מדענים מהרווארד יצרו תאים דמויי-חיים מאפס

זו התעלומה האולטימטיבית של הביולוגיה: כיצד החלו החיים?

צוות של מדענים מאוניברסיטת הרווארד התקרב לתשובה, כאשר יצר מערכות כימיות מלאכותיות הדומות לתאים, המדמות חילוף חומרים, רבייה ואבולוציה - המאפיינים החיוניים של החיים. תוצאות המחקר פורסמו לאחרונה בכתב העת Proceedings of the National Academy of Sciences.

"זו הפעם הראשונה, ככל שידוע לי, שמישהו עשה דבר כזה - ייצר מבנה שיש לו את תכונות החיים מתוך משהו שהוא הומוגני לחלוטין ברמה הכימית וחסר כל דמיון לחיים טבעיים", אמר חואן פרס-מרקדאר (Juan Pérez-Mercader), עמית מחקר בכיר במחלקה למדעי כדור הארץ והפלנטות וביוזמת מקורות החיים של הרווארד (Origins of Life Initiative), והמחבר הבכיר של המחקר. "אני נרגש בצורה בלתי רגילה".

לדברי דימיטר ססלוב (Dimitar Sasselov), מנהל יוזמת מקורות החיים ופרופסור לאסטרונומיה בהרווארד, העבודה מהווה התקדמות חשובה בכך שהיא מדגימה כיצד ניתן לבנות מערכת פשוטה, היוצרת את עצמה, ממולקולות שאינן ביוכימיות. "מכיוון שהיא מחקה היבטים מרכזיים של החיים, היא מעניקה לנו תובנות לגבי מקורות החיים והאבולוציה המוקדמת של תאים חיים", אמר ססלוב, שלא היה שותף במחקר החדש.

הראיות המוקדמות ביותר הידועות לחיים הן מאובנים זעירים של מיקרובים קדומים בני כ-3.8 מיליארד שנה. אך גילוי זה רחוק ממתן פתרון לתעלומה כיצד או מתי התחילו החיים. אילו מולקולות ביולוגיות פשוטות יצרו תאים מורכבים? האם היה מקור אחד או מספר אירועים שונים? האם החיים התחילו על כדור הארץ או על כוכב אחר?

שאלות אלו העסיקו את הביולוגים במשך מאות שנים. צ'ארלס דרווין שיער שהחיים החלו ב"בריכה חמימה קטנה", ולאחר מכן התפתחו לצורות מגוונות. בשנות ה-50, סטנלי מילר וזוכה פרס הנובל הרולד יורי ערכו ניסויים באוניברסיטת שיקגו, שבהם הדגימו את תנאי כדור הארץ בראשיתו - אטמוספירה של מתאן, אמוניה, מימן ומים, יחד עם קשתות חשמליות של ברקים - והצליחו לייצר חומצות אמינו, שהן אבני היסוד האורגניות של חלבונים.

לתוך הדיון הזה נכנס פרס-מרקדאר, מדען נמרץ המתאר את עצמו כ"ילד בן 77". הוא הוכשר כפיזיקאי תיאורטי, ובתחילת דרכו עסק בתאוריה מאוחדת גדולה, סופר-סימטריה, סופר-גרביטציה (Supergravity) ותורת העל-מיתר. בשנות ה-90 עבר לתחום האסטרוביולוגיה וייסד את מרכז האסטרוביולוגיה במדריד (Centro de Astrobiología) בשיתוף עם נאס"א, ופיקח על השתתפות ספרד במעבדה לחקר המאדים של נאס"א.

בשנת 2010 הגיע להרווארד עם משימה גדולה נוספת. "אני מנסה להבין מדוע קיימים חיים כאן", אמר. כל צורות החיים חולקות כמה תכונות בסיסיות: הן מטפלות במידע כימי, משתמשות באנרגיה (כמו צריכת מזון או פוטוסינתזה) כדי לקיים את עצמן ולבנות רכיבי גוף, מתרבות, ומתפתחות בהתאם לסביבה. פרס-מרקדאר פיתח משוואות מתמטיות לפיזיקה וכימיה בסיסיות של הביולוגיה, והשתמש בפתרונותיהן כהנחיה לסינתזת חיים מלאכותיים במבחנה.

שנים רבות המאמצים הללו נותרו ברמה התיאורטית בלבד, ללא הדגמה ניסויית. ואז באה פריצת דרך מעבדתית עם הופעת תהליך בשם התארגנות עצמית המושרית על ידי פולימריזציה (polymerization-induced self-assembly) - תהליך שבו ננו-חלקיקים לא מסודרים מתארגנים מעצמם למבנים מובנים בקנה מידה של מיליוניות או מיליארדיות המטר. לבסוף, הכלים הללו איפשרו לפרס-מרקדאר ועמיתיו להחיות את התיאוריה - פשוטו כמשמעו.

במחקר החדש, ביקש הצוות להדגים כיצד החיים עשויים "להתניע" מחומרים הדומים לאלה המצויים במדיום הבין-כוכבי - ענני גזים וחלקיקים מוצקים שנשארו מהיווצרות כוכבים בגלקסיה - בתוספת אנרגיית אור מהכוכבים. המבחנה שימשה כגרסה המעבדתית ל"בריכה הקטנה והחמימה" של דרווין.

הצוות ערבב ארבע מולקולות שאינן ביוכימיות (אך מבוססות פחמן) עם מים בתוך מבחנות זכוכית, מוקפות בנורות LED ירוקות, בדומה לאורות חג. כאשר האורות נדלקו, התערובת הגיבה ויצרה אמפיפילים (amphiphiles) - מולקולות בעלות קצה הידרופובי (דוחה מים) וקצה הידרופילי (מושך מים). המולקולות התארגנו מעצמן למבנים כדוריים בשם מיצלות. מבנים אלו לכדו נוזל בתוכם, שהתפתח להרכב כימי שונה והפך ל"בועיות" דמויות-תא - שקיקים קטנים מלאי נוזלים.

בסופו של דבר, הבועיות שחררו עוד אמפיפילים כמו נבגים, או פשוט התפוצצו - והרכיבים שהתפזרו יצרו דורות חדשים של מבנים דמויי תאים. אך מספר הולך וגדל של הנבגים שפלטו היו שונים מעט זה מזה, וחלקם היו בעלי סיכוי גבוה יותר לשרוד ולהתרבות - ובכך דימו מנגנון של "שונות תורשתית רופפת", שהיא הבסיס לאבולוציה הדרוויניסטית.

סטיבן פ. פלטצ'ר (Stephen P. Fletcher), פרופסור לכימיה באוניברסיטת אוקספורד שלא היה שותף במחקר אך עוסק במחקר דומה, אמר כי המחקר שפורסם ב-PNAS פותח נתיב חדש להנדסה של מערכות סינתטיות המתרבות מעצמן - הישג שעד כה הושג רק בשיטות מורכבות יותר. "המאמר מדגים שניתן לצפות בהתנהגות דמוית-חיים ממולקולות פשוטות שאין להן קשר לביולוגיה, כמעט באופן ספונטני, כאשר מספקים להן אנרגיית אור", אמר.

פרס-מרקדאר מתאר את הניסוי במונחים נלהבים יותר. הוא סבור שהניסוי מספק מודל לאופן שבו ייתכן שהחיים החלו לפני כ-4 מיליארד שנה. לפי השקפתו, מערכת כזו יכולה הייתה להתפתח מבחינה כימית ולהוביל לאב הקדמון הכולל - הצורה הפרימיטיבית שממנה נולדו כל צורות החיים המוכרות לנו.

"מה שאנחנו רואים בתרחיש הזה הוא שאתה יכול להתחיל בקלות עם מולקולות שאינן מיוחדות - לא כאלה הקשורות לביוכימיה מורכבת של מערכות חיות טבעיות כיום", אמר. "המערכת הפשוטה הזו היא הכי מתאימה להתחיל איתה את העניין הזה שנקרא חיים".

מקורות:

• קטעים מ- A step toward solving central mystery of life on Earth מאת: Harvard Gazette שנכתב ע"י: Kermit Pattison.

• קטעים מ- Harvard scientists create life-like cells from scratch מאת: Science Reader.

• קטעים מהמחקר- Self-reproduction as an autonomous process of growth and reorganization in fully abiotic, artificial and synthetic cells מאת PNAS.