איך יוצרים צמח טרנסגני: מדריך מופשט (ומעט פשטני)

רשומת אורח המסבירה כיצד יוצרים צמחים מהונדסים גנטית ובמה זה שונה ודומה לשיטות השבחה חקלאיות קלאסיות

גל ויטנברג

אורז זהוב מול אורז רגיל. צילום: IRRI Images

צמחים טרנסגניים (מה שמכונה בעברית "צמח מהונדס גנטית") מעוררים הרבה עניין מצד אחד וחששות מצד שני. צמחים טרנסגניים נמצאים היום בחזית הפיתוח החקלאי ופוטנציאל השימוש בהם יכול לספק פתרונות לתחום רחב של בעיות המתעוררות בחקלאות המודרנית. למרות כל זאת קיימת תנועה לא קטנה המתנגדת לשימוש בצמחים כאלו. כחלק מהמאמץ להביא את הדיון בנושא לכזה המבוסס על ידע, נראה כי יש צורך לנסות ולהסביר מהם צמחים טרנסגניים ואיך יוצרים אותם. התוצאה לפניכם.

אז מה זה בעצם צמח טרנסגני?

לכל אורגניזם יש גנום שהוא המידע הגנטי שלו, מקודד במולקולות DNA (או RNA במקרה של חלק מהנגיפים). הגנום כולל בתוכו את הגנים שיקבעו, פחות או יותר, לכל אורגניזם איך הוא יראה יתנהג ויתרבה. לפעמים המידע הגנטי הזה משתנה, ולמקרים כאלו אנו קוראים מוטציה. המהפכה החקלאית, שהתרחשה על פי היסטוריונים לפני כ-10,000 שנה, התבססה על מוטציות שהתרחשו בדגנים. מתישהו זיהה אדם כלשהו צמח חיטה שבניגוד לחבריו לא השיל את הזרעים שלו. לחיטה מוטציה זו הייתה חמורה מאד. בטבע, חיטה שאינה מפזרת את הזרעים שלה לא תתרבה. אבל לאדם מוטציה זו היא בעלת ערך רב. כך יכול היה המלקט לאסוף את הזרעים ישירות מצמחי החיטה, בקלות, ולקבל הרבה מזון במעט מאמץ. בדרך זו הפך האדם ממלקט לחקלאי, על ידי ניצול של שינוי החומר הגנטי בצמחים. במהלך השנים הצטברו מוטציות (בקצב טבעי) בכל הצמחים ובעלי החיים בהם השתמש האדם והוא ברר את הזנים המועילים לו. בנוסף הוא גם הכליא אותם זה עם זה ובחר את הצאצאים הטובים לו. לזה אנו קוראים "טיפוח" או "השבחה", והוא המקור לכל הזנים של הצמחים בהם אנחנו משתמשים בחקלאות כמו גם לכל גזעי חיות הבית והמשק. בעצם אפשר לומר ששינוי גנטי בצמחים ובעלי חיים הוא המנוע מאחורי ההתפתחות החקלאית לאורך כל ההיסטוריה האנושית. במאה האחרונה קצב המוטציות הרגיל לא הספיק לחקלאות המודרנית ולבני אדם, או יותר נכון לומר לחברות אגרוכימיה ולחברות זרעים, והם התחילו לגרום למוטציות לקרות בקצב מהיר יותר על ידי קרינה או שימוש בכימיקלים שונים.

לפני פחות או יותר שלושים שנה פותחה טכנולוגיה חדשה. במקום לחכות למוטציה, או לגרום לאין ספור מוטציות בגנום ולנסות לברור את התוצאה הרצויה, אפשר להכניס תכונה רצויה לתוך הגנום. ניתן לבחור איזה גן שנרצה ולהכניס אותו לתוך הגנום של הצמח. מכיוון שכל האורגניזמים על פני כדור הארץ משתמשים באותן מולקולות לאחסון החומר הגנטי שלהם, אפשר להשתמש בגן מכל אורגניזם. אגב, הגן המוכנס לצמח לא חייב לבוא מאורגניזם אחר. במקרים רבים המקור שלו הוא באותו הצמח והוא מוכנס כדי לשנות את ה"התנהגות" (או בשפה מקצועית יותר: הביטוי) של הגן המעניין אותנו. על ידי שינוי זה של החומר הגנטי של הצמח אנחנו משנים את התכונות שלו. בעצם, העיקרון דומה למה שנעשה החל משחר החקלאות, אבל האפשרויות גדולות יותר. אז איך עושים את זה?

מי נגע בגנום שלי?

אגרובקטריום תוקפים תא גזר. מתוך: ויקימדיה.

הדבר הראשון שצריך כדי ליצור צמח טרנסגני היא אפשרות להכניס מקטע DNA לתוך הגנום של הצמח. תהליך זה נקרא "טרנספורמציה". כיום קיימות שתי שיטות עיקריות לעשות את זה: טרנספורמציה ביוליסטית (שם די מסובך לתהליך די פשוט) וחיידקי אגרובקטריום (Agrobacterium). מאחר שהשימוש באגרובקטריום זול ופשוט יותר זו השיטה הנפוצה יותר ולכן אתאר אותה תחילה ובפירוט רב.

אגרובקטריום הוא סוג של חיידק שחי באדמה ועל צמחים. הוא חיידק נפוץ וכל מי שאי פעם התעסק עם קצת אדמה (זאת אומרת כולנו) בא אתו במגע. אגרובקטריום הוא פתוגן, גורם מחלה, של צמחים. במילים יותר פשוטות, כשאגרובקטריום מצליח לעקוף את שכבות ההגנה של הצמח הוא גורם ליצירה של גידולים, הקרויים עפצים, בהם הוא יכול להתרבות. הדרך בה הוא עושה את זה מיוחדת מאד. האגרו, כמו שהוא מכונה בחיבה בעולם המחקר, מחדיר מקטע מהגנום שלו לתוך הגנום של הצמח. הוא מצליח לעשות את זה על ידי גנים מיוחדים הקרויים vir (virulence, אלימות) המקודדים לחלבונים האחראים על העברת מקטע ה-DNA מהחיידק לצמח, על הגנה על המקטע מפני אנזימים צמחיים שמפרקים DNA זר ועל שילוב המקטע בגנום של הצמח. התוצאה היא תא צמחי שבגנום שלו קיים מקטע מתוך הגנום החיידקי. ביטוי הגנים החיידקיים בתא הצמח גורם לתא לייצר חומרי מזון הנדרשים לחיידק וכן להתרבות וליצור את המחלה – את העפץ – בצמחים.

עפצים על שורשי פקאן שנדבק באגרובקטריום. מתוך: ויקימדיה.

בשנות השמונים של המאה הקודמת הראו מדענים שאפשר להוציא את הגנים האלימים מהמקטע המוחדר לגנום הצמחי על ידי האגרו, כך שתהליך ההחדרה עצמו לא יפגע אך לא תיגרם מחלה בצמח. גילוי זה פָּתַח פֶּתַח ליצירה של צמחים טרנסגניים. אם במקום רק להוציא את הגנים החיידקיים האלימים מחליפים אותם בגנים הרצויים לנו, האגרו יחדיר אותם לגנום הצמחי. לצורך תהליך זה יוצרים קודם כול מקטע DNA המכיל את הגן שאנחנו רוצים להחדיר לצמח ומקטעים שאותם יזהה החיידק ויכניס לגנום הצמחי. בשלב הבא מגדלים אוכלוסייה של אגרובקטריום המכילים את המקטע הזה וחושפים חומר צמחי אליהם. כאשר אגרובקטריום נתקל בצמח, הוא לרוב לא מסוגל לחדור לתוכו ולהגיע לתאים. כדי לאפשר זאת צריך "לעזור" לאגרו על ידי חשיפה של חתיכות עלים, כלומר רקמה צמחית פצועה, לחיידק. החיידק חודר לרקמה הפצועה ו"מדביק" אותה. מאחר שצריך לשמור על חלקי העלים המודבקים בחיים, ולמעשה לעודד אותם לייצר צמח חדש, יש צורך בעבודה לא פשוטה בה נשמרים חלקי העלים האלו על מצעי גידול שיכולים להזין אותם ולאפשר להם לגדול. כל התהליך (חוץ מהאגרו והצמחים) צריך להיות סטרילי כדי להימנע מזיהום. כדי לעמוד בכל הדרישות האלו העבודה נעשית בתרביות רקמה, והיא מצריכה שימוש במצעים מסובכים ובכוח אדם מיומן.

קיימים מספר מועט למדי של צמחים בהם אין צורך בתהליך המסובך הזה. בצמחים אלו ניתן להטביל ניצני פרחים בתמיסה המכילה הרבה אגרו ומעט דטרגנט. הדטרגנט עוזר לאגרובקטריום לחדור ולשנות את החומר הגנטי בפרח הגדל. הפרח מיצר את תאי הרבייה של הצמח ולכן הצאצאים שיצאו מהפרח המודבק יהיו טרנסגניים. אך כאמור, ולמרבה הצער לחוקרים, ברוב הצמחים תהליך זה אינו יעיל ונדרשת המערכת המסובכת יותר של עבודה עם חלקי עלים בתרביות רקמה.

עלים שהודבקו באגרובקטריום במעבדה. מתוך: ויקיפדיה.

קיימת שיטה נוספת, מסובכת ויקרה יותר. בשיטה זו, הנקראת "טרנספורמציה ביוליסטית", מצפים כדורי מתכת קטנטנים (בקוטר מיקרונים בודדים) ב-DNA שאותו מעוניינים להכניס לצמח. את הכדורים האלו יורים לתוך רקמת הצמח. אחת לכמה זמן יכנס הגן שרצינו לגנום. השיטה הזו משלבת את החסרונות של העבודה עם אגרובקטריום (עבודה סטרילית עם תרביות רקמה) עם חסרונות נוספים כמו חומרי גלם יקרים (הכדורים לרוב עשויים זהב), ציוד יקר ויעילות נמוכה. לכן היא שיטה פחות מועדפת. למרות זאת, בחקלאות שיטה זו נפוצה יותר כי באמצעותה ניתן לעשות טרנספורמציה לצמחים כמו תירס, חיטה ואורז (צמחי היבול החשובים ביותר) בהם הטרנספורמציה עם חיידקי אגרובקטריום לא עובדת.

יש לציין שבסוגים רבים של צמחים שתי השיטות הללו לא עובדות ובהם קשה מאד (ולפעמים בלתי אפשרי) ליצור צמחים טרנסגניים.

מי כאן טרנסגן?

זו בעצם השאלה החשובה ביותר אחרי הטרנספורמציה. סיימנו את השלב הקודם עם רקמה שמכילה בחלקה תאים צמחיים טרנסגניים. אבל התאים הללו מוקפים בהמון תאים אחרים שלא עברו טרנספורמציה. איך נגדל מהם צמחים חדשים ואיך נברור אותם? כאן באה לידי ביטוי תכונה מופלאה של צמחים, יכולת הרגנרציה של כל תא ותא. בבני אדם, לכל תא בוגר יעוד וגורל משלו. ברגע שתא עבר תהליך התמיינות והפך לתא בעל תפקיד מסוים (תא שריר, תא עצב וכו') קשה מאד לגרום לו "ללכת אחורה" ולהפוך חזרה לתא גזע. בצמחים המעבר חזרה קל בהרבה ואפשר לעשותו על ידי חשיפת התא להורמונים מסוימים. זאת אומרת שכל תא צמח יכול להפוך לצמח חדש בפני עצמו. אם נשתמש ביכולת הזאת, אנחנו יכולים ליצור מכל תא שעבר טרנספורמציה צמח טרנסגני חדש. אבל איך נברור ("נעשה סלקציה") בין התאים הטרנסגניים לתאים האחרים? בנוסף לגן של התכונה אותה אנחנו רוצים להכניס לצמח, אנחנו מחדירים גם גן שייתן לצמח עמידות לאנטיביוטיקה או חומר הדברה. אם נשלב את חומר ההדברה הזה במצע הגידול שלנו, רק תאים עמידים – אלה שעברו טרנספורמציה – יצליחו לגדול ונקבל רק מהם צמחים חדשים.

מאחר שלרוב אין צורך בהחדרת יותר מעותק אחד של הגן הרצוי אנחנו רוצים לוודא שהצמחים יעברו רק אירוע טרנספורמציה אחד, כמו כן אנו רוצים להיות בטוחים שהצמח שגדל הוא אכן צמח טרנסגני (ולא נהנה מעמידות בזכות צמח מהונדס שָׁכֵן שמפרק בשבילו את חומר ההדברה). לשם כך הצמחים החדשים עוברים מספר מחזורים של רגנרציה, במהלכה אנחנו נפטרים גם מצמחים לא טרנסגניים וגם מאגרובקטריום שאולי שרדו. בפשטות, מגדלים את הצמחים בכלי סטרילי. לאחר זמן מה חותכים מהם חתיכות ואותן מעבירים לסיבוב נוסף של יצירת צמח חדש. בנוסף, המצע החדש מכיל אנטיביוטיקה שתקטול את שאריות האגרו. כך מעבירים את הצמחים מספר סיבובים. והנה, תתחדשו, יש לנו צמח טרנסגני נקי וחדש!

מי אני ומה שמי?

סיימנו את השלב הקודם כשבידנו צמחים טרנסגניים. עכשיו ניתן לאפיין אותם. מפני שאנחנו יודעים בדיוק מהו המקטע הגנטי שהחדרנו, אנחנו יכולים לעקוב אחריו ולראות היכן הוא השתלב בגנום. זהו יתרון עצום של ההנדסה הגנטית ביחס לשאר השיטות בהן אנו משתמשים לשינוי החומר הגנטי של צמחים. בעוד שבשימוש בקרינה רדיואקטיבית, בשיטות של הכפלת גנום או בחומרים משרי מוטציות מתרחשים בצמח שינויים רבים, לא ידועים (ולפעמים גם לא רצויים), קשה מאד לבודד את המוטציה האחראית לתכונה החדשה המתקבלת וכן קשה לדעת מה באמת קרה בגנום הצמחי. לעומת זאת, בהנדסה גנטית התמונה ברורה הרבה יותר. אנחנו יכולים לראות בדיוק להיכן בגנום נכנס המקטע שרצינו ומהי רמת ה"ביטוי" שלו (כלומר כמה הוא עובד).

ד"ר גל ויטנברג הוא חוקר ממכון מקס פלאנק לפיזיולוגיה מולקולרית של צמחים בפוטסדאם, גרמניה. הוא כתב את המדריך לעיל, "כיצד יוצרים צמחים טרנסגניים", בשביל דף הפייסבוק "הנדסה גנטית – כל מה שרצית לדעת".

למידע נוסף

Chilton, M. D. Agrobacterium. A Memoir. Plant Physiol. 125, 9-14 (2001). doi: 10.​1104/​pp.​125.​1.​9

צביקה צפירה ועמיר צוקר, "מהנדסים צמחים", "טבע הדברים" 22.

מי רוצה להיות מהנדס גנטי? אפליקציה נחמדה ממכון דוידסון שבמכון ויצמן.

נורמן בורלוג והמהפכה הירוקה – מהפכה חקלאית בעזרת השבחה קלאסית.

הסכנה שלא היתה – על הטענות כי תירס טרנסגני גורם לסרטן.