7 דקות
שאלה אחת פותחת הכל: איך מכניסים לחיידק הוראה שמעולם לא הייתה שם? כשחולה בסוכרת מקבל זריקת אינסולין, התרכובת שבמזרק לא הגיעה מלבלב של פרה ולא נוצרה בסינתזה כימית — היא יוצרה בחיידק רגיל שהונדס לייצר חלבון אנושי. כדי להבין איך זה אפשרי, צריך להכיר את הכלים הבסיסיים של הנדסה גנטית.
הכלי הראשון נקרא אנזים הגבלה. מדובר בחלבון שמקורו בחיידקים, שמכיר רצף DNA קצר ומסויים — לרוב פלינדרומי, כלומר קריא באותה צורה משני כיוונים — וחותך את שני הגדילים בנקודות מוסטות. התוצאה היא קצוות חד-גדיליים קצרים שנקראים קצוות דבקים. החשיבות של הקצוות האלה היא שכאשר חותכים שני מקטעי DNA שונים באותו אנזים הגבלה, הקצוות שלהם משלימים זה את זה ויכולים להיאחז. החיבור הראשוני מבוסס רק על קשרי מימן ואינו יציב. כדי לסגור את החיבור לצמיתות, נדרש אנזים נוסף — ליגאז — שיוצר קשר קוולנטי בשלד הסוכר-זרחה של ה-DNA.
כאן כדאי לעצור ולחשוב על שאלה שמופיעה בבגרות: מה קורה אם חותכים את הגן בחיידק הגבלה אחד ואת הפלסמיד בחיידק הגבלה שני? התשובה פשוטה: כל אנזים יוצר קצוות דבקים ייחודיים, ולכן הקצה של הגן והקצה של הפלסמיד לא ישלימו זה את זה ולא ייווצר קשר. הניסוי ייכשל.
כעת נעבור לתהליך עצמו. כשרוצים להכניס גן לחיידק, העבודה עוברת כמה שלבים. בשלב הראשון חותכים גם את הגן המבוקש וגם את הפלסמיד — טבעת DNA קטנה שמשמשת כווקטור — באותו אנזים הגבלה, כך שנוצרים קצוות דבקים משלימים. בשלב השני מערבים את הגן עם הפלסמיד הפתוח בנוכחות ליגאז, שסוגר את הפלסמיד מחדש — עכשיו עם הגן בתוכו. בשלב השלישי מחדירים את הפלסמיד לחיידקים, אבל רק חלק קטן מהחיידקים קולט אותו, ולכן נדרש שלב ברירה. בשלב הרביעי מגדלים את החיידקים על מצע שמכיל אנטיביוטיקה: רק חיידקים שקלטו את הפלסמיד — שנושא גן עמידות לאנטיביוטיקה — שורדים ויוצרים מושבות. ולבסוף, שלב השיבוט: החיידק שנושא את הפלסמיד מתרבה ומעתיק אותו בכל חלוקה, כך שמתקבלים מיליוני עותקים של הגן.
אבל כאן מתעוררת בעיה שחשוב להבין. גן אנושי מכיל אינטרונים — מקטעים שאינם מקודדים לחלבון. בתא אנושי קיים מנגנון שמסיר אותם לפני התרגום. לחיידק אין מנגנון כזה. אם מכניסים לחיידק את הגן הגנומי כפי שהוא מופיע בגנום האדם, החיידק ינסה לתרגם גם את האינטרונים ויייצר חלבון שגוי או לא ייצר חלבון כלל.
הפתרון הוא לא להשתמש בגן הגנומי, אלא ב-cDNA — DNA משלים. בודדים mRNA בשל מתא אנושי שמפריש את החלבון הרצוי, ומשתמשים בו כתבנית ליצירת DNA חסר אינטרונים לחלוטין. את ה-cDNA הזה החיידק מסוגל לתרגם כראוי. זו הסיבה שלייצור אינסולין אנושי בחיידקים משתמשים ב-cDNA ולא בגן המקורי.
כלי נוסף שנמצא בכל מעבדת ביולוגיה מולקולרית הוא PCR — תגובת שרשרת של פולימראז. PCR מכפיל מקטע DNA מסויים בלי צורך בתא חי. בכל מחזור עוברים 3 שלבי טמפרטורה: חימום לכ-95 מעלות מפריד את הגדילים, קירור לכ-55 מעלות מאפשר לתחאלים קצרים להיאחז על הגדיל ליד קצות המקטע, וחימום לכ-72 מעלות מאפשר לפולימראז עמיד חום להאריך גדיל חדש. הגידול הוא מעריכי: עותק אחד הופך ל-2, ל-4, ל-8, וכן הלאה. לאחר 20 מחזורים מתקבלים כמעט מיליון עותקים — 2 בחזקת 20.
לאחר שיש בידנו מקטעי DNA, אפשר להפרידם לפי גודל בעזרת אלקטרופורזה בג'ל. שלד ה-DNA טעון שלילית בגלל קבוצות הזרחה, ולכן בשדה חשמלי נודדות המולקולות אל הקוטב החיובי. הג'ל הוא רשת נקבובית: מקטעים קצרים חולפים בנקבים בקלות ומתקדמים רחוק יותר, בעוד מקטעים ארוכים נעצרים קרוב לבארות. השוואה לסולם גדלים ידוע מאפשרת להעריך את אורך כל פס. השילוב בין PCR לאלקטרופורזה הוא הבסיס לזיהוי גנטי: בודקים אזורים שבהם רצף קצר חוזר על עצמו מספר פעמים משתנה מאדם לאדם, ומשווים פסים בין מסלולים. בקביעת אבהות למשל, חצי מפסי הילד חייבים להתאים לאם וחצי לאב.
היישומים של כל הכלים האלה רחבים. ברפואה מייצרים אינסולין אנושי, הורמון גדילה וחיסונים מחלבון נגיפי מבודד — כולם בחיידקים או בשמרים מהונדסים. בחקלאות מפתחים צמחים עמידים למזיקים ולקוטלי עשבים, ואורז זהב המועשר בחומר מוצא של ויטמין A. הבסיס לכל זאת הוא אוניוורסליות הקוד הגנטי: אותם 3 בסיסים מקודדים לאותה חומצת אמינו בחיידק, בצמח ובאדם.
לצד היתרונות, יש שאלות שנדון בהן בבגרות. גידול עמיד למזיקים מקטין שימוש בחומרי הדברה, אבל אוכלוסיות מזיקים עלולות לפתח עמידות בברירה טבעית: פרטים עם שינוי גנטי שאיפשר עמידות שרדו והתרבו, והעבירו את הגן לדורות הבאים. הכלאה עם צמחי בר עלולה להקנות עמידות לעשבים מזיקים. בנושא הבטיחות של מזון מהונדס — חשוב לדעת שאכילת מזון מהונדס אינה מכניסה את הגן המהונדס לגנום של האוכל. ובשאלת הפטנטים — חברות שמשקיעות בפיתוח מוצרים חקלאיים יכולות לרשום פטנט על הזרע, מה שמציב חקלאים עניים במדינות מתפתחות במצב של תלות.
ולבסוף, ריפוי גנטי לעומת עריכת גנום. בריפוי גנטי מחדירים עותק תקין של גן לתאי גוף של חולה — לרוב בעזרת נגיף מנוטרל. השינוי מוגבל לחולה עצמו ואינו עובר לצאצאים. CRISPR עובד אחרת: מולקולת RNA מנחה מכוונת חלבון חותך אל רצף מדויק, נוצר חתך מכוון, ומנגנוני התיקון של התא משביתים את הגן או מחליפים רצף. כשעריכה כזו מבוצעת בתאי נביטה בשלב עוברי, השינוי עובר לכל תאי הצאצא ולדורות הבאים — ולכן היא מעוררת שאלות אתיות שונות בתכלית מריפוי גנטי רגיל.