עמוד הבית > מדעים > ביולוגיה > גנטיקה
ספרית מעריב


תקציר
ממה עשויים הגנים? על גילוי המועמד לתפקיד החומר שממנו עשויים הגנים: הדנ"א.



הגן הלכה למעשה : מהו הגן?
מחבר: קולין טאג'


פרנסים קריק חשב בשנות ה-40 שהגנים חייבים לייצר חלבונים, משום שהיה ברור כשמש שהחלבונים חשובים עד מאוד. יתר על כן, החלבונים היו מצוידים בכל גינוני החשיבות: היה ידוע שהרבגוניות המבנית שלהם אינסופית למעשה, ובה במידה היו תכונותיהם רבגוניות. למען האמת, היה כל-כך ברור שהחלבונים שונים, רבגוניים וחשובים, עד שבארבעת העשורים הראשונים של המאה - למעשה, מאז החלה הביולוגיה להפוך ברצינות בבעיה זו - רוב הביולוגים הניחו, פחות או יותר, כי לא זו בלבד שהגנים יוצרים חלבונים, אלא מן הסתם הם עצמם חלבונים. כך טען בפירוש ארווין שרדינגר בשנות ה-40, בספרו המהולל מהם החיים?

אין זה רעיון מטופש כלל ועיקר, בסופו של דבר, מה שהיה מסוגל ליצור את מגוון האנזימים האינסופי של הטבע, ודאי שהיה חייב להיות מגוון בעצמו באותה המידה; ואיזו מולקולה אחרת בטבע יכולה להתאים לתיאור זה? מלבד זאת, היה מקובל אז רעיון סביר בתכלית, שלפיו הגנים יוצרים את החלבונים על-ידי כך שהם משמשים כשבלונות, מעין דפוסים שהחלבונים מקבלים מהם את צורתם. איזה סוג אחר של מולקולה, מלבד החלבון, יכול לספק שבלונה כזו? היינו מצפים, כמובן, למצוא את החומר שממנו עשויים הגנים בכרומוזומים, אבל אין כאן שום בעיה, כי יש שפע של חלבון בכרומוזומים. כמובן, הרעיון כאילו הגנים לא רק יוצרים את החלבונים, אלא הם עצמם חלבונים, אומר דרשני: "מה יוצר גנים?" זוהי אותה נקודה תיאולוגית עצמה המשמשת ילדים בני שבע כדי להציק למוריהם בבתי-הספר הדתיים: "מי ברא את אלוהים?"

אבל במשך כל הזמן הזה היתה מועמדת אחרת, הרבה פחות מתקבלת על הדעת: חומצה שנתגלתה לראשונה ב- 1871 בנוזל הזרע של דגי טרוטה בנהר ריין. תא הזרע הוא גרעין כמעט כולו, ולכן היה אפשר לכנות את זו בשם חומצת גרעין. תחילה לא עמדו הביולוגים על חשיבותה של חומצה זו, אבל הם לא התעלמו ממנה. האנליזה העלתה עד מהרה כי היא מכילה סוכר, ובשנות ה-20 למאה העשרים הוברר שזהו הסוכר דאוקסיריבוזה. לכן נקראה החומצה בשם "חומצת גרעין דאוקסיריבוזית", ובראשי תיבות (לפי האנגלית) - דנ"א.

עוד בשנות ה-20 הראה הגרמני רוברט פויגלן, באמצעות צביעה, כי הדנ"א מוגבל לכרומוזומים; אין הוא סתם מרכיב כללי של הגרעין. והתגלתה עוד חומצת "גרעין", אם כי זו הופיעה בציטופלסמה לא פחות מאשר בגרעין פנימה. החומצה השנייה הזאת הכילה סוכר דומה, ריבוזה שמו, ולכן נקראה "חומצת גרעין ריבוזית", ובקיצור (שוב לפי האנגלית) רנ"א.

אבל כמועמד לתפקיד החומר שממנו עשויים הגנים, הדנ"א פשוט לא נראה מתאים לדרישות. נניח, קודם כול, שפעולתם של הגנים היא אכן ייצור חלבונים. לכל חלבון - ויש מיליונים רבים של חלבונים שונים - חייב להיות גן משלו. האם יכול הדנ"א להיות רבגוני כמו החלבון?

אם כן, ראו תחילה כיצד בנויים החלבונים וכיצד הם משיגים את מגוון הצורות והתפקודים שלהם. המבנה הכללי של החלבונים הוברר בתחילת העשור הראשון למאה הנוכחית. הגרמני אמיל פישר הראה שהם עשויים משרשראות של חומצות אמיניות. הואיל ויש בנמצא אלפים רבים של חלבונים שונים, היה סביר לשער שעשויים להימצא אלפים רבים של חומצות אמיניות שונות, אבל בפועל התברר - אמנם רק בשנות ה-40 נקבע הדבר סופית – שהמספר האמיתי בטבע קרוב יותר לעשרים. אפשר איפוא להשוות את רבגוניותם העשירה של החלבונים למלות השפה האנגלית: כולן, 150,000 במילון אוקספורד, בנויות מעשרים ושש אותיות, ואותן אותיות עצמן גם יכולות, בשינויים פעוטים, לייצג (לפחות בקירוב) שלל אינסופי בכוח של לשונות אחרות. הטבע, כמו הלשון, נוהג חיסכון - משום כך יש ביכולתנו לחקור את רבגוניותו המופלאה.

זאת ועוד, מזמן היה ברור שהתנהגותו של חלבון ותכונותיו תלויות בגיאומטריה התלת-ממדית הכוללת שלו - כלומר, המבנה השלישוני שלו - ובמיקומן של חומצות אמיניות מסוימות בצורה הכוללת הזאת. במידה מסוימת, שרשראות של חומצות אמיניות מתקפלות "ספונטנית" לצורתן התלת-ממדית הסופית (אם כי, כאמור, ידוע היום שרבות מהן זקוקות ל"שפרונינים" העוזרים להן להתקפל כהלכה). אבל בין כה וכה, המבנה השלישוני תלוי בסופו של דבר בסדר שבו מופיעות החומצות האמיניות בשרשרת החלבונית, וגם באורכה: כלומר, במבנה הראשוני שלה. ואכן, אנשי ה"ביוטכנולוגיה" של ימינו מבקשים לעצב חלבונים בעלי הצורה המתאימה בדיוק, שיעשו בדיוק את מה שהם רוצים. אבל על כך ארחיב את הדיבור בפרק 7.

היש בכלל לאל ידו של הדנ"א להשתוות לרבגוניות הזאת? ממבט ראשון, הראיות הכימיות משיבות על כך בשלילה. למשל, בעשורים הראשונים של המאה התברר ששתי חומצות הגרעין מכילות גם שרשראות של מולקולות קטנות יותר; לא חומצות אמיניות, במקרה זה, אלא נוקליאוטידים. אבל אם יש עשרים סוגים שונים של חומצות אמיניות בשרשראות החלבונים, יש רק ארבעה סוגים שונים של נוקליאוטידים בדנ"א או ברנ"א. יתרה מזו, הנוקליאוטידים השונים אינם נבדלים רבות זה מזה. בכל אחד מהם יש שלושה מרכיבים: סוכר (ריבוזה או דאוקסיריבוזה); רדיקל זרחתי; ו"בסיס" - פורין או פירימידין. המקור היחיד לשוני מצוי בבסיסים. אחת משתיים: כל נוקליאוטיד בדנ"א מכיל אחד משני פורינים - אדנין, שסימנו "A", או גואנין, "G"; או הוא מכיל אחד משני פירימידינים - ציטוזין, "C", או תימין, '"T". הרנ"א דומה מאוד, אבל יש שוני קל בבסיסים: במקום תימין, יש בו אורציל, שסימנו "U". אם כן, איך יכולה שרשרת דנ"א, שיש בה ארבעה סוגי מרכיבים ותו לא, לספק קוד מתאים לשרשרת חלבונים שיש בה עשרים סוגי מרכיבים?

אין זה נראה הגיוני, ואף-על-פי-כן, המאה העשרים חזתה בסדרות של ניסויים שהוכיחו מעבר לכל ספק סביר כי הדנ"א הוא אכן החומר שממנו עשויים הגנים, וכי החלבונים אינם אלא המוצרים. בשנות ה-20 החל הכדור להתגלגל, כשפנה האנגלי פרדריק גריפית לטפל בחיידק .Pneumococcus בצורתו הרגילה, ה"אלימה", גורם הפנאומוקוקוס למחלות בעכברים, אבל הוא מאבד את אלימותו אם ממיתים אותו תחילה בחימום. יש גם זנים "לא-אלימים", שאינם גורמים כלל למחלות. אבל גריפית הראה שאם מזריקים לעכברים פנאומוקוקוס חי לא-אלים ביחד עם פנאומוקוקוס אלים מומת, העכברים ימותו - אף-על-פי ששום צורה מן השתיים אינה יכולה לגרום למחלה בכוחות עצמה. במלים אחרות, שני סוגי החיידק, אף שכל אחד מהם היה פגום במובן זה או אחר, יכלו לשלב את כוחותיהם ולרכוש מחדש, במשותף, את תכונת האלימות. היו איפוא חילופי "מידע" בין שני הסוגים, וחילופים אלה, כידוע היום היטב, שקולים כנגד יחסי מין אצל בעלי-חיים וצמחים.

אחר-כך, בשנות ה-40, מצאו אוסוולד ט' אייוורי ועמיתיו במכון רוקפלר שחומר ספציפי הועבר מהפנאומוקוקוס האלים לסוג הלא-אלים, חומר שהיה בכוחו "להמיר" את הסוג הלא-אלים לאלים. נשאלת השאלה, מה היה החומר הממיר הזה? ובכן, הוא לא איבד את יכולת ההמרה שלו כשטיפלו בו באנזים המשמיד חלבון (פרוטאז), אבל הוא איבד את יכולת ההמרה שלו כשנחשף לחומר ההורס דנ"א. במלים אחרות, החומר הממיר לא היה חלבון, אלא היה למעשה דנ"א. אייוורי הכריז על תוצאותיו ב-1944.

החקירה החשובה השנייה שהוכיחה למעשה את תפקידו של הדנ"א במסירת מידע תורשתי עסקה בנגיף קוטל מהסוג הקרוי בקטריופאג, ומקובל לכנותו בקיצור פאג. זוהי מלה יוונית שפירושה "לאכול", ונגיפי הפאג אכן מתקיימים כטפילים בחיידקים. (מה שמוכיח כי צדק ג'ונתן סוויפט כשכתב, "ולפרעוש, אומרים לנו חוקרי הטבע / יש פרעושים קטנים הניזונים ממנו דרך קבע / ופרעושים קטנים מהם את הקטנים עוקצים / וכך נמשך התהליך עד כלות כל הקצים.") הביולוגים חקרו במיוחד את הפאגים המתרבים בתוך החיידק coli ,Escherichia החי במערכות העיכול של בעלי-חיים. בתוך הפונדקאי E. coliיכול פאג יחיד ליצור כמה מאות העתקים של עצמו בתוך עשרים דקות, אבל כבר בשנות ה-40 ידעו המיקרוביולוגים כי הוא מסוגל לעשות עוד הרבה יותר מזה. הפאגים יכולים גם להחליף ביניהם מידע גנטי. לכן, אם מחדירים לחיידק E. coli יחיד פאגים מוטנטיים שונים, לא יעבור זמן רב בטרם יתחילו להופיע טיפוסים רגילים: פרטים ששילבו, מסתבר, את התכונות ה"טובות" של שני פאגים (או יותר) שהיו פגומים מבחינות אחרות. ההקבלה לניסויי הפנאומוקוקוס של גריפית ואייוורי מתבקשת מאליה.

מבחינת המבנה, הנגיפים הרבה יותר פשוטים מהחיידקים. באמצע המאה הנוכחית היה ידוע שהפאגים בנויים מליבה מרכזית של דנ"א, עם ציפוי חיצוני של חלבון. ב-1952, בקולד ספרינג הארבור שבלונג איילנד, הראו אלפרד הרשי ומרתה צ'ייס כי רק הדנ"א של הפאגים חודר לתוך החיידקים שהם תוקפים. הציפוי החלבוני נשאר בחוץ. מכאן שהדנ"א לבדו הוא המנצח על כל התרבות הפאגים בתוך החיידק הפונדקאי. חזקה איפוא שגם חילופי המידע בין פאגים מתנהלים באמצעות דנ"א.

בקיצור, עוד ועוד ראיות הוכיחו שהמידע התורשתי - ה"גנים" – מוכל למעשה בדנ"א. מכאן עולה השאלה: "איך יכולה מולקולה בעלת מבנה בסיסי משעמם למדי - הבנויה רק מארבעה מרכיבים בסיסיים - ליצור או לקודד מולקולות בעלות מבנה הרבה יותר מסובך?" אפשר להשיב עליה רק באמצעות תיאור הרבה יותר מפורט של מבנה הדנ"א. כמה ביולוגים, אם כי בפירוש לא כולם, הבינו בתחילת שנות ה-50 שזוהי אחת משאלות המפתח של הביולוגיה, אבל התשובה עליה לא נמצאה בקלות.

לפריטים נוספים מתוך הפרק:

הגן הלכה למעשה
הגן הלכה למעשה : מיקרוסקופים וכרומוזומים
הגן הלכה למעשה : כיצד גורם הגן ל"תכונה"?
הגן הלכה למעשה : מהו הגן? (פריט זה)
הגן הלכה למעשה : מבנה הדנ"א
הגן הלכה למעשה : כיצד פועל הדנ"א?
הגן הלכה למעשה : הגנום הסוער
הגן הלכה למעשה : בראשית...

ביבליוגרפיה:
כותר: הגן הלכה למעשה : מהו הגן?
שם  הספר: מהנדס הגן : גנים וגנטיקה : ממושג התורשה עד ליצירת חיים
מחבר: טאג', קולין
תאריך: 1996
הוצאה לאור: ספרית מעריב
הערות: 1. מאנגלית: עמנואל לוטם.
הערות לפריט זה:

1. המאמר הוא חלק מפרק 2 בספר.


הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית