בני אדם לא מתפקדים היטב בעומס חום גבוה, או כשקר להם מדי. קשה לתאר את החיים המודרניים ללא אח בוער, בקבוק חם, מעילים, מאווררים ומזגני אוויר. לעומתנו, החיידקים והאצות הם יצורים הרבה פחות מפונקים. הם מתקיימים ללא תלונות מיוחדות באנטרקטיקה הקפואה או במעיינות מים רותחים, ללא כל יכולת לווסת את חום הגוף, ובוודאי שללא אמצעים טכנולוגיים כלשהם. כיצד הם מצליחים לשגשג בסביבות בעלות טמפרטורות קיצוניות?
אם נמצא את התשובה לשאלה זו נוכל, אולי, לשפר את יכולתם של גידולים חקלאיים להתמודד עם תנאי חום וקור, לייעל תהליכים תעשייתיים ולמצוא פתרונות לבעיות סביבתיות שונות. אלה בדיוק השאלות העומדות במרכז הפעילות של צוות מדעי רב-תחומי בראשותו של פרופ' אביגדור שרץ מהמחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן למדע.
יחד עם הצוות, שכלל את תלמידי המחקר אוקסנה שליק-קרנר, אילן סמיש והדר קלס, ואת החוקרים הבתר-דוקטוריאלים דוד כפתן, נטע הולנד ומרוטי סיי, ניסה פרופ' שרץ לפענח את המנגנונים המאפשרים ליצורים שונים לחיות ולשגשג בסביבה המתאפיינת בטווח רחב של טמפרטורות. או, כפי שניסחו זאת המדענים: כיצד מערכות אנזימטיות בעלות מבנה ותכונות דומים מאוד, מצליחות לתפקד ביעילות דומה בתנאי טמפרטורה שונים במידה קיצונית.
החוקרים בחנו מינים שונים של חיידקים המבצעים פוטוסינתזה (ייצור חומרי מזון - סוכרים - בסיוע אנרגיית השמש). הם התמקדו באחד משלבי המפתח של התהליך (העברת אלקטרון בין שתי מולקולות הממוקמות על גבי "מרכז תגובה" חלבוני), והשוו את קצב התגובה הזאת בשני מיני חיידקים, תוך שהם מעלים בהדרגה את טמפרטורת הסביבה.
להפתעתם, גילו החוקרים כי התגובה אינם מצייתת לתפיסה הרווחת שלפיה הקצב של כל תגובה אנזימטית עולה בשיעור מעריכי עם עליית הטמפרטורה. למעשה, התברר להם שקצב התגובה הגיע לשיא בדיוק בטווח הטמפרטורות שבו "אוהבים" החיידקים להתקיים. קצב זה נותר על כנו גם כשטמפרטורת הסביבה המשיכה לעלות. במלים אחרות, החיידקים אינם מושפעים משגיונותיו של מזג האוויר, אלא מווסתים את קצב הפעילות האנזימטית שלהם בהתאם לטמפרטורה הממוצעת של הסביבה בה הם חיים. כך הם נמנעים, הן מהפחתה מסוכנת בפעילות כתוצאה מהתקררות הסביבה, והן מפעילות יתר הרסנית כתוצאה מהתחממות הסביבה.
איך הם עושים זאת? המדענים בחנו את מרכזי התגובה החלבוניים שבהם מתחולל שלב מרכזי בתהליך הפוטוסינתזה בחיידקים ש"אוהבים" טמפרטורות מתונות, ובחיידקים שמשגשגים בסביבה חמה מאוד. החלבונים של שני החיידקים כמעט זהים, אלא שהמדענים הצליחו לזהות הבדל זעיר ביניהם: שתי חומצות אמינו (היחידות המרכיבות את החלבונים) בחלבון של החיידקים אוהבי הסביבה המתונה, שונות מאלו המצויות באותו מקום על רצף החלבון של החיידקים אוהבי החום. יחי ההבדל הקטן. המדענים שיערו כי שוני זה מאפשר לחיידקים להתאים את קצב הפעילות שלהם לטמפרטורת הסביבה. ואכן, כששינו את רצף חומצות האמינו בחלבון בשיטות של הנדסה גנטית, השתנה טווח הפעילות האופטימלית של החיידקים בכ-10 מעלות, בדומה למה שמתחולל בטבע.
ממצאים אלה, שפורסמו באחרונה במהדורה המקוונת של כתב העת המדעי Nature, עשויים אולי לסייע, בעתיד, בפיתוח זני צמחים עמידים לטמפרטורות קיצוניות, כך שאפשר יהיה, למשל, לגדל צמחי מזון שונים באזורים מדבריים. יישומים נוספים עשויים להוביל לייעול תהליכים תעשייתיים הכוללים תגובות אנזימתיות. פרופ' שרץ אומר כי היכולת להגביר את קצב הפעילות של אנזימי הפוטוסינתזה עשויה אולי לאפשר, בעתיד, שליטה בקצב הפוטוסינתזה והגדלת שיעור קליטת הפחמן הדו-חמצני מהאטמוספירה - דבר שעשוי לאפשר גידול ניכר בייצור מאסה צמחית להפקת דלק ביולוגי, ובאותה עת גם להפחית את אפקט החממה".