החיידק המאיר כחיישן
במבחני איכות מים, כמו גם בבדיקות סביבתיות רבות אחרות, שמור מקום נכבד למבחנים בהם מעורבים יצורים חיים (Bioassays). בבדיקות כאלה
משמשת תגובתו של יצור המבחן כאינדיקטור לאופי הדוגמא אליה נחשף. התגובה יכולה להיות שלילית (כמו, למשל, תמותה בתגובה לרעילות
הדוגמא) או חיובית (הגברת קצבי גידול או פעילות כתגובה לעודפי מזון). בשנים האחרונות הולך וגובר השימוש בחיידקים כ"חיות מבחן",
כתחליף ליצורים מפותחים יותר. לשימוש בחיידקים יתרונות רבים, ביניהם עלות נמוכה, זמני תגובה קצרים, ואוכלוסיות מבחן גדולות
והומוגניות הזמינות לשימוש בהתראה קצרה. כמו כן, חיידקים ניתנים לשימור בדרכים שונות; שיווקם ואכסונם דומים לאלה של כימיקל רגיל,
וקל לכן באמצעותם להגיע לתנאי מבחן אחידים בכל מעבדה שהיא. לחיידקים המאירים מעמד מיוחד בהקשר זה, שכן בנוסף לכל היתרונות לעיל הם
גם נחונים ביכולת להאיר; הואיל וקל מאוד למדוד ולכמת את עצמת ומשך ההארה, יכולה ההארה המיקרוביאלית לשמש בזמן אמיתי כמדד לתגובת התא
החי לתנאים אליהם נחשף.בדיקות רעילות
ללא ספק, מבחני הרעילות מהווים את התחום בו השימוש ה"סביבתי" בחיידקים מאירים הוא הנפוץ ביותר. בדיקות אלה מבוססות על כך שההארה
הביולוגית זקוקה למערכת פיזיולוגית/ביוכימית תאית תקינה. לפיכך תאים מתים אינם מאירים כלל, ובתאים פגועים ההארה נחלשת יחסית למידת
הפגיעה. מידת הרעילות ניתנת לחישוב על סמך הירידה בעצמת ההארה בנוכחות ריכוזים שונים של הדוגמא הנבחנת, בהשוואה לתאי ביקורת שלא
נחשפו לדוגמא. לצורך המבחן דרושה דוגמת מים בנפח מזערי (בד"כ לא יותר מ-1 מ"ל), ומשכו הוא כ-5 עד 30 דקות בלבד. המידע על רעילות
הדוגמא זמין, אפוא, תוך מחצית השעה מרגע הדיגום, בהשוואה למבחני הרעילות המקובלים (בהם דגיגים או סרטנים זעירים משמשים כיצורי מבחן)
שמשכם הוא לפחות יומיים. הערך המחושב כמדד לרעילות מתוך הירידה בעצמת ההארה מוכר כ-EC50, והוא מבטא את ריכוז הדוגמא הגורם לירידה של
50% בעצמת האור. בתמונה 1 מתוארת עצמת ההארה של תרבית של החיידק המאיר Photobacterium phosphoreum כתלות בריכוז
4-ניטרופנול במים; בתמונה A1; מוצגת הפגיעה בהארה (15 דקות חשיפה) יחסית לביקורת, ובתמונה B1 מוצגים אותם נתונים כערכי "גמה",Γ = (lc-ls) / ls
כאשר ls מבטא את הארת הדוגמא ו-lc את הארת מערכת הביקורת. ריכוז הדוגמא בו Γ=1 הוא ה-EC50. התוצאות המוצגות כאן הושגו באמצעות
ערכה המשווקת מסחרית תחת השם Microtox™, שפותחה על-ידי תאגיד Microbics בארה"ב. השימוש התקני במערכת זו מקובל היום במקומות
רבים בעולם, שכן במקרים רבים הוצגו מתאמים טובים של התוצאות שהושגו בעזרתה לכאלה שנאספו ממבחני רעילות מקובלים דוגמת מבחן הדגים.
חשוב לציין, יחד עם זאת, שאין להשליך מתוצאות מבחני רעילות מיקרוביאליים על השפעות אפשריות על בריאות האדם; במיוחד, כמובן, אין לקבל
תוצאה שלילית במבחן Microtox כהכשר תברואתי כל שהוא לשימוש במים.
תמונה 1: קביעת רעילות 4-ניטרופנול כדוגמא לשימוש במבחן הרעילות Microtox.(A) השפעת הריכוז על עצמת האור;(B) חישוב הרעילות על סמך הנתונים שב-A.
בדיקות גנוטוקסיות
לא פחות חשובה מרעילות הדוגמא היא מידת הנזק הגנוטוקסי הפוטנציאלי שעלול להיות טמון בה. האפקטים הגנוטוקסיים יכולים להיות קרצינוגניים
(מסרטנים), טרטוגניים (גורמי נזק לעוברים) או מוטגניים (מחוללי מוטציות); המשותף לכולם הוא פגיעה בחומר הגנטי, ה-DNA. קיימים
מבחנים רבים לכימות מידת הגנוטוקסיות. המבחן המיקרוביאלי התקני הנפוץ ביותר קרוי על שם מפתחו, מבחן Ames. העיקרון בבדיקה זו פשוט
ביותר: חושפים לריכוזים שונים של הדוגמא הנבדקת מספר זני חיידקים מוטנטים, וקובעים את תדירות ההיפוך חזרה ל"גזע הבר", דהיינו תדירות
איבוד המוטציה. תדירות זו נמצאת ביחס ישר למידת המוטגניות של החומר הנבדק. בשנים האחרונות פותח על-ידי פרופ' ש' אוליצור מהטכניון
מבחן חלופי למבחן Ames, הבנוי על עיקרון דומה והמבוסס על שימוש במוטנט "חשוך" של החיידק המאיר Vibrio fischeri. יתרונו הגדול של
מבחן זה הוא בנוחות ביצועו: כל אשר על הבודק לעשות, לאחר הדגרת חיידקי המבחן עם הדוגמא משך כ-24 שעות, הוא לבדוק את עוצמת ההארה
שלהם: תרבית הביקורת תישאר כמעט חשוכה, בעוד שחיידקים שנחשפו להשפעות מוטגניות יגבירו בצורה ניכרת את הארתם. ערכות לקביעת
גנוטוקסיות המבוססות על מבחן זה מיוצרות ומשווקות על-ידי חב' Microbics תחת השם המסחרי Mutatox™.קביעת פוטנציאל הגידול מחדש של חיידקים
כדי שחיידקים מאירים יוכלו להאיר במלוא הפוטנציאל הטמון בהם הם זקוקים לתנאים סביבתיים הולמים; אחד התנאים החשובים הוא קיומו של מקור
פחמן זמין, בלעדיו לא יוכל החיידק לקיים מטבוליזם מאוזן ולהאיר. עובדה זו נוצלה לפיתוחו של מבחן חדשני לקביעת פוטנציאל הגידול מחדש
של חיידקים במי שתייה. למבחן זה חשיבות רבה בקביעת יכולתם של חיידקים לצמוח מחדש לאחר העלמות ההשפעות השאריתיות של החיטוי אותו עברו
המים. השיטות המקובלות לקביעת יכולת זו מבוססות על זריעת חיידקים בדוגמת המים הנבחנת ומעקב אחר גידולם משך תקופה בת לפחות כשבוע
ימים. בשיטת החיידקים המאירים, המפותחת במעבדתו של ש' אוליצור מהטכניון בשיתוף מחבר מאמר זה, נחשפים לדוגמא חיידקים מאירים בני המין
Vibrio fischeri או Photobacterium leiognathi. ההארה בתום כשעתיים עד ארבע שעות נמצאת ביחס ישר לכמות הפחמן
האורגני הזמין בדוגמא. בתמונה 2 מוצג המתאם הגבוה בין תוצאות ראשוניות של השיטה המתוארת כאן לבין אחת השיטות התקניות.
תמונה 2: מיתאם בין תוצאות מבחן החיידקים המאירים (Vibrio Fischeri, 4 שעות חשיפה) לתוצאות המבחן הסטנדרטי (7 ימים) לקביעת ריכוזי פחמן אורגני זמין בקבוצת דוגמאות מי המוביל הארצי. מעבודתה של רונית שומר-בן אברהם, הטכניון.
שימושים במערכת הגנטית של ההארה
ליתרונות הרבים של השימוש בחיידקים כיצורי מבחן ניתן להוסיף תכונה רבת חשיבות נוספת: היותם זמינים למניפולציה גנטית. ההתקדמות העצומה
שחלה בביולוגיה המולקולרית מאפשרת לנו כיום, באמצעים פשוטים יחסית, להפוך חיידקים "רגילים" לחיידקים מאירים. יתרה מזו, ביכולתנו
"להנדס" חיידקים כך שיגיבו בדרך שנרצה לגירויים מוגדרים מראש. אחת הדרכים הנפוצות לשם כך היא להשתמש בגן "מדווח": אלו גנים בעלי
פעילות מוכרת ונוחה לכימות, הניתנים להפרדה מהחיידק המקורי ולהצמדה מלאכותית לגנים אחרים שאחרי פעילותם אנו מעוניינים לעקוב. באופן
זה, ברגע שמשופעל גן המטרה, נכנס לפעולה גם הגן המדווח. הגנים האחראים להארה מיקרוביאלית (lux) מקובלים מאוד לשימוש כגנים מדווחים,
בגלל הנוחות הרבה שבמעקב אחר האור הנפלט. החיידקים המיוצרים בדרך זו מאירים באופן רציף, או "מתוכנתים" כך שיאירו רק בתגובה לגירויים
מסוימים.בשנים האחרונות מנוצלת עובדה זו לפיתוח מספר מערכות בדיקה לאיכות מים ושפכים, שיוזכרו בקיצור להלן. למרות יתרונותיהם הבולטים, בשלב זה השימוש בחיידקים המהונדסים מוגבל ביותר, בעיקר בגלל חששות מפני סכנות אפשריות הטמונות בשחרורם לסביבה. אין ספק שלאור הפוטנציאל העצום הגלום בשיטות אלה תימצא בעתיד הדרך להביא את יתרונות ההנדסה הגנטית גם לבדיקות איכות מים. בין הפיתוחים שפורסמו לשימושים בחיידקים מאירים מהונדסים ניתן למצוא:
- זיהוי מהיר (תוך שעות ספורות!) של חומרים מוטגניים.
- בדיקות רעילות המצביעות לא רק על קיום רעילות אלא גם על סוג הרעלן.
- זיהוי מהיר ורגיש של מתכות כבדות מסוימות.
- זיהוי של חומרים אורגניים ספציפיים.
- זיהוי חיידקים מזהמים (Escherichia coli, Salmonella), על-ידי שימוש בפאג'ים (וירוסים התוקפים חיידקים) ספציפיים הגורמים לחיידקי המטרה להאיר.
- מעקב בזמן אמיתי אחר יעילות הטיפול בשפכים תעשייתיים.
- מעקב אחר פיזור וחיוניות חיידקים מזהמים בסביבות טבעיות.
סיכום
הארה ביולוגית בכלל והארה מיקרוביאלית בפרט מהווים מכשיר פוטנציאלי רב עוצמה לבדיקות מסוגים שונים, ופיתוח כלים ביולוגיים מתאימים
לניצול תופעה זו לשימושים סביבתיים רבים נמצא בתנופה. לא מן הנמנע, אפוא, שבעתיד הלא רחוק חיידקים מאירים ומנגנון ההארה שלהם ימלאו
תפקידים רבי חשיבות במערכות לביקורת וניטור איכות מים ושפכים.
