קרקעית הים, שאריות של DNA של חיות מים משמשות לפיתוח תרופות / צילום: Shutterstock, YukoF
ביולוגים עובדים עם מהנדסים לפיתוח כלים חדשים להאצת הפיתוח של תרופות העשויות מבעלי חיים ימיים, ומתמקדים ברובוטים תת־מימיים שמורכב עליהם ציוד לריצוף גנטי.
הם חוזים עתיד בו ציים של רובוטים צוללנים אוטונומיים יסרקו את האוקיינוס כמו כלבי ציד אלקטרוניים כדי להריח שאריות של DNA של חיות במי הים - ואז יאספו וינתחו את ה־DNA הסביבתי הזה, או eDNA.
יותר מתריסר תרופות פותחו מתרכובות שבאופן טבעי מיוצרות על ידי ספוגים, אלמוגים וחסרי חוליות ימיים אחרים. הרובוט יכול להאיץ פיתוח של תרופות רבות נוספות, אומרים הביולוגיים, על ידי זה שיקל על איסוף דגימות של חיות המתגוררות באיזורי מחיה מרוחקים לאורך שוניות, קניונים תת־מימיים וזרמים הידרותרמיים.
עם הזמן, הם חושבים שרובוטים כאלה יוכלו לאפשר לדלג על תהליך איסוף הדגימות לגמרי, על ידי ניתוח eDNA ברמה שתאפשר את מציאת המתכון הגנטי להכנת התרכובות.
"המטרה האולטימטיבית היא כלי תת ימי שיאסוף דגימות של דנ"א סביבתי, ירצף אותן ואז ישלח את הנתונים בחזרה למעבדה", אמר קובון טרולאב, טכנאי מחקר בכיר במכון המחקר של אקווריום מפרץ מונטריי בקליפורניה. "היינו רוצים להקים רשת שבה יש לך כלי רכב אוטונומיים כאלה בשטח שאוספים את הדגימות ומביאים בחזרה את הנתונים בזמן אמת".
29 תרכובות הנגזרות מבעלי חיים ימיים נמצאות כעת בניסויים קליניים
יותר מ־1,000 תרכובות הנגזרות מבעלי חיים ימיים הוכחו כבעלות יכולת לפעול נגד סרטן ונגד נגיפים, פטריות או דלקות במחקרים רפואיים שונים, כך ניתן ללמוד ממאגר נתונים של מחלקת הפרמקולוגיה הימית באוניברסיטת מידווסטרן. במנהל התרופות והמזון של ארה"ב אישרו 15 תרופות המורכבות מבעלי חיים ימיים, כולל תרופות לכאב כרוני ולכולסטרול גבוה. עוד 29 תרכובות הנגזרות מבעלי חיים ימיים נמצאות כעת בניסויים קליניים, כך כתוב במאגר המידע.
חסרי חוליות ימיים הם יעד מרכזי למחקר ביו־מדעי בגלל שהחיות האלה - בעיקר בעלי חיים הקשורים לקרקעית הים ואינם ניידים - פיתחו הגנות כימיות משוכללות להרתעת דגים, צבים וטורפים אחרים בסביבתן. המחקר הדגים שהרעלנים הטבעיים מהם מורכבות הגנות אלה יכולים להיות יעילים גם נגד תאים סרטניים ופתוגנים הפוגעים בבני אדם.
היצורים הימיים האלה "מייצרים מגוון רחב של תרכובות כימיות שונות, דברים שכימאים סינתטיים מעולם לא היו חושבים לייצר", אמר בארי אוקיף, המנהל את תוכנית היעדים המולקולריים ואת מחלקת המוצרים הטבעיים במכון הסרטן הלאומי בפרדריק, מרילנד. חוקרים זיהו גם תרכובות שיוצרו על ידי בקטריות שחיות בסימביוזה עם חסרי חוליות ימיים.
ברגע שיש למדענים דגימה מספקת של eDNA והוא מרוצף, הם אומרים, הם יכולים לזהות תרכובות שבעלי החיים מסוגלים לייצר. אחר כך יכולים החוקרים לסנתז את התרכובות האלה ולבחון אותן כדי לראות אם יש להן איכויות רפואיות כלשהן.
"אנחנו לא מתחילים מהכימיקל", אמר ברדלי מור, מרצה לביולוגיה כימית ימית במכון סקריפס לאוקיאנוגרפיה בלה ג'ולה, קליפורניה. "אנחנו מתחילים בדנ"א שאומר לי מה הם כל הגנים המקודדים לייצור של אחד מהכימיקלים".
השיטה הנוכחית: כמו חיפוש מטמון
איסוף eDNA מבטיח להיות מהיר יותר וזול יותר מהשיטה המורכבת שמשמשת לרוב לאיסוף דגימות מהים - זו דרך פעולה שאיימי רייט, מנהלת קבוצת המוצרים הטבעיים במכון האוקיאנוגרפי הרבור ברנץ' באוניברסיטת פלורידה אטלנטיק, מתארת כחיפוש מטמון. כיום, כלים מחקריים יוצאים להפלגות של שבועות ארוכים בהן החוקרים מורידים למים כלים תת־ימיים שיש להם צבתות וצינורות יניקה לאיסוף דגימות. ברגע שהכלי האלה חוזרים לאוניות, החוקרים משמרים את הדגימות ושולחים אותן למעבדות, ושם נעשה ריצוף של הגנום שלהן.
התהליך כולו יכול לארוך שבועות רבים והוא יקר. רק לשלם לצוות להפעיל אניית מחקר ליום אחד יכול להגיע ל־35 אלף, כך אומרים בקרן הלאומית למדעים.
אבל ד"ר רייט, ששהתה מאות ימים בים במשלחות איסוף דגימות, מצפה ליעילות הגדולה יותר שמבטיח איסוף ועיבוד eDNA. "יום אחד יהיו חיישנים שמגלים הכל", היא אומרת.
עם מטרה כזו לנגד עיניו, ד"ר טרולאב ושותפיו בנו כלי שיט אוטונומי שמכשיר עיבוד eDNA כבר מורכב עליו. שם הכלי הרשמי הוא "מעבד הדגימות הסביבתיות" אבל הם קוראים לו בשם החיבה "מעבדה בחבית". ברגע שיסתיים הפיתוח, הכלי, באורך כ־2.5 מטר ובמשקל של 113 קילו, יאסוף eDNA וירצף אותו בעודו בים. הנתונים יועברו לפלטפורמת תקשורת צפה העובדת בכוח סולרי, וזו תשגר את המידע למדענים על החוף דרך לוויינים או רשתות סלולריות.
"אתה פשוט הרבה יותר גמיש ממה שאתה יכול להיות על ספינה", אמר טרולאב בהתייחסות לטכנולוגיה המתפתחת. "אבל אנחנו עדיין נמצאים מרחק כמה שנים" מלעשות אותה מושלמת.
המכשול העיקרי הוא הקושי להסיג מימון
טרולאב ואחרים המעורבים בפיתוח טכנולוגיית eDNA ניצבים מול כמה מכשולים.
השגת מימון למחקר ופיתוח יכולה להיות בעיה, בהתחשב בכמות הגדולה של תרכובות שנראות מבטיחות ומתגלות כחסרות ערך לאחר בדיקה מעמיקה יותר.
"אחת מתוך אולי 1,000 מולקולות הנמצאות אי שם בחוץ יכולה אולי להיחשב כמולקולה שמישהו יפתח ממנה תרופה", אמר וויליאם פניקל, פרופסור לכימיה ימית בסקריפס וכיום גם אחד המגלים של בקטריה ימית המייצרת מריזומיב, חומר נוגד סרטן שנמצא בימים אלה בניסויים קליניים. "אחוז ההצלחה הוא פחות מאחוז אחד. מי הולך לשלם על זה?"
על מנת לממן את המחקר שלהם, מדענים ומהנדסים לרוב מסתמכים על קרנות מחקר פדרליות. מימון מחברות תרופות מגיע לעתים רק כשחומרים שהם מועמדים להיות תרופות מזוהים, תהליך שלעתים אורך עשרות שנים.
חוקרים המעורבים בעבודת eDNA גם מזהירים שיכול להיות קשה להשיג דגימות eDNA המתאימות לזיהוי תרכובות רפואיות - בין היתר בגלל שחומר גנטי נהרס במים תוך ימים ספורים.
חלק מהמדענים מאמינים שהמפתח לזיהוי עוד תרופות שמקורן באוקיינוס יהיה לא רק לאסוף דגימות או את ה־eDNA שלהן אלא להתבונן בהן - ואיך הן עושות אינטראקציה עם הסביבה ועם אורגניזמים אחרים מבחינה כימית - כפי שהן חיות בטבע.
ספוג עלול לייצר תרכובות מסוימות רק בתנאים סביבתיים מסוימים, לדוגמא, או רק כשהוא מאוים על ידי טורף. להבין איך ומתי זה קורה חשוב לבידוד התרכובות שאולי יש להן ערך רפואי, כך טוענת קבוצה זו של מדענים.
"אנו צריכים ללמוד את האינטראקציות האלה במרחב המחיה שלהן בגלל שכמעט בלתי אפשרי לשכפל אותן במעבדה", אמרה קתרין דנקן, מרצה בכירה לאקולוגיה ימית מיקרוביאלית באוניברסיטת סטראת'קלייד בסקוטלנד.
טרולאב אומר שאולי יעבור עשור לפני שכלי עיבוד דגימות ה־eDNA שלו יהיה בתפקוד מלא. תוך שלוש שנים בערך, דורות מוקדמים יותר של כלים כאלה יוכלו לקדם את הפיתוח של תרופות שמקורן בבעלי חיים ימיים על ידי זיהוי מהיר של האתרים בקרקעית הים בהם עשויים בעלי חיים כאלה להימצא. המשמעות היא שייקח פחות זמן לפני ששולחים כלי ליקוט לאסוף דגימות ולהחזיר אותן למעבדות לניתוח.
שימוש ב־eDNA למציאת "איזורים חמים" מבחינה ביוכימית מאפשר לחוקרים "הרבה יותר גמישות בהבנה הממשית של מה שקורה באוקיינוס", אמר טרולאב. "אם אתה מוצא משהו מעניין, אתה יכול להגיב לזה תוך שלוש שעות. זה הולך לעשות הבדל גדול".