מחקר חדש ממכון ויצמן למדע שילב למידת מכונה בבחינת דגימות חיידקים מסביבות שונות, ומצא שאפשר ללמוד על הטמפרטורה במקום מסוים בעולם, בים או ביבשה, על סמך הרכב ה־DNA של החיידקים שחיים בו. במפתיע התברר שבים השפעת החום לעיתים מוסווית על ידי השפעה חזקה ממנה – רעב בשל מחסור בחומרי הזנה. המחקר משפר את הבנתנו על האופן שבו שינויים סביבתיים עשויים להשפיע על אוכלוסיות חיידקים.

פרסומת

מאת מחבר המאמר וידיד העמותה, תומר אנטמן

חיידקים מנהלים בשקט את העולם. הם אחראים לייצור יותר מ־10% מהחמצן שאנחנו נושמים [1,2] וממלאים תפקיד חשוב בכל מארגי המזון. ממש בימים אלה אפשר לראות עד כמה מוחשית יכולה להיות השפעתם של חיידקים על חיינו: פריחה חריגה של חיידקים כחוליים (ציאנובקטריה) גרמה לעכירות גבוהה במי הים ופגעה בפעילותם של מתקני ההתפלה בישראל. כמעט בכל גרם קרקע ובכל מיליליטר מי אוקיינוס חיים אלפי מינים של חיידקים. בשל תפקידם המרכזי כל כך, חשוב לדעת איך הפרעות כמו שינויי אקלים וזיהומים משפיעות על חברות החיידקים, כלומר על הרכב אוכלוסיות החיידקים באזור מסוים.

מחקר חדש, שנעשה במחלקה למדעי הצמח והסביבה במכון ויצמן למדע ופורסם לאחרונה בכתב העת Nature Microbiology, מצא כי ההשפעה הסביבתית חזקה מאוד: הרכב ה־DNA של חברת החיידקים במקום מסוים מאפשר לדעת כמה חם או קר היה שם, ללא מדידת טמפרטורה ומבלי לקבוע אילו מינים נמצאים בדגימה [3].

המחקר החישובי, בהובלת תומר אנטמן וד"ר אוהד לוין־אפשטיין ממעבדתו של ד"ר דוד זאבי, ניתח באמצעות למידת מכונה נתוני ריצוף DNA של יותר מ־1,200 דגימות ממאגרי מידע ציבוריים. הדגימות נאספו ורוצפו בסקרים סביבתיים קודמים ברחבי העולם, מקרקעות ומאוקיינוסים, מאזורים קפואים ועד מקומות חמים. הדגימות הן מטא־גנומיות, כלומר מכילות את כל ה־DNA שנאסף מהסביבה בלי הפרדה מוקדמת לפי סוגי החיידקים השונים. לכל דגימה נלווה נתון טמפרטורה שנמדד בשטח בזמן האיסוף: הנמוכה ביותר הייתה 1.6 מעלות צלזיוס מתחת לאפס ונמדדה בים, והגבוהה ביותר כ־44 מעלות ונמדדה ביבשה.

אז איך אפשר ללמד מחשב להסיק טמפרטורה מרצפי DNA? החומר התורשתי של חיידקים, כמו של כולנו, מורכב מארבע אבני בניין שמחוברות בשרשרת ומרכיבות את ה־DNA: אדנין (A), תימין (T), גואנין (G) וציטוזין (C). החוקרים חילקו את ה־DNA באופן חישובי למקטעים בני ארבע אבני בניין, בשם טטרמרים (מיוונית: טטרה – ארבע, מרוס – יחידה). למשל, הרצף AATTCGG מפורק למקטעים AATT, ATTC, TTCG, TCGG. החוקרים אימנו מודל שמטרתו להסיק את טמפרטורת הדגימה מדפוס הופעת הטטרמרים בה ואז בחנו את המודל על אתרים שלא נכללו באימון. המודל הצליח להסיק את הטמפרטורות עם סטייה ממוצעת של כשתי מעלות בלבד – וזאת אך ורק על בסיס הרכב ה־DNA החיידקי שבדגימה. 

אבל החוקרים נתקלו בפרדוקס: ידוע שלחיידקים בסביבות חמות יש נטייה לגנום עשיר יותר באבני הבניין G ו-C, שכן זוג אבני הבניין האלה קשורות זו לזו בקשר כימי חזק יותר מאשר הקשר בין A ו־T, מה שמייצב את ה־DNA בחום [4]. ואכן, זה מה שנצפה בחיידקים שמקורם ביבשה. אבל עבור החיידקים שמקורם באוקיינוס, נמצא שהקשר הפוך – ככל שהמים היו חמים יותר, אחוז ה־GC היה נמוך יותר. מתברר שההסבר לתעלומה נובע מסיפור רחב יותר. במי האוקיינוס, מים חמים הם בעיקר מים עיליים – שכבת המים העליונה שהשמש מחממת. שכבה זו ענייה בחומרי הזנה כמו חנקן. היות שיצירת גואנין וציטוזין דורשת יותר אטומי חנקן מאדנין ותימין, חיידקים במחסור חנקן נוטים "לחסוך", ולהשתמש פחות באבני הבניין ה"יקרות" האלה [5]. כלומר, מה שנראה כמו השפעת חום, באוקיינוס היה למעשה בעיקר השפעת רעב. 

חוזקו של המחקר טמון בהיקף הנתונים בו; דגימות שנאספו בעמל רב על ידי קבוצות מחקר רבות ברחבי העולם, וזמינות כיום לכול, אפשרו לקבל תמונה רחבה של הקשר בין הרכב ה־DNA החיידקי לתנאי הסביבה. עם זאת, מכיוון שהדגימות נאספו באתרים בטבע ולא בתנאי מעבדה מבוקרים, ומכיוון שהמחקר לא עקב אחר חברה חיידקית אחת שמתחממת עם הזמן, אפשר להצביע על קשר בין הטמפרטורה ובין הרכב ה־DNA, אך לא לקבוע שהחום הוא הגורם הישיר לו. ייתכן שגורמים נוספים שהחיידקים חשופים אליהם, המשתנים עם הטמפרטורה, כגון קרינת שמש ורמות חמצן, יכולים להשפיע על הרכב ה־DNA. 

החוקרים הראו שההרכב הגנטי הכולל של חברה חיידקית שלמה, נושא בתוכו טביעת אצבע מורכבת של הטמפרטורה ושל חומרי ההזנה שהיו זמינים לה. ייתכן שהרכב ה־DNA של חברת חיידקים יוכל לשמש בעתיד כדרך להבין כיצד הטמפרטורות העולות משפיעות על היצורים הקטנים ביותר, אך בין החשובים ביותר, על פני כדור הארץ.

תומר אנטמן הוא ממחברי המאמר, דוקטורנט במעבדתו של ד"ר דוד זאבי במחלקה למדעי הצמח והסביבה במכון ויצמן למדע.

עריכה: גליה הלוי שדה

מקורות וקריאה נוספת:

1. מחקר שמראה שחיידקים כחוליים מייצרים חמצן ושולטים בכל בתי הגידול המימיים בעולם
2. דף מידע של מינהל האוקיינוסים והאטמוספרה הלאומי בארצות הברית: כמה מהחמצן שאנו נושמים מקורו באוקיינוס? 
3. המאמר המדובר: חתימות DNA של טמפרטורה ושל מחסור בחומרי הזנה בחברות חיידקים ברחבי העולם
4. מחקר גנומי רחב היקף מצא שלחיידקים שגדלים בטמפרטורות גבוהות יש אחוז GC גבוה יותר 
5. מאמר שמציג את תאוריית הייעול: באזורים עניים בחומרי הזנה נבחרים גנומים קטנים ועניים ב־GC, שדורשים פחות חנקן