬ ‫על מנת לקבל אוכלוסיה של צמחים שמבטאת את‬ ‫החלבון שאנחנו רוצים לבטא‪.‬‬ ‫•‬ ‫ביטוי קבוע )‪ – (Stable Expression‬השיטה‬ ‫המקובלת יותר עליה נרחיב‪ .‬יוצרים צמחים טרנסגניים שהתכונה שמכניסים בהם עוברת מדור לדור‬ ‫– עושים מניפולציה של ה‪ ,DNA-‬מחדירים את הגן המבוקש ל‪ DNA-‬של הצמח‪ ,‬והגן הזה מורש‬ ‫מאוחר יותר לדורות הבאים של הקו הצמחי‪ .‬השיטה המקובלת‬ ‫לשם‬ ‫כך‬ ‫נעשית‬ ‫בעזרת‬ ‫חיידקי‬ ‫אגרובקטריום‬ ‫)‪ (Agrobacterium tumefaciens‬שיש להם חתיכת ‪DNA‬‬ ‫המכונה ‪ T-DNA‬שהם מעבירים לצמחים באופן טבעי‪ .‬כאשר‬ ‫הם מדביקים את הצמחים הם מעבירים את אותה חתיכת‬ ‫לצמחים ויודעים לגרום לחתיכה הזו להתשלט על הגנום של‬ ‫הצמח‪.‬‬ ‫כשמדענים חקרו את התהליך הם הבינו מה קורה‪ ,‬מה האלמנטים הנחוצים לקבלת טרנספורמציה של‬ ‫הצמח וההשתלבות של המקטע הגנום הצמחי‪ .‬לאחר מכן נעשתה מניפולציה של אגרובקטריום והיום‬ ‫משתמשים בהם ככלי מרכזי ליצירת צמחים טרנסגנים‪.‬‬ ‫חמוטל בן דב‬ ‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬ ‫שיעור ‪ :18‬ביוטכנולוגיה‬ ‫‪199‬‬ ‫האגרובקטריום‬ ‫האגרובקטריום הוא פתוגן שגורם למחלה בצמחים דו‪-‬פסיגיים‬ ‫המכונה "עפץ הכתר" )‪ .(Crown Goal Disease‬העפצים הם‬ ‫גושי הרקמה שניתן לראות באיור‪.‬‬ ‫האגרובקטריום גורם לרקמות להתחלק וליצור את הגושים –‬ ‫אלו רקמות צמחיות לא ממויינות‪ ,‬ממש כמו סרטן – והאגרובקטריום גורם לצמח ליצור כמויות גדולות‬ ‫של אוקסין וציטוקינין שבביטוי בלתי מבוקר הם יוצרים את הגושים‪ .‬הגושים מהווים בית גידול לחיידק‪.‬‬ ‫בתהליך ההדבקה יש כמה שלבים‪:‬‬ ‫•‬ ‫הכרה של צמח המטרה של אגרובקטריום‪.‬‬ ‫•‬ ‫הדבקה‪.‬‬ ‫•‬ ‫טרנספורמציה – העברה של ‪ T-DNA‬מהאגרובקטריום לתאי הצמח וההשתלבות שלו בגנום הצמחי‪.‬‬ ‫•‬ ‫היצירה של העפצים‪ .‬יש לזכור כי האגרובקטריום אינו חודר לתא הצמחי אלא הוא מעביר חתיכת‬ ‫‪ DNA‬לתא‪ .‬אותה חתיכת ‪ DNA‬מכינה את העפץ שמשמש בית גידול של החיידק בשלב מאוחר‬ ‫יותר‪.‬‬ ‫ההכרה‬ ‫אגרובקטריום מדביק צמחים בעיקר באיזורי פציעה‪ :‬שורש מתחכך‬ ‫בקרקע ונוצר פצע; בצמחים מסויימים הצמח מפריש אצטוסירינגון‬ ‫)‪ ,Acetosyringone‬בתמונה משמאל( לאיזור הפצוע‪ ,‬המשמש‬ ‫כחומר הגנה בפני פתוגנים‪ .‬יחד עם זאת‪ ,‬אגרובקטריום דווקא יודע‬ ‫לנצל אותו – יש לו קולטנים שמכירים את החומר הזה וכשהוא‬ ‫קולט אותו הוא מדביק את הצמח‪.‬‬ ‫אילוסטרציית העברת האגרובקטריום לתאי הצמחים‬ ‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬ ‫חמוטל בן דב‬ ‫מבוא למדעי הצמח ‪ -‬הרצאות‬ ‫‪200‬‬ ‫יש לנו צמח שנמצא בקרקע‪ ,‬החיידקים מסומנים בעיגולים קטנים וכתומים‪ .‬עקב פציעה החיידק מזהה את‬ ‫הפרשת האצטוסירינגון והחיידקים מדביקים את הצמח‪.‬‬ ‫בתוך החיידק‪ ,‬ה‪ DNA-‬ארוז בשתי צורות‪ :‬כרומוזום של התא המכיל את מרבית הגנים‪ ,‬ועוד סט של גנים‬ ‫על מבנה קטן יותר המכונה פלסמיד שיודע להשתכפל באופן עצמאי מהכרומוזום‪ .‬בעולם החיידקי ישנם‬ ‫פלסמידים רבים ומגוונים; האגרובקטריום מכיל את הפלסמיד ‪.Ti Plasmid‬‬ ‫טי‪-‬פלסמיד מכיל את ה‪ .T-DNA-‬ברגע שהאצטוסירינגון שמופרש מהצמח נקלט על ידי האגרובקטריום‬ ‫הוא מפריש פנימה את ה‪ T-DNA-‬שנקלט בגנום של הצמח‪ .‬הגנים של ‪ T-DNA‬יוצרים את העפץ‪ .‬זה לא‬ ‫הורג את הצמח כי הגידולים אינם יכולים לנדוד בגוף הצמח )שלא כמו הגרורות הנוצרות בסרטנים‬ ‫אנימליים(‪.‬‬ ‫בנוסף לגנים שיוצרים את העפץ‪ ,‬ה‪ T-DNA-‬מכיל גנים נוספים שגורמים לייצור של קבוצת חומרים‬ ‫המכונים אופינים )‪ .(opins‬האופינים הם תרכובות סוכר וחנקן שמרבית היקרואורגניזמים אינם יודעים‬ ‫לפרק; גם האגרובקטריום לא ממש יודע‪ ,‬אבל בתוך ‪ T-DNA‬יש גם גנים שמפרקים את האופינים‪ .‬בצורה‬ ‫זו האגרובקטריום הופך את העפץ לבית גידול‪ :‬הוא גם גורם לייצור אופינים וגם ייצור אלמנטים‬ ‫שמפרקים אופינים; חומרי הפירוק מתפזרים בקרקע וחיידקי אגרובקטריום אחרים יכולים להתרבות‬ ‫ולגדול‪ ,‬גם אם אינם נמצאים בתוך העפץ‪.‬‬ ‫יש לזכור כי מה שבסופו של דבר עובר לצמח הוא ‪ T-DNA‬ומה שהמדענים למדו לעשות הוא להפוך את‬ ‫האגרובקטריום ללא‪-‬פתוגני וגם לעשות מניפולציה של ה‪ tDNA-‬כך שניתן יהיה להכניס לתוכו גנים‬ ‫שאנחנו מעוניינים לבטא בצמח‪.‬‬ ‫פלסמיד ‪Ti‬‬ ‫הפלסמיד מורכב מ‪ORF (origin of -‬‬ ‫)‪ replication‬שמאפשר לו להשתכפל; כמו‬ ‫כן הוא מכיל את ה‪ T-DNA-‬שהוא החלק‬ ‫שמועבר לצמח‪.‬‬ ‫ה‪ T-DNA-‬מכיל גנים שאחראים ליצירת‬ ‫העפץ – משרים ביטוי מוגבר של אוקסין‬ ‫וציטוקינין – וכן גנים שתפקידם ליצור‬ ‫אופינים ואנזימים שמפרקים אופינים‪ .‬זה מה‬ ‫שנמצא ב‪ T-DNA -‬עצמו‪ .‬יש גם רצפים‬ ‫נוספים שתוחמים אותו ומגדירים את המקטע שישוחרר מה‪ Ti plasmid-‬וישתלב בגנום הצמחי‪ ,‬והם‬ ‫מאוד חשובים לצורך ההנדסה הגנטית‪ ,‬כפי שנראה בהמשך‪.‬‬ ‫מעבר לכך יש עוד קבוצה של גנים‪ ,T-DNA transfer functions ,‬שתפקידם לשחרר את ‪ T-DNA‬אל‬ ‫התא הצמחי ולגרום למקטע הגנומי השתלב בתוכו‪ .‬במיקרואורגניזמים‪ ,‬גנים בעלי פונקציה משותפת לרוב‬ ‫חמוטל בן דב‬ ‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬ ‫שיעור ‪ :18‬ביוטכנולוגיה‬ ‫‪201‬‬ ‫מסודרים במקבץ יחד על גבי אופרון‪ .19‬יש כאן למעשה אופרון של ה‪ .Transfer Functions-‬יש עוד‬ ‫קבוצה של גנים שתפקידם לקודד לאנזימים העוסקים בפירוק האופינים‪ .20‬הטבלה הבאה מציגה את הגנים‬ ‫הנמצאים בפלסמיד והפונקציה המקושרת אליהם‪.‬‬ ‫המעבר לצמח‬ ‫התא הצמחי מוכר עקב הפרשת אצטוסירינגון‪ ,‬המזוהה על ידי האגרובקטריום; יש תהליך של העברת‬ ‫אותות שגורם לשחרור ה‪ ,T-DNA-‬הוצאתו וכניסתו לצמח‪.‬‬ ‫ב‪ T-DNA-‬יש סינטזה של גנים הגורמים לביטוי ביתר של אוקסינים וציטוקינינים‪ ,‬וישנם גם גנים‬ ‫שאחראים לייצור האופינים שמנוצלים כחומרי מזון‪ .‬בקצוות של ה‪ T-DNA-‬יש רצפים שחוזרים על‬ ‫עצמם המכונים ‪ Left/ Right Repeat‬או ‪ .Left/ Right Border‬מסתבר שכדי שה‪ T-DNA-‬יעבור‬ ‫שכפול וייכנס לתא הצמחי נחוצים שני הרצפים האלה‪.‬‬ ‫השימוש לביוטכנולוגיה – יצירת טרנסגנים‬ ‫החוקרים שעלו על רעיון השימוש באגרובקטריום הציעו להיפטר מהגנים שיוצרים את העפץ‪ ,‬ובין‬ ‫הגבולות השמאלי והימני להכניס גנים שונים‪ ,‬שעל ידי המנגנון הקיים באגרובקטריום )אולם ללא הגנים‬ ‫הפתוגניים שלו( יישתלבו בגנום הצמחי על מנת לקבל ביטוי של כל גן אפשרי‪ .‬הרעיון הזה עובד ואכן‬ ‫נמצא בשימוש‪ .‬היישום של התהליך מסורטט באילוסטרציה הבאה‪.‬‬ ‫‪ 19‬למדנו שבאאוקריוטים‪ ,‬גנים משועתקים ל‪ mRNA-‬שמתורגם לחלבון; בפרוקריוטים לעיתים קרובות‪ ,‬גנים המשולבים יחד‬ ‫במסלול ביוכימי או בעלי פוקנציות קשורות נשועתקים לגדיל ‪ RNA‬אחד שיש לו כמה נקודות התחלה )‪ (AUG‬וקודוני סטופ‪,‬‬ ‫וכך אותו גדיל ‪ mRNA‬מקודד למספר גנים‪ .‬זהו למעשה ה‪ mRNA-‬הפולי‪-‬ציסטרוני )לעומת האאוקריוטי שהוא מונו‪-‬‬ ‫ציסטרוני(‪ .‬גדיל פולי‪-‬ציסטרוני שכזה מכונה אופרון‪.‬‬ ‫‪ 20‬באיור מופיע השם ‪ ,nopaline‬זוהי מולקולה מסויימת ממשפחת האופינים‪ .‬באותה מידה גם ה‪ octopine-‬שמופיע בטבלה‬ ‫הבאה היא עוד תרכובת ממשפחת האופינים‪.‬‬ ‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬ ‫חמוטל בן דב‬ ‫‪202‬‬ ‫מבוא למדעי הצמח ‪ -‬הרצאות‬ ‫שימו לב‪ :‬כאשר אנו מכניסים גנים זרים אנחנו לא יוצרים עפצים כי הוצאנו את הגנים האלה וגם לא את‬ ‫הגנים שיוצרים אופינים ולא יוצרים בית גידול‪ .‬כן נדרשים שאר חלקי ה‪ Ti Plasmid-‬שמכילים את‬ ‫הגנים של ה‪ ,Transfer Functions-‬המאפשרים הכנסה של ה‪ T-DNA-‬לתוך הצמח‪.‬‬ ‫הגנים שאנחנו מכניסים בין הגבול השמאלי והימני הם ה‪ ,Gene of interest-‬הם מוכנסים לגנום‬ ‫ועוברים ביטוי‪ .‬בצורה כזו אנחנו מבצעים הנדסה מולקולארית בצמחים‪.‬‬ ‫שימו לב שהמקטע לא חייב להיות באורך המקורי של ה‪ :T-DNA-‬אנחנו רואים באיור דוגמה להכנסה של‬ ‫מספר גנים במנגנון זה – למשל הגן שמעוניינים לבטא‪ ,‬גן מדווח כמו הצבע הכחול‪ ,‬מרקר סלקציה‬ ‫‪21‬‬ ‫שיזהה את הצמחים שעברו טרנספורמציה – כל אלו מוכנסים בין הגבול הימני )‪ (RB‬והשמאלי )‪.(LB‬‬ ‫‪ 21‬דוגמה לגנים לעמידות הם גנים לעמידות לאנטיביוטיקה של קאלאמיצין‪ ,‬כי היא מעכבת סינטזה של חלבונים במערכות‬ ‫פרוקריוטיות )פגיעה בריבוזומים פרוקריוטיים(‪ ,‬כמו המערכת הפעילה בכלורופלאסט‪ .‬שימו לב שהמיטוכונדריה פחות‬ ‫עצמאית מכלורופלאסט ולכן פחות נפגעת מהקאלאמיצין‪ .‬אפשר גם להשתמש בגנים של עמידות לקוטלי עשבים‪.‬‬ ‫חמוטל בן דב‬ ‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬ ‫שיעור ‪ :18‬ביוטכנולוגיה‬ ‫‪203‬‬ ‫בניית הצמח הטרנסגני‬ ‫אנחנו עושים הנדסה גנטית ומכניסים גנים מבוקשים לפלסמיד של האגרובקטריום‪ .‬החיידק מכניס את‬ ‫הגנים לצמח‪ ,‬לתאים צמחיים בתרבית‪ .‬בעזרת טכנולוגיות אנחנו מפתחים מהתאים הבודדים צמח שלם‬ ‫וכך אנחנו יוצרים צמח שכל התאים שלו מכילים את המקטע הגנטי שהוכנס על ידי האגרובקטריום‪ .‬כעת‬ ‫התכונה תמשיך ותעבור הלאה בתורשה‪.‬‬ ‫באיור משמאל רואים תרבית של ארבידופסיס שהוכנסה להם עמידות‬ ‫לקאלאמיצין‪ ,‬אנחנו יכולים לזהות בקלות את הצמחים שיש להם את העמידות‬ ‫ויודעים שהוכנסו להם גם הגנים המבוקשים ולכן יכולים להרבות אותם ולייצר‬ ‫מהם את קו הצמחים המבוקש‪.‬‬ ‫הטיעונים כנגד הטכנולוגיה‬ ‫ישנה טענה שיש סיכונים והם גדולים מהיתרונות – ישנה סכנה ליצירת צמחים "סופר עמידים"‬ ‫שיישתלטו על אוכלוסיות‪ .‬ישנה גם טענה שהצמחים המהונדסים הם מסוכנים‪ ,‬הם יכולים להזיק לסביבה‬ ‫– למשל על ידי הכנסת רעלנים שמיוצרים על ידי בעלי חיים ארסיים שיכולים להרעיל אנשים‪ .‬טענה‬ ‫אחרת היא שיש קבוצות בעולם שטוענות שלא צריך "לשחק באלוהים" ולשנות את הטבע – ביניהם‬ ‫אפילו הנסיך הבריטי‪ ,‬צ'ארלס‪.‬‬ ‫התשובה‬ ‫ברור שאנחנו צריכים מגבלות וברור שאנחנו לא צריכים להכניס רעלנים בצמחים ולמכור אותם לאנשים‪.‬‬ ‫צריך להיזהר שלא לזהם את הסביבה ויש שיטות לא רעות לעשות את זה – למרות שהועלו טענות שונות‬ ‫שאומרות שזנים טרנסגנים של תירס זיהמו אוכלוסיות טבעיות של תירס במקסיקו‪ ,‬התברר אח"כ‬ ‫שהממצאים לא נכונים; נטען כי עמידויות לחרקים גורמות למוות של מין מסויים של פרפרים בארה"ב‬ ‫וגם זה הסתבר כלא נכון; ולמרות שטיעונים רבים מופרכים במישור המדעי‪ ,‬בהחלט צריך ליצור חוקים‬ ‫ולדאוג שלא מזהמים את הסביבה ועושים את הדברים כמו שצריך‪.‬‬ ‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬ ‫חמוטל בן דב‬ ‫‪204‬‬ ‫מבוא למדעי הצמח ‪ -‬הרצאות‬ ‫הצמחים שאנו משתמשים בהם היום עמידים לכל מיני דברים ועדיין הטבע מתקיים – צמח טרנסגני אפילו‬ ‫יכול לפתור בעיות אחרות כמו ריסוס שיכול להרוס הרבה מרקמת החיים בסביבת השדה‪ .‬אנחנו צריכים‬ ‫לדאוג שצמחים מהונדסים גנטית יגיעו לאלו שצריכים אותם הכי הרבה – אוכלוסיות במזרח הרחוק למשל‬ ‫שצורכות בעיקר אורז‪.‬‬ ‫הפתרונות שהמדע והביוטכנולוגיה מציעים‬ ‫הדוגמה הבולטת לשימוש בביוטכנולוגיה היא האורז הזהוב‪.‬‬ ‫קיימת בעיה של מחסור בויטמין ‪ A‬באוכלוסיות במזרח הרחוק‪ ,‬כאשר מחסור זה גורם לעיוורון ולרבע‬ ‫ממקרי המוות באותן אוכלוסיות; הסיבה למחסור היא שאותן אוכלוסיות צורכות מזון שאינו עשיר‬ ‫בויטמין ‪ – A‬אורז לבן‪ .‬טענת תזונאים מומחים היא שאם ניתן ויטמין ‪ A‬ניתן להוריד את התמותה ב‪-‬‬ ‫‪.23%‬‬ ‫האורז הלבן אינו מכיל ויטמין ‪ A‬כי הויטמין הוא חומר שמיוצר במקור מבטא‪-‬קארוטן‪ .‬החומר הנצרך‬ ‫באורז הוא האנדוספרם‪ ,‬בעוד שהקרוטנואידים נמצאים בכלורופלאסטים ומגנים מנזקי קרינה‪ .‬גרגירי‬ ‫האורז אינם מכילים את הכלורופלאסטים ולכן אינם מכילים קראטנואידים‪ ,‬ועל כן הגוף של הניזונים ממנו‬ ‫לא יכול לסנטז ויטמין ‪.A‬‬ ‫קבוצה של חוקרים שווייצרים הצליחה לסנטז מסלול סינטזה של בטא‪-‬קארוטן בתוך האנדוספרם של‬ ‫האורז – וזוהי הדוגמה הראשונה והבולטת למה שניתן לעשות בעזרת ביוטכנולוגיה והנדסה גנטית‬ ‫מודרנית‪ ,‬משהו שלא ניתן לעולם לעשות בהנדסה קלאסית כי באנדוספרם של האורז אין כלל‬ ‫כלורופלאסטים‪ ,‬והביוטכנולוגיה מכניסה למעשה את הביטוי של הבטא‪-‬קראטנואידים לתוך האנדוספרם‪.‬‬ ‫הגנים שזוהו לייצור בטא קארוטן זוהו על ידי יוסי הירשברג מהאוניברסיטה העברית וגם ד"ר דני‬ ‫חיימוביץ'‪.‬‬ ‫ההכנסה של הגנים הייתה בעזרת מקטע מסויים‬ ‫כמופיע באיור‪ .‬כאשר משווים את המשפחות אנחנו‬ ‫רואים שיש משפחות שונות של אורז זהוב‪ ,‬ואפשר‬ ‫לראות שהכניסו אותם גם לזני מאכל שמשתמשים‬ ‫בהם באוכלוסיות היעד )תמונות נוספות בעמוד הבא(‪.‬‬ ‫חמוטל בן דב‬ ‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬ ‫שיעור ‪ :18‬ביוטכנולוגיה‬ ‫‪205‬‬ ‫עקב מגבלות שונות מצד המתנגדים להנדסה גנטית בצמחים‪ ,‬הזנים האלה עוכבו מאוד בהבאתם לגידול –‬ ‫החוקרים היו צריכים לעבור ביורוקרטיה רבה כדי להביא את הצמחים לגידול‪ .‬ועדיין האורז הזהוב הוא‬ ‫הדוגמה המבוהקת ביותר לשימוש בטכנולוגיה המודרנית על מנת לעשות משהו שלא ניתן היה לעשות‬ ‫בשום שיטה אחרת‪.‬‬ ‫דלקים ביולוגיים‬ ‫מחירי הדלק בעולם‪ ,‬כפי שניתן לראות‬ ‫בגרף‪ ,‬משתנים בהתאם למלחמות‬ ‫באיזור המזרח התיכון ואיראן‪/‬עיראק‪.‬‬ ‫מחירי הנפט אינם יציבים ומקורות‬ ‫האנרגיה אינם נמצאים במכרות שנוח‬ ‫להשיג אותו מהם‪ .‬הצפי הוא גם‬ ‫שהמאגרים הולכים ונגמרים; אומנם יש מאגרי פחם שאמורים להספיק לעוד ‪ 200‬שנה‪ ,‬אולם שריפת‬ ‫הדלקים המאובנים מגביר את אפקט החממה ואנו עדים בחיינו להתחממות של כדור הארץ‪.‬‬ ‫לפיכך אנו באים לנסות בעזרת הביוטכנולוגיה למצוא גם מקור חלופי לאנרגיה וגם מקור שייצור פחות גזי‬ ‫חממה‪ .‬הרעיון הוא שאם נייצר דלק ביולוגי מצמחים‪ ,‬אנחנו שורפים את הפחמן הדו‪-‬חמצני שהצמחים‬ ‫קיבעו בעת גדילתם ולכן יישמר האיזון בין מה שנקלט למה שנפלט ולא יוספו גזי חממה‪.‬‬ ‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬ ‫חמוטל בן דב‬ ‫מבוא למדעי הצמח ‪ -‬הרצאות‬ ‫‪206‬‬ ‫הצפי קובע שימוש ב‪ 25-‬טרה‪-‬וואט עד‬ ‫‪2050‬‬ ‫בארה"ב‪.‬‬ ‫בטכנולוגיה‬ ‫אם‬ ‫לשימוש‬ ‫מדובר‬ ‫באנרגיה‬ ‫גרעינית‪ ,‬צריך יהיה להשתמש במפעל‬ ‫חדש מדי יומיים; רוח יכולה לייצר ‪4‬‬ ‫טרה‪-‬וואט בשנה‪ ,‬בכל העולם; מקורות‬ ‫אחרים גם הם יכולים לספק‪ ,‬אבל לא‬ ‫מספיק‪ .‬הגרף הבא מראה כמה טרה‪-‬‬ ‫וואט ניתן לקבל ממקורות שונים‪ .‬ברור‬ ‫שאנרגיית השמש היא המקור הזמין‬ ‫והגדול ביותר כרגע‪.‬‬ ‫ניצול אנרגיית השמש יכול להיעשות על ידי קולטי‬ ‫שמש; בשוקפית הבאה ניתן לראות את הניצולת של‬ ‫קולטי השמש בטכנולוגיות עכשוויות‪ :‬בארה"ב יש ‪70‬‬ ‫מיליון בתים‪ ,‬ששטח הגג הממוצע שלהם הוא ‪ 200‬רגל רבוע‪ ,‬כלומר כ‪ 180-‬מ"ר לבית‪ .‬הווה אומר‪ ,‬שטח‬ ‫כלל הגגות בארה"ב הוא ‪ 1.2*1010‬מ"ר‪ .‬שטח כזה יכול לספק ‪ 0.25‬טרה‪-‬וואט סך הכל בטכנולוגיה‬ ‫הנוכחית‪ ,‬שזה כ‪ 7%-‬מהתצרוכת הנוכחית של ארה"ב כיום‪.‬‬ ‫המקור המרכזי של אנרגיה בצמחים הוא הדפנות של התאים – הסוכרים שמרכיבים אותם‪ .‬ישנם מקומות‬ ‫שמשתמשים בקני סוכר כמקור דלק כהלי‪ ,‬אבל בגידלם נדרשים הרבה מים והקנים נצרכים גם כמקור‬ ‫מזון‪ .‬כנ"ל עם תירס‪ ,‬דבר שהיה נחמד אבל גרם לעלייה במחירי התירס‪.‬‬ ‫יחד עם זאת‪ ,‬מרכיבי הדופן – צלולוז והמי‪-‬‬ ‫צלולוז – הם פוליסוכרים שניתן לפרק‬ ‫לסוכרים המייצרים מהם כהל‪ ,‬וכך הם‬ ‫יכולים לשמש כמקור דלק‪.‬‬ ‫נעשו מחקרים למציאת דרכים להגדיל הפקת‬ ‫צלולוז ולפרק אותו באופן יעיל כך שניתן‬ ‫לייצר דלק אלכוהולי באופן יעיל‪ .‬היום‬ ‫האנרגיה שצריך להשקיע בתהליך גדולה‬ ‫ממה שמפיקים‪.‬‬ ‫זה שטח מאוד מורכב שמערב כלכלנים‪ ,‬המחשבים איפה לשים את התחנות שיקצצו את הגזעים‪ ,‬איך‬ ‫להוביל את הדלק – אתאנול למשל הוא דלק לא יציב‪ ,‬אז צריך למצוא איזה דלק לעשות‪ .‬ביולוגים מנסים‬ ‫להוריד רמת הליגנין כדי לשחרר את הצלולוז יותר בקלות‪ ,‬מנסים להשתמש בשיטות ביולוגיות לפירוק‬ ‫הפולימר היציב של הצלולוז וכדומה‪ .‬כמובן גם למצוא זנים של צמחים שמתאימים לתהליך‪.‬‬ ‫חמוטל בן דב‬ ‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬ ‫שיעור ‪ :18‬ביוטכנולוגיה‬ ‫‪207‬‬ ‫התמונה מראה שני מיני צמחים שמדברים עליהם כמקור‬ ‫לאנרגיה – ‪ Switch Grass‬ו‪ .Miscanthus-‬אלו מינים עמידים‬ ‫מאוד ליובש‪ ,‬ניתן לגדל אותם באיזורים רבים‪ ,‬והם חד שנתיים‬ ‫– כך שאפשר להנדס אותם ולקצור אותם לפני שהם פורחים‬ ‫ולזרוע מחדש את השדה בשנה הבאה‪ ,‬ועל ידי כך להקטין את‬ ‫הסיכוי לזיהום הסביבה בצמחים מהונדסים כפי שארגונים‬ ‫סביבתיים טוענים‪.‬‬ ‫כמו כן אנחנו צריכים להתגבר על מגבלות הגידול – איזורים‬ ‫מסויימים הם קרים מדי )כחול(‪ ,‬אחרים יבשים מדי )אדום( או‬ ‫שאין בהם אור מספיק )כמו איזור הג'ונגלים באו בצפון אירופה‪,‬‬ ‫שחור(‪ .‬אחת המטרות של אנשי הצמחים הוא ליצור גם זנים‬ ‫שניתן לגדל בכל מיני איזורים שונים‪.‬‬ ‫התמונה הבאה מראה צמח קנולה עמיד לקור – צמח שגדל במינוס ‪ 6‬מעלות והושג בביוטכנולוגיה‪.‬‬ ‫בתמונה אחרי זה מופיעים תירס וסויה עמידים ליובש‪ ,‬ואחרי זה צמחים שהעלו בהם את רמת הציטוקינין‬ ‫כך שהם נעשו יותר עמידים ליובש‪ .‬כל אלו דוגמאות שהושגו בשימוש בהנדסה גנטית‪.‬‬ ‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬ ‫חמוטל בן דב‬ ‫‪208‬‬ ‫מבוא למדעי הצמח ‪ -‬הרצאות‬ ‫גם עמידות למזיקים חשובה להנדסה הגנטית‪.‬‬ ‫היבט אחר הוא שיפור בהבשלה של הפרי – כמו עיכוב הייצור של האתילן על מנת למנוע הבשלה של‬ ‫הפרי‪ ,‬כך שרק פירות מרוססים מגיעים להבשלה וכך מאריכים את חיי המדף של הפירות‪.‬‬ ‫חמוטל בן דב‬ ‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬ ‫שיעור ‪ :18‬ביוטכנולוגיה‬ ‫‪209‬‬ ‫לסיכום נדבר על דוגמה של שימוש במערכת שהתגלתה‬ ‫בצמחים והשימוש בה בתאים אנימליים‪ .‬המערכת היא‬ ‫מערכ הפוטוכרום – יש פוטוכרום שקשור לכרומופור שלו‪,‬‬ ‫ובמצב זה הוא רגיש להארה באור אדום ואור אדום רחוק‪.‬‬ ‫כאשר מאירים פיטוכרום באור אדום הוא קושר ‪PIF3‬‬ ‫וכאשר הוא מואר באור אדום רחוק הוא משחרר אותו‪.‬‬ ‫לקחו את הפיטוכרום וקשרו אותו במניפולציות הנדסה‬ ‫גנטית לשייר שמאפשר לראות את הזריחה שלו והוא גם‬ ‫קשור לממברנה‪ ,‬ואת ‪ PIF-3‬קשור לשייר אחר שגם רואים‬ ‫את הזריחה שלו‪.‬‬ ‫הפיטוכרום כל הזמן קשור לממברנה אבל ה‪ PIF-3-‬שקשור לסמן שזוהר בצהוב יהיה בממברנה רק‬ ‫כאשר יאירו את התאים באור אדום‪ .‬כאשר האירו באור אדום רחוק הפיטוכרום שיחרר את ‪ .PIF-3‬את‬ ‫המערכת הזו הכניסו לתאים אנימליים‪.‬‬ ‫כאשר מאירים באור אדום אנחנו רואים הזריחה היא בעיקר בממברנה‪ .‬באור אדום רחוק הזריחה היא‬ ‫בכל התא ולא בממברנה‪ ,‬כי ‪ PIF-3‬חוזר לציטופלזמה‪ .‬אם עכשיו רוצים לטפל בגידול סרטני ומכניסים‬ ‫טוקסין‪ ,‬ולטוקסין יש רצפטור‪ ,‬ורוצים שרק הגידול הסרטני ייפגע‪ ,‬אנחנו יכולים לעשות את זה בעזרת‬ ‫ואז להאיר בסיב אופטי תאים עם אור אדום ולתת טיפול‪ ,‬לעורר תגובה‪ ,‬ואז באור אדום רחוק להפסיק את‬ ‫התגובה כאוות נפשנו‪.‬‬ ‫בצורה זו אפשר גם לגרום לתאים לגדול בצורה מסויימת – בתמונה הבאה גרמו לתאים במערכת קצת‬ ‫אחרת לעורר גדילה על ידי אור אדום ועצרו אותה באור אדום רחוק‪ .‬זה יכול לשמש ביצירה של אקסונים‬ ‫ורשתות של תאי עצב‪ .‬זה הרבה יותר נוח בתאים אנימליים מצמחיים‪ ,‬כי לצמחים יש פיטוכרומים רבים‬ ‫אחרים ובאנימליים הם לא קיימים‪.‬‬ ‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬ ‫חמוטל בן דב‬