הדרך הרווחת לאבחון מחלות מידבקות מבוססת על שיטות תרבית שפותחו במקור בידי לואי פסטר לפני יותר מ-150 שנה. רופאים נוטלים דגימת רקמה מן המטופלים, למשל דם, ריר או שתן, ומעבירים אותה לבקבוק המכיל נוזל תרבית עשיר או לצלחת אגר, תמצית של אצות דמוית ג'לטין, המאפשרים למחוללי המחלה להתרבות. כעבור יום או יומיים, החיידקים מתרבים בכמות המאפשרת את זיהויים. כדי לבחון רגישות לתרופות שונות, טכנאי המעבדה יכולים לבדוק אם התרביות מתות כשמגדלים אותן בנוכחות חומרים שונים ובאיזו מהירות הדבר מתרחש. אבל אפילו אם גישה כזאת מהירה יותר, אין היא אידאלית כדי להחליט על הטיפול המתאים, משום שקשה לגדל מחוללי מחלה רבים, הנזקקים לנוזל תרבית מיוחד או לסביבת גידול מיוחדת. לפעמים אי-אפשר כלל להרבות חיידקים ממטופלים מסוימים כי הם טופלו באנטיביוטיקה עוד לפני שנלקחה הדגימה.
התחלתי להתעניין בנושא אבחון ומעקב אחר מחלות מידבקות בזמן שעבדתי בסוכנות האמריקנית למחקר ביטחוני מתקדם (DARPA), וחקרתי גישות חדשות לגילוי סוגי אנטיביוטיקה. המטרה שלנו הייתה לסרוק אלפי תרכובות כימיות ולגלות את התרכובות שקוטלות סוגים רבים של חיידקים שהמשותף להם הוא רצף מסוים של רנ"א, מולקולה חיונית לתפקודם של כל היצורים החיים.
עמיתי ואני השתמשנו במכשיר הקרוי ספקטרומטר מסות כדי לקבוע אם התרופות הפוטנציאליות נקשרו לרנ"א החיידקי. ספקטרומטר מסות קובע למעשה את המסה של מולקולות בדיוק רב, ואפשר להשוותו למאזניים. מכיוון שידענו את מסת הרנ"א החיידקי, יכולנו להסיק את המסה של כל תרכובת שנקשרה אליו, באותו אופן שבו שוקלים כלב כשאנו מחזיקים אותו על הידיים בזמן השקילה ואז מחסרים את המשקל שלנו. משקל התרכובת סיפק לנו למעשה את זהותה, משום שלכל תרכובת מסה ייחודית לה.
עד מהרה הבנו שהטכנולוגיה הזאת יכולה לאפשר לנו להבחין בין חיידקים, נגיפים, פטריות וטפילים, באמצעות שקילה של חלק מן הרנ"א או של חלק מן הדנ"א של אותם יצורים. הדנ"א הוא מולקולה דומה מאוד לרנ"א. כל גדיל של מולקולות אלו מורכב מתת-יחידות, הקרויות נוקלאוטידים, המופיעות מספר רב של פעמים בכל מולקולה. הנוקליאוטידים מסומנים באות הראשונה של חלק המולקולה המכיל חנקן: A (אדנין), C (ציטוזין), G (גואנין) ו-U (אורציל) במקרה של רנ"א או T (תימין) במקרה של דנ"א. כמעט על-פי הגדרה, חלקים מסוימים של חומצות גרעין אלו יהיו ייחודיים למחוללי מחלה שונים. מכיוון שהמשקלים המולקולריים של הנוקלאוטידים השונים (A, T, C, G ו-U) שונים מאוד זה מזה, אנחנו יכולים לקבוע כמה נוקלאוטידים מסוג מסוים מצויים בגדיל נתון רק על-פי התוצאה המתקבלת בספקטרומטר המסות. לדוגמה, כל גדיל דנ"א שמשקלו 38,765.05 דלטון (דלטון הוא יחידת המידה התקנית של אטומים), כפי שנקבע באמצעות ספקטרומטר מסות, חייב להכיל 43 יחידות אדנין, 28 יחידות גואנין, 19 יחידות ציטוזין ו-35 יחידות תימין. צירוף זה הוא היחיד הנותן בדיוק את התוצאה הזאת בלי שארית של חלקי נוקלאוטידים שאינם מצויים בטבע. מידע זה, בתורו, מעיד על זן המיקרואורגניזם הנבדק.
השיטה הזאת דומה לשיטה שבה אפשר לחשב את מספר המטבעות בצנצנת שיש בה רק מטבעות של רבע דולר אמריקני (השוקלים כל אחד 5.670 גרם כשהם חדשים) ושל 5 סנט (ניקלים, השוקלים כל אחד 5.000 גרם). אם משקל סך המטבעות הוא 64.69 גרם, הצנצנת חייבת להכיל 7 מטבעות של רבע דולר וחמישה ניקלים (64.69=5.67q+5n כש-q ו-n יכולים להיות רק מספרים שלמים חיוביים או אפס). כל מספר אחר של מטבעות של 25 סנט פירושו חלקי ניקלים.
תהליך הזיהוי של מחוללי מחלות תלוי ביכולת להבחין, בדגימה, בין הרנ"א או הדנ"א של הפולש ובין זה של המטופל. לרוב, כמות החומר הזר קטנה מכדי לבצע מדידות בעלות משמעות, אלא אם מכינים עותקים נוספים של דנ"א או רנ"א. במקום לחכות לגידול חיידקים נוספים בתרבית, אנחנו משתמשים בשיטה המכונה PCR (תגובת שרשרת של האנזים פולימראז שמשכפל חומצות גרעין) כדי להכין עותקים, או "להגביר", את כמות הדנ"א או הרנ"א המצויה בדגימה שנלקחה מן המטופל. PCR משמש כבר זמן רב לזיהוי מחוללי מחלות, אך השיטה הוגבלה עד כה לזיהוי מחולל מחלה אחד או מעט מחוללים מחלות בכל פעם. עמיתי ואני החלטנו להשתמש ב-PCR בשילוב ספקטרומטר מסות, באופן שיאפשר זיהוי של קבוצות רחבות של אורגניזמים בבת אחת.
המפתח הוא להגביל את כמות חומצות הגרעין שאנחנו צריכים לייצר כדי לקבל תוצאות מובהקות. השגנו את היעד הזה באמצעות בחירה קפדנית במיוחד של מקטעי הדנ"א או הרנ"א שאנחנו משכפלים. אנחנו בוחרים מקטעים "שמורים", כלומר מקטעים המכילים רצפי אותיות המופיעים בכול סוגי האורגניזמים מקבוצה גדולה מסוימת, כמו למשל, כל האורגניזמים שנצבעים במה שמכונה צביעת גראם, אך אנו מקפידים שהמקטעים השמורים האלה יהיו סמוכים לאזורים ייחודיים לזן מסוים, כגון סטפילוקוקוס אאוריאוס. התמקדות במספר רב של רצפים כאלה שנבחרו בקפידה, מאפשרת לנו לזהות קטגוריות ותת-קטגוריות מדויקות של אורגניזמים בלי להאריך את התהליך ללא צורך. וכך, לאחר הפקת הרנ"א או הדנ"א מן המיקרואורגניזם, אנחנו מזהים את המקטעים הרצויים להמשך התהליך באמצעות הוספת פריימרים (תחיליות, מקטעים קצרים של דנ"א המחקים את המנגנון הטבעי שבו התא מתחיל את תהליך העתקת הנוקלאוטידים). לאחר ששכפול הדנ"א מסתיים, אנחנו מודדים את המקטעים בספקטרומטר מסות, ומקבלים סדרת מספרים שאפשר לבדוק אותם כנגד מאגר מידע שהכנו מראש, ובו יותר מ-1,000 אורגניזמים מחוללי מחלות בבני אדם.
יחדיו, החומרה והתוכנה משמשות גלאי אוניברסלי של מחוללי מחלה המסוגל לזהות את סוג האורגניזם מחולל המחלה, וכן כמה ממאפייניו הייחודיים, בתוך שעות ספורות.
אב-טיפוס של מכשיר כזה שעזרתי ליצור, עמד למבחן ב-2009, כשילדה בת תשע וילד בן עשר עם תסמינים דמויי שפעת אובחנו בשני מקומות שונים בדרום קליפורניה. רופאים נטלו דגימת ריר מגרונם של הילדים לצורך בדיקה מהירה וסטנדרטית לשפעת. התוצאות העלו שהצעירים חולים בשפעת, אך לא גילו באיזה זן מדובר.
הדגימות נשלחו למרכז לחקר הבריאות של הצי האמריקני בסן דייגו, שבדק את האב-טיפוס של המכשיר. המכשיר זיהה נכון ששני הילדים נדבקו באותו זן של נגיף, זן שטרם נראה לפני כן. המכשיר גם זיהה שמקורו של הנגיף בחזירים, משום שספירת אותיות הרנ"א שהתקבלה הייתה דומה לזו של זני שפעת חזירים שהיו אגורים במאגר המידע. יותר מזה, ספירת האותיות של ספקטרומטר המסות, או טביעת האצבע, של שני המקרים הראשונים, תאמה את זו של דגימות מאוחרות יותר של מה שכונה בסופו של דבר בשם "שפעת החזירים", וכיום מוכר בתור המגפה של נגיף H1N1 מ-2009. איש אינו יכול לומר אם האזהרה המוקדמת הצילה חיים, אך מן הסתם היא לא הזיקה, וקיום שגרתי של טכנולוגיה המסוגלת לאתר זנים חדשים וייחודיים של נגיפים תהיה ללא ספק בעלת ערך לצורך זיהוי התפרצות של מחלות חדשות.
לנוכח העובדה שהיה חשוב לזהות במהירות את זן השפעת החדש ב-2009, גלאים אוניברסליים של מחוללי מחלות צפויים לבלוט ביעילותם בייחוד במחלות שלרופאים אין כל מושג מה גורם להן. המכשירים יכולים גם לעזור בבחירת תרופות. למשל, אותו פרופיל מסות שמזהה את זן החיידק מספק גם רמזים לרגישות שלו לסוגים שונים של אנטיביוטיקה, ומאפשר לרופאים לתת מיד מרשם לאנטיביוטיקה הנכונה ורק כשהיא באמת נחוצה. המטופלים ייהנו מזמן החלמה מהיר יותר, אפילו במקרה של זנים עמידים, מכיוון שהם יקבלו את הטיפול המיטבי מוקדם יותר.