חיים בתא אחד
השאירו קערת מרק על השיש לילה שלם, ובבוקר אולי יהיה לה ריח חמוץ. שום דבר לא זחל פנימה. כמה חיידקים שכבר היו שם, קטנים מכדי שנראה אותם, בילו את הלילה באכילה ובהתחלקות, ועכשיו יש מהם מיליארדים.
חיידק הוא תא חי יחיד, ואחד הקטנים ביותר שחיים בכוחות עצמם. החיידק שבסצנה הוא Escherichia coli, או E. coli, שחי במעיים של כל אדם ושל רוב בעלי החיים בעלי הדם החם. זה מוט באורך של כ־2 מיקרומטרים וברוחב של מיקרומטר אחד: אלף כאלה בשורה היו מכסים שני מילימטרים, רוחבו של ראש סיכה. רוב החיידקים אינם מזיקים, ורבים מהם מועילים. במעיים שלכם חיים עשרות טריליוני חיידקים, בערך כמספר התאים בגוף שלכם, והם עוזרים לעכל את המזון ודוחקים החוצה את המינים המעטים שגורמים למחלות.
מה שמבדיל חיידק מהתאים של צמח או של בעל חיים הוא מה שחסר לו. אין לו גרעין, אין לו מיטוכונדריה, ואין לו אף תא־משנה אחר עטוף בקרום. הכול קורה בחלל אחד. תאים כאלה נקראים פרוקריוטים, מיוונית “לפני הגרעין”. התאים שלכם, שיש בהם גרעין, הם אאוקריוטים, והם רחבים פי עשרה בערך וגדולים פי אלף בנפחם (ראו את המאמר תאים).
בתוך המעטפת
את התא עוטפת מעטפת קשיחה בת שלוש שכבות. E. coli הוא חיידק גרם־שלילי, על שם בדיקת צביעה שהוא נכשל בה: יש לו קרום חיצוני, אחריו דופן דקה של פפטידוגליקן, ואחריה הקרום הפנימי, שהוא זה שמחזיק בפועל את תוכן התא. פפטידוגליקן הוא מולקולה ענקית אחת, רשת של שרשראות סוכר שמקיפות את התא, סרוגות זו לזו בשרשראות קצרות של חומצות אמינו. היא שנותנת למוט את צורתו ומונעת ממנו להתפוצץ: פנים החיידק צפוף כל כך במולקולות מומסות שהמים לוחצים פנימה בכוח, בלחץ של כמה אטמוספרות, כמו האוויר בצמיג של אופניים. חיידקים עם דופן עבה ובלי קרום חיצוני, כמו ה־Staphylococcus שעל העור שלכם, נקראים גרם־חיוביים.
בפנים התא דחוס. כרבע מנפחו הוא חלבון, ועשרות אלפי ריבוזומים, המכונות שבונות חלבונים, פזורים בו. הגנים שלו נמצאים בטבעת אחת של DNA, הכרומוזום, באורך של כ־4.6 מיליון אותיות. פרוש לכל אורכו הוא היה מגיע ל־1.5 מילימטרים, כמעט פי אלף מאורך התא, ולכן הוא מלופף לסבך שנקרא נוקלאואיד. לחיידקים רבים יש גם פלסמידים, טבעות קטנות נוספות של DNA ובהן קומץ גנים, שהם יכולים להעתיק ולהעביר זה לזה.
שחייה בעזרת מנוע
על פני החיידק יש מאות שערות קצרות וישרות שנקראות פילי, והוא נאחז בעזרתן במשטחים ובתאים אחרים, וגם כמה זנבות ארוכים דמויי חולץ פקקים שנקראים שוטונים. כל שוטון מסתובב בבסיסו בעזרת מנוע סיבובי של ממש שבמעטפת, שמונע בפרוטונים הזורמים אל תוך התא. המנוע מסתובב כמאה סיבובים בשנייה. כשכל המנועים מסתובבים באותו כיוון, השוטונים נכרכים זה בזה לצרור אחד מאחורי התא ודוחפים אותו קדימה כמו מדחף, במהירות של 20 עד 30 מיקרומטרים בשנייה: עשרה אורכי גוף בכל שנייה. בערך פעם בשנייה אחד המנועים מתהפך, הצרור מתפרק והתא מתגלגל, ואז יוצא לדרך בכיוון חדש. כיוון שהוא שוחה זמן רב יותר כשהתנאים משתפרים, הוא נסחף בהדרגה לעבר המזון.
אחד הופך לשניים
חיידק מתרבה בחלוקה בינארית: הוא גדל עד פי שניים מאורכו ונחצה באמצע. קודם הוא מעתיק את הכרומוזום שלו. ההעתקה מתחילה בנקודה אחת על הטבעת ומתקדמת לשני הכיוונים סביבה, ובזמן ששני העותקים נוצרים הם נמשכים אל הקצוות הנגדיים של התא. בינתיים התא ממשיך לגדול ומוסיף דופן חדשה לאורכו. אחר כך טבעת של חלבון שנקרא FtsZ מתכנסת סביב האמצע, מתחת לקרום הפנימי, ומתהדקת כמו שרוך. דופן חדשה נבנית לתוך הפתח הנסגר עד שהוא נאטם, ושני תאי בת, ולכל אחד כרומוזום שלם, מעגלים את הקצוות החדשים שלהם ונפרדים.
נסו: הזיזו את זמן מתא שזה עתה נוצר עד חלוקה. צפו בעותק השני של ה־DNA גדל ובשני העותקים מתרחקים, ואז בטבעת ה־FtsZ הכתומה שמופיעה ומהדקת את האמצע עד שהוא נסגר.
בתנאים אידיאליים E. coli עושה את כל זה בכ־20 דקות. זה פחות מהזמן שלוקח להעתיק את הכרומוזום שלו, כ־40 דקות; הוא מצליח בזכות זה שהוא מתחיל את סבב ההעתקה הבא לפני שהקודם הסתיים, כך שתא שגדל מהר נושא DNA שכבר הועתק בחלקו בשביל הנכדים שלו.
הכפלה וחום
כל חלוקה מכפילה את מספר התאים, וכיוון שכל תא חדש מתחלק גם הוא, המספרים גדלים מהר מאוד. תא אחד שמתחלק כל 20 דקות הופך ל־8 בשעה, ל־4,096 בארבע שעות ולכ־17 מיליון בשמונה. זו גדילה מעריכית, ובסולם הלוגריתמי של התרשים היא קו ישר: כל שעה מוסיפה אותו מספר של אפסים.
הקצב תלוי בטמפרטורה. E. coli מהיר ביותר בכ־40 °C, קרוב לחום הגוף שבו הוא חי. בטמפרטורת החדר לוקח לו כשעה וחצי להתחלק, ומתחת לכ־7 °C, הטמפרטורה בתוך מקרר, הוא כמעט אינו גדל כלל. הוא לא מת, רק מואט: הכימיה של האנזימים שלו רצה לאט יותר בקור. מעל כ־45 °C החלבונים שלו מתחילים להתפרק, הגדילה צונחת בחדות, וב־48 °C היא נעצרת.
נסו: לחצו על מקרר, חדר וגוף תחת טמפרטורה, וצפו בזמן ההכפלה ובמספר התאים אחרי שמונה שעות שבתרשים. ב־4 °C התא ממתין, והספירה נשארת על אחד.
גדילה אמיתית אינה יכולה להמשיך ולהכפיל את עצמה זמן רב. המרק אוזל ומתמלא בפסולת, ותרבית נעצרת בדרך כלל בסביבות מיליארד תאים בכל מיליליטר.
למה פניצילין מפוצץ חיידק
ב־1928 שם לב אלכסנדר פלמינג שעובש שצמח על אחת מצלחות המעבדה שלו פינה סביבו טבעת של חיידקים מתים. העובש ייצר פניצילין, האנטיביוטיקה הראשונה. פניצילינים, ובהם האמפיצילין שבסצנה, שעובר דרך הקרום החיצוני של E. coli, חוסמים את האנזימים שסורגים שרשראות חדשות לתוך דופן הפפטידוגליקן.
תא שאינו גדל כמעט לא מרגיש בזה. אבל תא שגדל פותח את הדופן שלו שוב ושוב כדי להוסיף לה חומר, ובנקודת ההיצרות שבאמצע הוא חייב לבנות דופן שלמה חדשה לרוחב התא. כשהסריגה חסומה, נשאר שם חור בדופן. הלחץ שבפנים דוחף את הקרום הפנימי החוצה דרכו כבליטה, והבליטה מתנפחת עד שהיא מתפוצצת. זו הסיבה שפניצילינים הורגים רק חיידקים שגדלים, וזו גם הסיבה שהם אינם מזיקים לנו: לתאי האדם אין דופן בכלל.
המינון הקובע הוא הריכוז המעכב המזערי, או MIC: הריכוז הנמוך ביותר שעוצר את הגדילה של תרבית. לזן רגיל של E. coli ולאמפיצילין הוא כמה מיליגרמים בכל ליטר. מתחתיו הדופן נחלשת אבל רוב התאים עדיין מתחלקים, כך שהתרבית גדלה לאט יותר. בדיוק בו, בערך אותו מספר של תאים מתפוצץ ומתחלק. מעליו, המספר יורד.
נסו: קבעו את אמפיצילין על 8 mg/L, פי שניים מה־MIC, והזיזו שוב את זמן. התא גדל כרגיל עד שהוא מנסה להתחלק, ואז מתנפח ומתפוצץ. עכשיו לחצו על מקרר: תא קר שאינו גדל ניצל.
יש חיידקים שנושאים גנים, לעתים קרובות על פלסמידים, לאנזים שמפרק פניצילינים לפני שהם מגיעים לדופן. תאים כאלה שורדים את המינון וממשיכים להתחלק. איך אוכלוסייה שלהם יכולה להשתלט היא הסיפור של עמידות לאנטיביוטיקה.
מה המודל הזה משמיט
הסצנה מציירת תא אחד מוגדל כפי 10,000 מגודלו האמיתי, ששוחה במקום בזמן שחלקיקים מהמרק זורמים על פניו. השוטונים קצרים ועבים בהרבה מהאמיתיים, שעוביים כ־20 ננומטרים, והם מסתובבים לאט פי מאה בערך מהמנועים האמיתיים כדי שתוכלו לעקוב אחריהם. שכבות המעטפת מצוירות עבות מכפי שהן, ובתא יש מאות ריבוזומים במקום עשרות אלפים.
מחזור תא אחד מצויר באותו אופן בכל טמפרטורה: הטמפרטורה קובעת רק כמה זמן הוא נמשך, וזה מה שהתרשים מראה. קצב הגדילה לקוח ממודל פשוט שהותאם ל־E. coli במרק עשיר, בלי גדילה מתחת ל־5 °C או מ־48 °C, עם זמן הכפלה של 20 דקות ב־37 °C ושיא קרוב ל־40 °C. התגובה לאמפיצילין היא עקומה סטנדרטית שהותאמה כך שה־MIC שלה יהיה 4 mg/L, וההרג החזק ביותר מהיר פי שניים מהגדילה; זנים אמיתיים ומינונים אמיתיים שונים מאוד זה מזה, וריכוז התרופה בגוף עולה ויורד בין מנה למנה. התא היחיד שבסצנה תמיד מתפוצץ ב־MIC ומעליו ותמיד שורד מתחתיו, כשגורלו של תא אמיתי הוא עניין של מזל, ולכן התרשים סופר אוכלוסייה שלמה.