docמדעי הצמח
download 
Report Transcription
מדעי הצמח
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
