בבושקה גנטית: חקר הווירוסים שמסתתרים בחיידקים שבתוכנו

מיליארדי וירוסים חיים בתוך המעיים שלנו. ד"ר ישי פינטו, חוקר ראשי בפקולטה למדעי החיים של בר-אילן ובמרכז דנגור לרפואה מותאמת אישית, מפתח כלים חישוביים שמדליקים אור באחד מהשטחים המתים הגדולים ביותר ברפואה המודרנית - המיקרוביום האנושי - ומסביר למה זה עשוי לשנות את האופן שבו נאבחן ונטפל כמעט בכל מחלה

יש רגע שאותו ד"ר ישי פינטו זוכר בדיוק. הוא ישב באולם הרצאות, עדיין סטודנט צעיר, ושמע לראשונה הרצאה על המיקרוביום האנושי – על כך שבמעיים שלנו חיים טריליוני מיקרואורגניזמים שמשפיעים על כל היבט של בריאותנו כמעט. "ידעתי ברגע הזה שזה מה שאני הולך לחקור בעתיד", הוא אומר, "לא היה לי ספק".

היום, שנים לאחר מכן, ד"ר פינטו יושב במשרדו בקמפוס בר-אילן – שבו למד וגדל כמדען, ואליו חזר לאחר פוסט-דוקטורט בסטנפורד – ומוביל מעבדה שחוקרת את הנושא שכמעט כולם בתחום פשוט פספסו: לא החיידקים שבמעיים, אלא הווירוסים שחיים בתוכם.

"אנחנו בעצם וירוס מהלך"

את העולם שאותו הוא חוקר מדמה ד"ר פינטו לבבושקה: "יש אותנו, יש חיידקים שחיים בנו, ובתוך החיידקים האלה – יש וירוסים." כדאי לעצור רגע כדי להבין את סדר הגודל. "יש לנו יותר חיידקים מאשר תאים בגוף", הוא אומר, "ויש הרבה יותר גנים של החיידקים מאשר גנים שלנו", ומוסיף, כמעט בחיוך: "ויש אפילו יותר וירוסים מחיידקים. אנחנו בעצם וירוס מהלך".

הווירוסים שד"ר פינטו מתמקד בהם נקראים בקטריופאג'ים (או בקיצור פאג'ים) – נגיפים שאינם מדביקים אותנו ישירות, אלא את החיידקים שחיים בתוכנו. "כמו שיש וירוסים שמדביקים אותנו – הרפס, HIV, קורונה – יש גם וירוסים שמדביקים חיידקים", הוא מסביר. "הפאג' הוא חתיכת DNA עטופה במעטפת. בזכות מיקרוסקופים עוצמתיים אנחנו יודעים שהוא נראה ופועל ממש כמו חללית זעירה: הוא נוחת על דופן החיידק, ננעל עליו בדיוק של מפתח למנעול, ומזריק פנימה את המטען הגנטי שלו. לפעמים הוא נטמע בתוך הגנום שלו וממתין שם רדום – ולפעמים פשוט משתלט עליו מייד, מכפיל את עצמו, והורג את המאכסן".

אוכלוסיית כל הווירוסים בגוף האדם – מה שנקרא וירום (Virome) – היא, לפי ד"ר פינטו, אחד מה"שטחים המתים" האחרונים של מדעי החיים.

החומר האפל: מה שחי בתוכנו ואנחנו עדיין לא מכירים

"במחקרים מצאנו וירוס שמופיע כמעט בכל בן אדם שדגמנו – ועדיין אין לו שם"

 

 

המטפורה שד"ר פינטו אוהב להשתמש בה היא "חומר אפל בדיוק .Dark Matter – כמו באסטרונומיה, שם מרבית מסת היקום בלתי נראית לעין, כך גם בגנום האנושי: רוב הווירוסים שיש לנו במעיים מעולם לא גודלו במעבדה, מעולם לא בודדו, ורובם אפילו חסרי שם.

"כשאנחנו לוקחים דגימת צואה ומרצפים את ה-DNA שלה, אנחנו מגלים שיש שם, אצל כל אחד מאיתנו, מאות וירוסים שמדביקים חיידקים", הוא אומר. "יש לנו את הרצף הגנטי שלהם. ומעבר לזה – אנחנו לא יודעים עליהם כמעט כלום. באחד המחקרים שלי מצאנו וירוס שמופיע כמעט בכל בן אדם שדגמנו – ועדיין אין לו שם אמיתי. יש לו איזה קוד אקראי של אותיות ומספרים".

הסיבה שהמדע פספס את הווירוסים האלה כל השנים היא בעיקר טכנית. גידול של נגיף יחיד מהמעי במעבדה יכול להיות פרויקט דוקטורט שלם, ויש מאות אלפי נגיפים שונים רק במעיים של בני אדם. "זה פשוט לא ריאלי לחקור אותם בשיטות קלאסיות של מיקרוביולוגיה", אומר ד"ר פינטו. "כאן נכנסים חוקרים כמוני, שיודעים לקרוא D.N.A בקנה מידה גדול".

Phanta: מכשיר לגילוי הווירוסים

כדי לסייע בהכרת הווירוסים הללו פיתח ד"ר פינטו כלי מיוחד בשם Phanta. הוא יצר אותו במהלך הפוסט-דוקטורט שערך בסטנפורד ומה שהוא עושה נשמע אולי פשוט, אך מבחינה חישובית מחולל מהפכה קטנה: הוא לוקח תוצאות ריצוף של דגימת צואה ומגלה לא רק אילו חיידקים יש בה, אלא גם אילו וירוסים – ובאיזו פרופורציה.

"היו הרבה כלים שעשו את זה רק לחיידקים", הוא מסביר. "פאנטה מאפשר לעשות את זה גם לווירוסים, מהר ובצורה מקיפה, על אותה דגימה בדיוק". האתגר שד"ר פינטו מתאר הוא ויזואלי: "דגימת צואה היא כמו לגו ששפכו לתוכו חלקים של אלף צעצועים שונים, ואתה צריך להרכיב אותם מהר כשחלק מהחלקים חסרים". הפתרון שהוא מצא: בניית מסד נתונים של וירוסים ידועים, ואופטימיזציה של האלגוריתם כך שיצליח לזהות גם את החתימות הוויראליות – לצד החיידקיות – באותו ניסוי.

השם? "זה מתכתב עם המשקה", הוא מודה בחיוך. "יש נטייה בעולמות האלה לקרוא לאלגוריתמים בשמות של אוכל ושתייה".

"על בסיס פרופיל החיידקים בלבד הצלחנו לנבא בצורה די טובה מי תחלה בסוכרת היריון"

 

 

הנביא שבמעי: לזהות סוכרת היריון לפני שהיא קורית

עוד בתקופה שהיה ממוקד עדיין רק בחיידקים, הצליח ד"ר פינטו, יחד עם פרופ' עמרי קורן, קולגה ממרכז דנגור, לעשות שימוש מיטבי בבדיקות צואה של 400 נשים הרות.

"נשים מאובחנות בסוכרת הריונית רק בסוף הטרימסטר השני, לפעמים אפילו בתחילת השלישי", הוא מסביר. "לקחנו דגימות צואה שלהן בטרימסטר הראשון – שלושה חודשים לפני האבחון הקליני – וניסינו לנבא מי תפתח את המחלה".  התוצאה: "הצלחנו לנבא בצורה די טובה מי תחלה בסוכרת היריון, על בסיס פרופיל החיידקים בלבד".

החשיבות של הממצאים הללו אינה רק תיאורטית; אישה שנמצאת בסיכון לסוכרת הריונית יכולה, אם מאבחנים אותה מוקדם, לשנות תזונה ואורח חיים ולהפחית משמעותית את הסיכון – גם לה וגם לעובר. "ככל שמאבחנים מוקדם יותר, כך אפשר לצמצם את הסיכונים. הוכחנו שדגימת הצואה הפשוטה ביותר יכולה לשמש כלי ניבוי עוצמתי".

וזהו בדיוק המקום שבו העבודה הנוכחית של ד"ר פינטו צפויה להביא פריצת דרך. "הווירוסים הרבה יותר ספציפיים מחיידקים", הוא מסביר. "המגוון שלהם גדול יותר, ולכן פוטנציאלית הם יכולים להיות סמנים מדויקים יותר למחלות. אנחנו שואפים לחזור ולעשות בדיוק את מה שעשינו עם סוכרת ההיריון – אבל הפעם ברזולוציה הגבוהה יותר שמעניק הווירום". 

"כשאנחנו לוקחים אנטיביוטיקה, היא משנה את אוכלוסיית החיידקים במעיים – זה ידוע", אומר ד"ר פינטו, "אבל יש אפקט נוסף שלא חקרנו מספיק: הפאג'ים הרדומים שנמצאים בתוך הגנום של החיידקים פתאום מתעוררים". הסיבה הגיונית: כשהאנטיביוטיקה תוקפת את החיידקים המאכסנים, הפאג'ים שחיים בתוכם מזהים שהמאכסן שלהם בסכנה – ויוצאים לפעולה. הם מכפילים את עצמם ומדביקים חיידקים נוספים, ובכך יוצרים תגובת שרשרת שמשנה את הרכב המיקרוביום מעבר למה שהאנטיביוטיקה עצמה גרמה.

"אנחנו עכשיו חוקרים איך ההפעלה הזאת של הפאג'ים משנה את האוכלוסייה", הוא אומר. "וזה לא רק לגבי אנטיביוטיקה – גם שינוי דיאטה, למשל, יכול להפעיל פאג'ים רדומים. אנחנו עוד בתחילת הדרך להבין מה המנגנון הזה עושה לנו".

"נשרים אוכלים נבלות כל היום ולא קורה להם כלום, בעוד אנחנו נחלה מאוד או נמות – מה יש להם שאין לנו?" 

 

מהטבע אל המעבדה: הנשרים שלימדו רפואה

לפני שפתח את המעבדה שלו עבד ד"ר פינטו כביואינפורמטיקאי ראשי בחברת Wild Biotech –סטארט-אפ ישראלי שחקר את המיקרוביום של חיות בר. הפרויקט היה אמביציוזי: "עבדנו עם מעל 200 מינים שונים של 400 חיות שונות שאספנו בכל מיני מקומות אקזוטיים בעולם, מאוסטרליה ועד איי פוקלנד – והרכבנו מהן רצפים גנומים של חיידקים שלא היו ידועים למדע".

"שלושה רבעים מהחיידקים שהרכבנו מהדגימות הללו היו חדשים לגמרי", הוא מפרט. אחד הממצאים המפתיעים ביותר הגיע מהנשרים. "נשרים אוכלים נבלות כל היום ולא קורה להם כלום. אם אנחנו נאכל נבלה נחלה מאוד או נמות. אז שאלנו – מה יש להם שאין לנו?" התשובה התגלתה בממצאי המיקרוביום שלהם. למשל, גן שבודד מחיידק שחי במעי של נשר ונמצא כמסוגל לפרק בוטוטוקסין – הרעלן שמשמש בין השאר בהזרקות בוטוקס. "זה מדגים שהמיקרוביום של חיות בר הוא מעין בית מרקחת פתוח שבקושי התחלנו לחקור". 

בינה מלאכותית כותבת גנומים: הכיוון הבא של המעבדה

ד"ר פינטו, בן 40, גדל ברמת הגולן, למד ועשה את כל תאריו בבר-אילן. לאחר פוסט-דוקטורט של ארבע שנים בסטנפורד, חזר בקיץ 2023 לפתוח את מעבדתו – בדיוק בתקופה מהסוערות שידעה ישראל. "זה מרגיש טוב", הוא אומר בפשטות. "אני שמח על ההזדמנות לחזור ולעשות מה שאני אוהב לעשות". כיום הוא גר עם אשתו ושני ילדיו בגבעת שמואל, במרחק כמה דקות מהקמפוס. המעבדה, שנפתחה לפני פחות משנה, כוללת כבר שתי דוקטורנטיות, ארבעה תלמידי מחקר, מנהל מעבדה ועוד שני חוקרים. 

אחד הכיוונים המרגשים ביותר שאליהם מועדות פני המעבדה בבר-אילן הוא שילוב מודלי שפה גדולים – כמו ChatGPT – בחקר הגנום הוויראלי. "גנום הוא סוג של שפה. הוא מורכב מארבע אותיות, ולסדר שלהן יש משמעות. בדיוק כמו מודל שפה שלומד לקרוא ולכתוב טקסט – אפשר לאמן מודל שיקרא וייצור רצף גנומי".

"השימוש במודלי שפה במחקר שלנו הוא ממש כמו לקחת ספר, לקרוע ממנו עמוד, ולבקש מהמחשב לנסות להשלים את המילים החסרות על סמך ההקשר", מסביר ד"ר פינטו. "המודל לא רק קורא את הגנום, הוא גם לומד את החוקיות שלו כדי להבין מה אמור להיות כתוב בדפים שעדיין נסתרים מאיתנו". 

מודלי שפה במעבדה מסייעים גם להבין אם וירוס מסוים נוטה לאורח חיים רדום – לישון בתוך גנום החיידק ולהמתין – או לצאת להתקפה ישירה. אבל זה לא נעצר שם: מעבדה בארצות הברית הדגימה לאחרונה שבעזרת מודל שפה אפשר לעצב פאג' חדש, לסנתז את ה DNA-שלו פיזית, להזריק אותו לחיידק – ולראות שהוא פועל ומדביק. "הרעיון הוא להשתמש בבינה לא רק לקרוא גנומים, אלא גם לכתוב אותם," אומר ד"ר פינטו. "וזה לא עוד מדע בדיוני. זה קורה עכשיו".

זהו בעצם הכיוון המרכזי הבא של המעבדה: לא רק לאבחן מחלות ולזהות קשרים בין וירוסים לתסמינים, אלא גם לתכנן מתוך הבנה עמוקה פתרונות ויראליים מותאמים אישית. "בסופו של דבר", אומר ד"ר פינטו, "אנחנו רוצים לא רק לקרוא את השפה הזאת – אלא גם לכתוב בה פרקים חדשים".

"אנחנו לא טוענים שפאג'ים ירפאו את כל המחלות – אבל הפוטנציאל לנבא, להקל ואולי אפילו למנוע חלק מהן הוא אמיתי מאוד". ד"ר ישי פינטו

 

 

 החזון הרפואי: קוקטייל וירוסים מותאם אישית 

לאן כל זה מוביל? התשובה של ד"ר פינטו שאפתנית. "יש לי ספר במשרד שכתבה ד"ר סטפני שטארדי, שהצילה את חיי בעלה באמצעות טיפול בפאג'ים", הוא מספר. מדובר בפאג' תרפי – רעיון שנולד בתחילת המאה ה-20, עוד לפני עידן האנטיביוטיקה: שימוש בפאג'ים כדי לתקוף חיידקים פתוגניים ספציפיים. כשהאנטיביוטיקה הגיעה, העולם המערבי נטש את השיטה כמעט לחלוטין, אך בעשור האחרון, לאור משבר העמידות לאנטיביוטיקה, חזר העניין בה. 

"רוב המחקר על פאג'ים בעשרות השנים האחרונות היה ממוקד בשאלה הזאת", מבהיר ד"ר פינטו, "וזה טוב, אבל זה לא מה שאנחנו עושים". המעבדה שלו חוקרת שאלה אחרת לגמרי: איך לנצל את הפאג'ים כדי לעצב מחדש את המערכת האקולוגית שבמעי. 

הרעיון הוא לשכלל פרקטיקה שכבר קיימת - השתלות צואה. זה נשמע אולי מוזר, אך התהליך פשוט: לוקחים צואה מאדם בריא שאוכלוסיית החיידקים שלו עשירה ומאוזנת, מעבדים אותה ושמים אותה בקפסולה, והמטופל בולע אותה כמו כל כדור אחר. המטרה היא להשתיל אוכלוסיית חיידקים בריאה במעי של מי שאוכלוסייתו נפגעה או חסרת איזון. 

כיום זהו טיפול מאושר בעיקר לחיידקים שמשתלטים על המעיים וגורמים לדלקות חוזרות שאנטיביוטיקה כבר אינה מצליחה לטפל בהן. השתלת צואה מתורם בריא מצליחה לאזן מחדש את האוכלוסייה המיקרוביאלית ולמנוע את חזרת החיידק.

ד"ר פינטו מקדם את התהליך צעד קדימה. "אנחנו שואלים: מה יקרה אם נשתיל רק את הווירוסים שנמצאים בצואה? הם בטוחים יותר, וייתכן שיעילים באותה מידה".  בעתיד הנראה לעין, הוא חולם על מעבדות שיוכלו לייצר קוקטייל פאג'ים מותאם אישית לכל מטופל – לא רק לחיידקים פתוגניים, אלא גם לשיפור הרכב המיקרוביום לרווחה כללית, להאטת תהליכי הזדקנות, לטיפול במחלות מעיים דלקתיות, ואולי אפילו להשפעה על מחלות נוירולוגיות כמו פרקינסון וטרשת נפוצה.

"ציר המוח-מעי הוא אחד התחומים הנחקרים ביותר כיום," אומר ד"ר פינטו. "הרבה מולקולות שמשפיעות על המוח מיוצרות על ידי חיידקי המעי. ראינו עלייה בווירוסים מסוימים אצל חולים בהחמרה של טרשת נפוצה. אנחנו לא טוענים שפאג'ים ירפאו את כל המחלות – אבל הפוטנציאל לנבא, להקל ואולי אפילו למנוע חלק מהן הוא אמיתי מאוד".