חיידקים

חיידקים אמיתיים
מושבות חיידקים על-גבי מצע גידול
מיון מדעי
על־ממלכה:	חיידקים אמיתיים
שם מדעי
Bacteria ‏ווז & Kandler & Wheelis, 2024

חַיידקים (שם מדעי: Bacteria; מכונים גם חיידקים אמיתיים) הם יצורים חד-תאיים המהווים את אחת משלוש העל-ממלכות הטקסונומיות בביולוגיה (לצד אאוקריוטים וחיידקים קדומים). החיידקים הם מבין היצורים הראשונים שהופיעו על פני כדור ארץ ומאכלסים קשת רחבה מאוד של אזורי מחיה, כגון מים טרמליים, סלעי קרחונים, אזורים צחיחים, אזורי מחיה פוריים ודלים, וחלקם אף מתאכסנים באורגניזמים מן החי או הצומח כטפילים או כקומנסלים, ביחסים סימביוטיים שונים ומגוונים. החיידקים הראשונים התפתחו ככל הנראה לפני כ-4 מיליארד שנה. מדובר במיקרואורגניזמים פרוקריוטיים (החסרים גרעין תא ואברונים). החיידקים הם בין צורות החיים הנפוצות ביותר על פני כדור הארץ, והם יכולים להתקיים בסביבות מחיה מגוונות, ואף בסביבות קיצוניות שבהן לא הצליח להתקיים אף אורגניזם אחר.

מקור השם הלועזי "בקטריה" הוא מיוונית, ופירושו "מקלות קטנים", משום שכך נראו החיידקים בעיני החוקרים הראשונים שצפו בהם תחת מיקרוסקופ ביניהם אנטוני ואן לוונהוק, ב-1674 אשר פתחו את תאוריית המיקרואורגניזמים germ theory והובילו את החוקרים במאה התשע עשרה, לואי פסטר, רוברט קוך ו-ג'וסף ליסטר להבנה בצורך בחיטוי בתהליכים של טיפול בחולים ויולדות, ובהבנה שתהליכים של תסיסה ליצירת מזונות שונים, הם תהליכים הנגרמים על ידי מיקרואורגניזמים, ובהכרח לפסטור החלב.

השם העברי "חַיידק", פרי חידושו של אליעזר בן-יהודה, הוא הלחם של המילים חַי ודַק; משמעות שם התואר 'דק' הוא דבר קטן. שמה המדעי של על-ממלכת החיידקים האמיתיים הוא Bacteria.

התא הבקטריאלי מתאפיין בציטופלסמה מוקפת בקרום תא בנוי מפוספוליפידים וחלבון ביחס של 3:1, בעל יכולת העברה סלקטיבית של חומרים מהסביבה אל תוך התא ומן התא אל הסביבה החיצונית, וריבוזומים. לחיידקים יש תכונה משותפת עם עובשים, שמרים וצמחים והיא נוכחות של דופן תא המקיף את קרום התא. הדופן המקנה עמידות בפני שינויי לחצים אוסמוטיים. לחלקם יש קפסולה המקיפה את דופן התא. הקפסולה בנויה מרב-סוכר עם בליטות של אברונים הקרויים פילי, שתפקידם להיצמד למשטחים וליצור רובדי גידול. לחלק מהחיידקים יש שוטון אחד או יותר המשמש לתנועתיות מכוונת, ונוקלאואיד המכיל את החומר התורשתי של התא.

רוב החיידקים מקיימים בעצמם תהליכי חיים עצמאיים ומתרבים על ידי פליגה. חיידקי אי-קולי, למשל, מתחלקים בכל כ-20 דקות בתנאי גידול מיטביים של חום ומזון. החיידקים ניזונים מהסביבה, מפרישים פסולת לסביבה ובניגוד לנגיפים, רובם אינם זקוקים למאכסן, כך שאינם מתקיימים כטפילים. חלקם זקוקים למאכסן מן החי או מהצומח. חלק הופכים לפתוגניים וחלק לקומנסלים. בניגוד לתאיהם של בעלי חיים ובדומה לתאים צמחיים, לתאיהם של רוב החיידקים יש דופן תא המבטיח עמידות בפני שינויים בלחצים אוסמוטיים. החיידקים מסווגים לשתי קבוצות לפי סוג הדופן שלהם. בזכות נוכחות הדופן בתאי החיידקים והיעדרה בתאי האדם ובעלי חיים אחרים (יונקים, עופות, דגים), היא משמשת כמטרה לפעילות האנטימיקרוביאלית של סוגי אנטיביוטיקה, כגון פניצילין, צפלוספורינים וואנקומיצין כאמצעי ריפוי.

היסטוריה של המחקר בתחום

ערך מורחב – תאוריית החיידקים כגורמי מחלות

אנטוני ואן לוונהוק, החוקר הראשון שצפה בחיידקים

חיידקים נצפו לראשונה על ידי האדם ב-1676, כאשר אנטוני ואן לוונהוק צפה בחיידקים בעזרת מיקרוסקופ אור שפיתח. הוא כינה את החיידקים שראה בשם אנימלקולס (animalcules) ותיאר את תצפיותיו בסדרת מכתבים לחברה המלכותית. הראשון שהשתמש במונח בקטריה כשם לחיידקים היה כריסטיאן גוטפריד אהרנברג בשנת 1838.

בשנת 1859 הדגים לואי פסטר באמצעות ניסוי כי תסיסה נגרמת מגידול של מיקרואורגניזמים, וכי המקור לגדילה זו אינו בבריאה ספונטנית. פסטר ניסה לבסס את הקשר בין חיידקים ומחלות, והיו לו הצלחות בתחום אבל הוא לא הצליח לבסס את הקשר בצורה מספקת. הרופא והחוקר הגרמני רוברט קוך, שחקר מגוון חיידקים גורמי מחלות ובהם כולרה, גחלת ושחפת, הצליח לתת אישוש מספק לתאוריה המדעית כי חיידקים אחראיים למחלות מידבקות והניח את היסודות למדע הבקטריולוגיה על פי ארבעת הקריטריונים שלו. קוך זכה בפרס נובל לרפואה ב-1905. אף על פי שכבר במאה ה-19 היה ידוע כי חיידקים אחראיים למחלות רבות, לא היו טיפולים אנטיבקטריאליים זמינים. ב-1910 פיתח פאול ארליך את החומר האנטיביוטי, וב-1908 זכה בפרס נובל על עבודתו בתחום האימונולוגיה. ארליך היה החלוץ בשימוש בצביעה לזיהוי וסיווג חיידקים, ועבודתו הייתה הבסיס לצביעת גראם ולצביעת ציל-נילסן המאפשרים לראות את הצורה המורפולוגית של חיידקים בעזרת מיקרוסקופ.

ב-1977 גילה קרל ווז כי לארכאונים (חיידקים קדומים) יש קו התפתחות אבולוציונית נפרד מזה של החיידקים האמיתיים. הטקסונומיה הפילוגנטית החדשה מתבססת על ריצוף הרנ"א הריבוזומלי 16S והביאה לחלוקה של הפרוקריוטים לשתי ממלכות, חיידקים אמיתיים (בקטריה) וחיידקים קדומים (ארכיאה).

מורפולוגיה

צורות של חיידקים

מבנה החיידק:
A – פילי
B – ריבוזום
C – קפסולה
D – דופן התא
E – שוטון חיידקי
F – ציטופלזמה
G – חלולית
H – פלסמיד
I – מולקולת DNA
J – קרום התא

חיידקים הם מיקרואורגניזמים פרוקריוטים בעלי צורות מורפולוגיות שונות: מתגים, נקדים, סלילונים, ופסיקונים, בגודל שנע בין 0.5 ל־2.0 מיקרונים. עם זאת ישנם חיידקים כמו Thiomargarita namibiensis או Epulopiscium fishelsoni, המגיעים לאורך של עד חצי מילימטר ואף עשויים להיראות בעין בלתי מזוינת. חיידקים קטנים במיוחד הם החיידקים מן הסוג Mycoplasma שאורכם כ-0.3 מיקרומטרים, בדומה לנגיפים גדולים במיוחד. קיימים גם חיידקים זעירים מאד הקרויים אולטרה-מיקרו-חיידקים שאורכם כ-0.1 מיקרומטר, המתקיימים לרוב במי האוקינוסים בתנאי מחייה קשים. האולטרה-מיקרו-חיידקים הסתגלו לתנאי המחיה הקשים על ידי הקטנת הגנום.

המתגים גדלים כבודדים או בשרשראות, ואילו הנקדים מאורגנים בצברים, בזוגות או טטראדות (רביעיות), או שמאורגנים בשרשראות. התא הבקטריאלי מתאפיין בציטופלסמה מוקפת בקרום תא בנוי מפוספוליפידים וחלבון ביחס של 3:1, בעל יכולת העברה סלקטיבית של חומרים מהסביבה החיצונית אל התא ומן התא אל הסביבה החיצונית, וריבוזומים האחראים לבנית חלבונים. תכונה משותפת שיש לחיידקים עם עובשים, שמרים וצמחים והיא נוכחות של דופן תא קשיח המקיף את קרום התא. לחלק מהחיידקים יש קפסולה המקיפה את דופן התא. הקפסולה בנויה מרב-סוכר עם בליטות של אברונים הקרויים פילי, שתפקידם להיצמד למשטחים וליצור רובדי גידול. לחלק מהחיידקים יש שוטון אחד או יותר המשמש לתנועתיות מכוונת, ונוקלאואיד המכיל את החומר התורשתי של התא.

חיידקים מופיעים במגוון צורות שונות המושפעות משלד התא ודופן התא החיידקי:

• חיידקי נקד (Coccus) – חיידקים בעלי צורת כדור המכונה נקד. כל החיידקים ששמם מסתיים ב-"coccus", לרוב יהיו מאוגדים בצברים. יש נקדים המאורגנים בשרשראות כמו הסוג Streptococcus, כגון Streptococcus lactis.יש המתארגנים בזוגות, דוגמת Diplococcus, כגון Streptococcus pneumoniae, ברביעיות כמו Leuconostoc, ויש שמתארגנים באשכולות כמו הסוג Staphylococcus, דוגמת Staphylococcus aureus.
• חיידקי מתג (Bacillus) – חיידקים בעלי צורת מקל. לרוב יהיו מאוגדים בשרשרות כמו הסוג Bacillus או בודדים. חלקם נושאי נבגים (Bacillus, Clostridium) וחלקם חסרי נבגים (Salmonella, Lactobacillus ,Listeria).
• קוקובצילים (Coccobacilli) – חיידקים בעלי צורה כדורית מוארכת, שמהווה מעין מצב ביניים בין צורה נקדית לצורה מתגית, כגון המין Francisella tularensis.
• מתגים מכופפים – כפי ששמם רומז אלה חיידקים בעלי צורה של מתג מכופף בניגוד למתג ישר. זו מעין צורת ביניים בין מתג לסלילון. חיידקי המין Vibrio cholerae בעלי צורה זאת.
• חיידקים סלילוניים (Spiral bacteria) – חיידקים בעלי צורת סליל, כמו Campylobacter jejuni Leptospira spp.

לחלק מהחיידקים יש, בנוסף לדופן התא גם מעטפת רירית הבנויה מרב-סוכר הקרויה קופסית (Capsula. שכבה זו מאפשרת לחיידקים להיצמד זה לזה וגם למשטחים וכן מסייעת לחיידקים בהתמודדות עם תאי דם לבנים.

לעיתים קרובות נצמדים חיידקים למשטחים ויוצרים שכבה הקרויה ביופילם. ביופילמים מכילים פוליסכרידים הקרויים EPS שהופרשו על ידי החיידקים השונים ומאוכלוסייה מעורבת של אותם החיידקים אשר הסתגלה לתנאי הסביבה הייחודיים שנוצרו בביופילם. הביופילמים עשוי להיות בעובי של כמה מיקרומטרים ועד לחצי סנטימטר ועשויים להכיל מינים שונים של חיידקים, פרוטיסטים וחיידקים קדומים. ביופילמים שנוצרים על פני ציוד במערכות שונות, כגון, מערכות להובלת מים, מערכות תעשייתיות שונות, עלולות להוות מקור לאילוח חוזר.

חיידקים החיים בביופילים מופיעים בסדרים מורכבים של תאים ומרכיבים חוץ תאיים, היוצרים מבנים שניוניים ובהן רשתות של תעלות המאפשרות דיפוזיה של חומרי המזון. לביופילימים חשיבות רבה ברפואה, מאחר שמבנים אלו מופיעים לעיתים בזיהומים כרוניים, וחיידקים החיים בביופילמים הרבה יותר עמידים לחומרים אנטיביוטיים ולחומרי ניקוי וחיטוי, מחיידקים החיים בחופשיות. ביופילמים עשויים להתפתח גם על ציוד ומכשור מפעלי, ובייחוד על משטחים מפותלים וקשים לגישה. בביופילמים החיידקים עשויים לבצע שינויים מורפולוגיים גדולים לדוגמה, כאשר יש מחסור בחומצות אמינו חיידקי Myxobacteria מזהים את התאים מסביב בתהליך הקרוי חישת סף (quorum sensing), נצמדים אחד אל השני ומתאמים פעילות משותפת של עד 100,000 תאים.

תנועה

יש חיידקים בעלי שוטונים המאפשרים להם לנוע ולעומתם יש אחרים המצוידים באמצעי הצמדות הקרויים פילי (pilli). מינים שונים של חיידקים נבדלים במספר ובסידור השוטונים על פניהם; לחלקם יש שוטון בודד (monotrichous), שוטון בכל אחד מהקצוות (amphitrichous), אשכול של שוטונים בכל קצה (lophotrichous), או שוטונים על פני כל התא (peritrichous). השוטון החיידקי מורכב מ-20 חלבונים, יחד עם כ-30 חלבונים נוספים החיוניים להרכבה ולרגולציה של השוטון. השוטון הוא מבנה שמסתובב בבסיסו הודות למפל אלקטרוכימי.

גנטיקה

ערכים מורחבים – פלסמיד, גנום

למרבית החיידקים יש כרומוזום מעגלי בודד היכול להגיע בגודלו מ-160,000 זוגות של בסיסים ב-Candidatus Carsonella ruddii ועד ל-12,200,000 זוגות בסיסים ב-Sorangium cellulosum. חיידקים מן הסוג Borrelia, כמו החיידק Borrelia burgdorferi האחראי למחלת ליים, הם יוצאי דופן מבחינת סידור הגנום, ולהם כרומוזום קווי יחיד. הגנים בחיידקים הם לרוב מקטע רציף ב-DNA, ובמינים מעטים בלבד נמצאו אינטרונים בגנים.

חיידקים רבים מכילים פלסמיד, שהם מקטעי DNA נוספים על הכרומוזומים שיכולים להכיל גנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה או גנים המקודדים פקטורים פתוגניים. סוג נוסף של DNA חיידקי הם נגיפים המשתלבים בתאי החיידקים (בקטריופאג'ים) בתופעה הידועה כליזוגניות. קיימים זנים רבים של בקטריופאג'ים, חלקם מתמוססים בתוך התא של החיידק המארח, ואילו אחרים נוספים אל הכרומוזום של החיידק. הנגיפים עשויים להשפיע על פנוטיפים שאותם מבטא החיידק, ודוגמה לכך היא ביטוי גנים של רעלנים על ידי החיידק Clostridium botulinum כאשר יש בו פאג'. חיידקים פיתחו מנגנוני הגנה שונים מפני פאג'ים בהם אנזימי הגבלה, החותכים DNA זר, או רצפי קריספר, שהם מקטעים חוזרים בגנום המאפשרים לחיידקים לפתח חיסון נרכש מפאג'ים.

חיידקים, כאורגניזמים שמתרבים ברבייה אל-זוויגית, יורשים העתקים זהים של הגנים של הוריהם. ואולם שינויים בגנים עשויים להתרחש בעקבות שחלוף או מוטציה. מוטציות נוצרות בעקבות שגיאות במהלך העתקת ה-DNA או כתוצאה מחשיפה למוטגנים. שיעור המוטציות במיני חיידקים שונים הוא גבוה, ואף בזנים שונים מאותו המין. שינויים גנטיים בגנום החיידק עשויים להתרחש או בעקבות מוטציות אקראיות, או בעקבות מוטציות הנגרמות ממצבי עקה, שבה גנים החיוניים להתפתחות חיידק בסביבה מסוימת עוברים מוטציות רבות.

חלק מהחיידקים מעבירים גם חומר תורשתי בין תאים. תהליך כזה יכול להתרחש בשלושה אופנים:

• טרנספורמציה – קליטת DNA אקסוגני מן הסביבה.
• טרנסדוקציה – בקטריופאג' (נגיף של חיידק) מחדיר DNA של תא אחד אל כרומוזום של תא שני
• קוניוגציה – בתהליך שבו עובר DNA דרך מגע ישיר בין תאים.

קליטת גנים מחיידקים שונים או מהסביבה נקראת העברה גנטית אופקית, והיא עשויה להיות נפוצה מאוד בסביבה טבעית. להעברת גנים חשיבות מיוחדת בעמידות לאנטיביוטיקה, שכן היא מאפשרת העברה של גנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה בחיידקים פתוגניים שונים.

אבולוציה של חיידקים

ערך מורחב – אבולוציה של חיידקים
החיידקים הראשונים התפתחו ככל הנראה לפני כ-4 מיליארד שנה.

מגוון ועמידות

חיידקים מסוג Salmonella חודרים לתוך תא אנושי בהדמיית מיקרוסקופ אלקטרונים

חיידקי E. coli

החיידקים, שמספרם על-גבי כדור הארץ עולה על זה של כל שאר היצורים גם יחד, הם יצורים מגוונים וסתגלנים במידה בלתי רגילה. ניתן לחלק אותם למספר סוגים, כאשר שתי קבוצות הראשונית כוללות את רוב אוכלוסיית החיידקים:

• פסיכרופילים – חיידקים אוהבי קור. משגשגים בטמפרטורות של 8–18 מעלות ורובם עמידים לקיפאון. נמצאו חיידקים פסיכרופילים בעצמות לווייתנאים ששרדו 20 שנים אחרי מות הלווייתן וניזונו משומנים שציפו את העצמות. חיידקים פסיכרופילים עשירים באנזימים מפרקי שומן.
• מזופילים – חיידקים המשגשגים בטמפרטורת גוף האדם. הטמפרטורה האופטימלית של המזופילים היא 20–45^oC. רוב חיידקי המחמצת המשמשים להפקת תוצרת חלב הם מזופילים.
• תרמופילים – חיידקים חובבי חום אשר חיים בטמפרטורות גבוהות. תרמופילים נמצאו משגשגים בטמפרטורות גבוהות מאוד, דוגמת מעיינות מים חמים או בזרמים תת-ימיים חמים.
• חיידקים תרמוטולרנטים – חיידקים המסוגלים לשגשג בטמפרטורות של מעל ל-45^oC.
• היפרתרמופילים – חיידקים חובבי טמפרטורות גבוהות במיוחד. חלק מהמינים התרמופילים מתרבים בצורה אידיאלית מעל 100^oC, ויכולים לשרוד בטמפרטורה של עד 121^oC.
• מתנוטרופים – חיידקים המשתמשים במתאן כמקור לאנרגיה. חיידקים אלה ניתן לנצל בהפיכת מתאן למתנול. חלקם יכולים גם לפרק כלור.
• הלופילים – חיידקים חובבי ריכוז מלחים גבוה.
• אוסמופילים ואוסמוטרופים – אלו חיידקים הגדלים בסביבה בה הלחץ האוסמוטי גבוה, למשל בריכוזי סוכר גבוהים. בתא החיידק קיימים תהליכים של אוסמורגולציה המאפשר לתא להסתגל לשינויים אוסמותיים סביבתיים. דופן התא מעניק לחיידק יכולת עמידה בפני שינויים של אוסמוטיים כתוצאה משינוי ריכוזי חומרים מומסים בסביבה המימית החיצונית (למשל, כתוצאה מסביבה עתירת סוכרים, מלח בישול) וכתוצאה משינויים בריכוז המים עקב תהליכים טרמיים, כגון ריכוז, ייבוש, הקפאה והפשרה.
• קסרופילים – חיידקים הגדלים בסביבה דלת מים עד כדי יובש קיצוני.
• אקסטרמופילים – בעברית חיידקים קיצונאים. מונח המתאר מיני חיידקים המסוגלים לשרוד בתנאים קשים במיוחד (חום גבוה, קור, חומציות רבה, חשיפה לקרינה (דוגמת ה-Deinococcus radiodurans), תנאי לחץ קשים ועוד.

חילוף חומרים

כל החיידקים זקוקים לאנרגיה לצורך קיומם. לפיכך ניתן למיין בצורה גסה את החיידקים ל-2 קבוצות:

• חיידקים פוטו-טרופים – מקבלים אנרגיה מהשמש בתהליך הדומה לפוטוסינתזה.
• חיידקים כימו-טרופים – מקור האנרגיה הוא תגובה כימית עם חומר אורגני או אנאורגני.

כל החיידקים זקוקים למקור פחמן. החיידקים יכולים להשיגו ב-2 דרכים:

• אוטוטרופיות – השגת מקור הפחמן מפחמן דו-חמצני או ממקור אי-אורגני אחר.
• הטרוטרופיות – השגת מקור הפחמן מפירוק אורגניים.

את החיידקים ניתן לסווג גם לפי אופן קיומם בנוכחות חמצן:

• חיידקים אירוביים – חיידקים שמסוגלים או מוכרחים להתקיים בנוכחות של חמצן. חיידקים אלה מתחלקים ל-3 קבוצות:
  • אווירניים אובליגטוריים – חיידקים שמסוגלים להתקיים בריכוז חמצן אטמוספירי בלבד.
  • מיקרואירופילים – חיידקים שזקוקים לחמצן על מנת להתקיים אך בריכוזים נמוכים בהרבה מהרגיל; ריכוזים גבוהים של חמצן עלולים להרגם.
  • אווירניים פקולטטיביים – ראו אל-אווירניים פקולטטיביים בהמשך.
• חיידקים אנאירוביים - חיידקים שמסוגלים או מוכרחים לחיות בהיעדר חמצן חופשי. חיידקים אלה מתחלקים ל-3 קבוצות:
  • אל-אווירניים אובליגטוריים – חיידקים שלא מסוגלים להתקיים בנוכחות חמצן כלל.
  • אל-אווירניים פקולטטיביים (או אווירניים פקולטטיביים) – חיידקים שמסוגלים לחיות בנוכחות חמצן ולנצלו לצרכיהם המטבוליים (מפיקים אנרגיה בעזרת חמצן כשהוא בנמצא, כאשר החמצן משמש כמקבל אלקטרונים סופי) אך גם בהיעדרו, בסביבות אל-אווירניות, הם מסוגלים להפיק אנרגיה בדרכים אחרות (למשל על ידי שימוש בסולפט, או בניטראט, כמקבלי אלקטרונים סופיים).
  • סובלי אוויר – חיידקים שאינם זקוקים לחמצן על מנת להתקיים, אולם בשונה מן האל-אווירניים האובליגטוריים אינם נפגעים מנוכחותו.

עמידות לאנטיביוטיקה

ערך מורחב – עמידות לאנטיביוטיקה

יותר ויותר חיידקים מפתחים עמידות לפניצילין ולשאר סוגי האנטיביוטיקה.

האנטיביוטיקה עצמה היא מוצר חדש יחסית שקיימת בשימוש מסחרי מתקופת מלחמת העולם השנייה והפכה לנפוצה רק בשנות ה-50. האנטיביוטיקה פועלת על חיידקים גראם-חיוביים וגראם-שליליים תוך ניצול תכונות דופן תא החיידק כך שתאים אחרים (תאי האדם) לא ייפגעו.

כבר בשנות ה-60 התברר כי זנים מסוימים של חיידקים פיתחו עמידות כלפי האנטיביוטיקה (בייחוד כלפי הפנצילין) והיה צורך לפתח סוגים חזקים יותר של אנטיביוטיקה על מנת להתמודד עם חיידקים אלו.

חיידק ה-MRSA מוכר החל משנת 1996 כ"חיידק בתי החולים". חיידק זה עלול להיות עמיד בפני כל סוגי האנטיביוטיקה הידועים, ובכך מאיים על כל המאושפזים בבתי החולים. סכנתו כפולה היות שהוא תוקף את החולה במצב בו מערכות ההגנה הרגילות שלו אינן פועלות כראוי.

מיני החיידק Pseudomonas, דוגמת Pseudomonas aeruginosa נפוץ כגורם זיהומים אצל מדוכאי מערכת החיסון ובבתי חולים ואף הוא פיתח עמידות נגד רוב סוגי האנטיביוטיקה הקיימים.

חיידקים עמידים במיוחד מטופלים באמצעות ליפופפטידים, אך ב-2007 נמצאו חיידקים שפיתחו עמידות גם לטיפול זה.

בחודש מרץ 2007 התפרסמו ידיעות על תמותה של חולים המאושפזים בבתי חולים בישראל בגלל התפרצות החיידק האלים Klebsiella pneumoniae.

רבייה וגידול

רוב החיידקים מתרבים על ידי חלוקת התא לשניים (פליגה), אולם יש שיטות רבייה נוספות כמו רבייה באמצעות נבגים והנצה.

• חלוקת התא – התא גדל ומתפצל לשני תאים הגדלים כל אחד בנפרד לגודל תא רגיל של אותו חיידק.
• נבגים (Endospores) – צורת רבייה המתאימה למצבי מחסור במשאבים בה החיידק יוצר תא נוסף המכיל חומרי תשמורת, אבל לא מקיים פעילויות תוך תאיות ונשאר רדום עד לשינוי מתאים בתנאי הקיום. תופעה זאת קיימת בקרב חלק מחיידקי מתג גראם-חיוביים.
• הנצה (Budding) – באחת מדפנות החיידק מופיע "ניצן" שמתפתח וגדל עד שהוא מגיע לגודל הרצוי ואז הוא מתנתק והופך לחיידק עצמאי המכיל את החומר התורשתי של החיידק האם.

הזמן האורך לאוכלוסיית חיידקים להכפיל את עצמה נקרא זמן הדור. בדרך כלל זמן הדור של החיידקים הוא קצר ביותר ביחס לזמן הדור של האדם, ותחת תנאים אופטימליים יכול להיות אף 9.8 דקות עבור חיידקים מסוימים. חיידקי Escherichia coli, הנחקרים ביותר מבין החיידקים, מתרבים בתנאי מעבדה מיטביים כל 20 דקות. זמן קצר זה הוא יתרון ברור בתחום ההנדסה הגנטית. כך לדוגמה חיידקים המהונדסים גנטית מפיקים את ההורמון אינסולין על ידי תעתוק גן שהוחדר אליהם. זמן דור של 20 דקות, מאפשר התפשטות מהירה של החיידקים ובעקבות כך כמות גדולה מאוד של אינסולין המופק מחיידקים אלה. את האינסולין ממצים בשיטות תעשייתיות.

במעבדות מגדלים חיידקים במדיום מוצק או נוזלי. מדיום גידול מוצק כמו צלחות אגר, מאפשר לבודד מושבות של חיידקים. שימוש במדיום נוזלי נעשה כאשר נדרש נפח גדול של חיידקים. לעיתים משתמשים במדיום גידול סלקטיבי, שבו מוספים או מוסרים חומרי מזון או אנטיביוטיקות, וכך מתאפשר זיהוי סוגים ואף מינים של חיידקים.

שלבים בגידול מבוקר של אוכלוסיית חיידקים

תרשים גידול של מספר החיידקים (לוגריתם) כנגד הזמן

• שלב ההשהיה – החיידקים מתרבית המזרע מסתגלים למצע ומייצרים חומרים (וביניהם מטבוליטים ראשוניים, אנזימים וכדומה) המכינים אותם לרבייה מהירה.
• השלב המעריכי – או שלב הגידול האקספוננציאלי Exponential growth phase. שלב שבו כל החיידקים באוכלוסייה מתחלקים בקצב מרבי ביחס לתנאים בהם הם מצויים. כאשר התאים נכנסים לשלב הזה כל המנגנונים מותאמים לגידול ולהכפלה ובשלב הזה חל גידול מאוזן, עליה הדרגתית בקצב שווה של כל מרכיבי התא: חלבונים, RNA, ‏DNA וכיוצ"ב, המוביל לחלוקת התא לשניים. מתא אחד יתקבלו שניים, משני תאים יתקבלו ארבעה וכו'. גידול זה הוא גידול אקספוננציאלי (מעריכי). בשלב זה ניתן למדוד את זמן הדור וקצב הגידול. זמן הגידול המעריכי מותנה בתנאי הסביבה.
• שלב העמידה – עקב צפיפות האוכלוסייה, ירידה בחומרי המצע והפרשת חומרי לוואי, אוכלוסיית החיידקים עוברת למצב סטטי. בנוסף האוכלוסייה מצויה במצב עקה, ומפרישה מטבוליטים משניים לסביבה. מספר החיידקים לא משתנה מפני שהם נכנסים למצב עקה, בו מתבטאים גנים המעורבים בתיקון DNA, מטבוליזם אנטי-אוקסידנטי ומעבר של נוטריינטים.
• שלב התמותה – מפאת חוסר מתמשך של חומרי המצע והצטברות של חומרי לוואי, אוכלוסיית החיידקים מצויה בגידול שלילי מתמשך. לעיתים החיידקים המתים מתפרקים כתוצאה מנוכחות אנזימים פרוטאוליטיים.

זיהוי חיידקים

ערך מורחב – צביעת גראם

החיידקים הם לרוב חסרי צבע ולכן קשה להבחין בינם לבין המצע. צביעתם מאפשרת להשיג ניגוד בינם לבין סביבתם. קיימות שיטות רבות ומגוונות של צביעת חיידקים. בחירה בצביעה שונה נותנת זיהוי קל של אוכלוסיית חיידקים שונה ומדגישה חלקים אחרים של התא.

צביעת גראם, למשל, היא הצביעה הנפוצה ביותר בבקטריולוגיה והיא תהליך שנועד להבדלה ראשונית בין סוגי חיידקים על סמך מבנה הדופן שלהם. צביעת גראם מבדילה בין חיידקים גראם-חיוביים לגראם-שליליים (בעלי דופן תא עבה או דקה, בהתאמה). התהליך קרוי על שם הרופא הדני הנס כריסטיאן גראם שהחל את פיתוחו.

צביעת גראם אינה, כאמור, השיטה היחידה לצביעת חיידקים. שיטות נוספות בהן משתמשים על מנת לצבוע חיידקים הן:

• צביעה יציבת חומצה – צביעה בה משתמשים לצורך אבחנה של חיידקי הסוג מיקובקטריום.
• Schaeffer–Fulton stain – צביעת נבגים (בצבע ירוק) בעזרת חימום על ידי אדים.
• צביעת קפסולה (בצבע שחור)
• צביעת דופן תא – טוענים את דופן התא במטען חשמלי חיובי. מוסיפים צבע חומצי בעל מטען שלילי, דבר שגורם לצבע להסתפח לדופן התא בלבד.
• צביעת שוטון

החיידקים והאדם

רק מיעוט מתוך מאות אלפי סוגי החיידקים הם פתוגנים הגורמים למחלות. סוגים רבים של חיידקים אף מועילים או חיוניים לאדם ולבריאותו.

שימוש בחיידקים כמו ה-Lactobacillus לצד שמרים ועובשים משמש את האדם בהכנת מזונות שונים כמו גבינות, חמוצים, חומץ, יין ויוגורט. בהקשר למוצרים אלה, החיידקים הם אלו הגורמים פעמים רבות את הריח הרע הנובע מהם. גם במחלות ובתופעות המלוות בחיידקים נלווה ריח לא נעים, לדוגמה בתופעת אבני שקדים (טונסילוליטים).

יכולתם של חיידקים לצרוך מגוון רחב של תרכובות מנוצלת על ידי האדם למען שמירת הסביבה כמו פירוק שפכים, או שימוש בחיידקים הצורכים פחמימנים בנפט לטיפול בהתבקעות מכליות נפט. שימוש נוסף בחיידקים לטובת האדם הוא בהדברה ביולוגית במזיקים, ודוגמה בולטת לכך הוא חיידק מהמין Bacillus thuringiensis הפוגע במיני זחלים שונים של יתושים.

זמן הדור הקצר של החיידקים, המאפשר גידול מהיר באוכלוסייה, וכן היכולת לבצע שינויים גנטיים בצורה פשוטה יחסית בחיידקים הפכו אותם ככלי חשוב בהנדסה גנטית. באמצעות הנדסה גנטית גורמים לחיידקים לייצר חלבונים מבוקשים, למשל ייצור אינסולין על ידי חיידקים במקום להפיק אותו מבלוטת הלבלב של בעלי חיים.

חיידקים מלאכותיים

בעשור השני של המאה ה-21 החלה התקדמות ראשונית בפיתוח חיידקים מלאכותיים או מלאכותיים למחצה.

בשנת 2010 הצליח צוותו של קרייג ונטר לסרוק את הקוד הגנטי של חיידק ולייצר קוד זה באופן מלאכותי. הקוד הגנטי הוחדר לחיידק ממין אחר, שהחל לתפקד בתור החיידק המקורי בהתאם לקוד הגנטי.

בשנת 2014 צוות מחקר ממכון סקריפס למחקר הצליח ליצור חיידק מלאכותי-למחצה שה-DNA שלו עשוי מארבעת הנוקלאוטידים הטבעיים, ובנוסף עשוי משני נוקלאוטידים מלאכותיים. במחקרם שהתפרסם בשנת 2017 הראו שהחיידקים יכולים לשמור על הקוד הגנטי לאורך זמן, והנוקלאוטידים המלאכותיים נשמרו גם לאחר 60 חלוקות של התא.

עד סוף העשור ייצור חיידקים מלאכותיים למחצה נחשב לחסר כל יכולת יישום של ממש בתעשייה או ברפואה. בסוף שנת 2019 הציג הטכניון פיתוח של חיידק שמסוגל לבצע חישוב מתמטי בסיסי.

מיון

בעבר נקראו ממלכות החיידקים האמיתיים והחיידקים הקדומים בשם הכולל מונרה (Monera). עד לפני כמה עשרות שנים סווג חלק מהחיידקים כצמחים, חלק כפטריות וחלק כאצות, וממלכת החיידקים לא הייתה קיימת. התגלית שהביאה לסיווגם של החיידקים כיצורים נפרדים היא ההבדל הבסיסי ביותר בין חיידקים ובין שאר היצורים: כל החיידקים (אמיתיים וקדומים) הם פרוקריוטיים, ואילו כל היצורים האחרים הם איקריוטיים (בעלי גרעין).

להלן המיון השלם, המלא והמעודכן לשנת 2004:

• מערכת Actinobacteria
• מערכת Aquificae
• מערכת Bacteroidetes
• מערכת Chlorobi
• מערכת Chlamydiae
• מערכת Lentisphaerae
• מערכת Verrucomicrobia
• מערכת Chloroflexi
• מערכת Chrysiogenetes
• מערכת כחוליות Cyanobacteria
• מערכת Deferribacteres
• מערכת Deinococcus-Thermus
• מערכת Dictyoglomi
• מערכת Acidobacteria
• מערכת Fibrobacteres
• מערכת Firmicutes
• מערכת Fusobacteria
• מערכת Gemmatimonadetes
• מערכת Nitrospirae
• מערכת Planctomycetes
• מערכת Proteobacteria
• מערכת Spirochaetes
• מערכת Thermodesulfobacteria
• מערכת Thermomicrobia
• מערכת Thermotogae

ראו גם

• פרוקריוטים
• ארכאונים (חיידקים קדומים)
• בקטריולוגיה
• חיידקים גראם-חיוביים
• חיידקים גראם-שליליים
• פליגה
• עמידות לאנטיביוטיקה

קישורים חיצוניים

• חיידקים, באתר ITIS (באנגלית)
• חיידקים, באתר NCBI (באנגלית)
• חיידקים, באתר האנציקלופדיה של החיים (באנגלית)
• חיידקים, באתר GBIF (באנגלית)
• אורן הוברמן, איך החיידקים שולטים בנו, באתר כלכליסט, 2 בפברואר 2012
• אסתר טל, חיידק מחמד שלי, "חיים אחרים", 14 באוגוסט 2012
• סמדר רייספלד, חיידק בשביל כולם: האם גם חיידקים יכולים להיות אלטרואיסטים?, באתר הארץ, 17 באוגוסט 2012
• בלדד השוחי, האם חידקים מתים בפריזר?, באתר כלכליסט, 29 באוגוסט 2013
• שני נוי, ‏"אנחנו וחיידקים זו ישות בלתי נפרדת", באתר ‏מאקו‏, 22 באפריל 2015
• אשכול חיידקים, באתר "הידען"
• על ההבדל בין וירוסים לחיידקים:
  • חגי בצר, כל מה שרצית לדעת על ההבדלים בין חיידק לוירוס, באתר הספרייה הווירטואלית של מטח, פברואר 2001
• מידע על פרוקריוטים, באתר אוניברסיטת בר-אילן
• אתר הקורס "עולם החיידקים" באוניברסיטה הפתוחה