קארל וז

קארל וז (Carl Woese)

קארל ריצ'רד וז (Carl Richard Woese; 15 ביולי 1928 – 30 בדצמבר 2012) היה מיקרוביולוג וביופיזיקאי אמריקאי. וז הגדיר את הארכאונים (Archaea, תחום חיים חדש) בשנת 1977 באמצעות טקסונומיה פילוגנטית חלוצית המבוססת על 16S rRNA, טכניקה שחוללה מהפכה במיקרוביולוגיה. הוא גם הגה את השערת עולם ה-RNA בשנת 1967, אם כי לא תחת שם זה. וז החזיק בקתדרה על שם סטנלי או. אייקנברי (Stanley O. Ikenberry) והיה פרופסור למיקרוביולוגיה באוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין.

חיים וחינוך

וז נולד בסירקיוז, ניו יורק, ב-15 ביולי 1928. משפחתו הייתה ממוצא גרמני-אמריקאי. וז למד באקדמיית דירפילד (Deerfield Academy) במסצ'וסטס. הוא קיבל תואר ראשון במתמטיקה ובפיזיקה ממכללת אמהרסט (Amherst College) ב-1950. במהלך לימודיו באמהרסט, וז לקח רק קורס ביולוגיה אחד (ביוכימיה, בשנתו האחרונה) ולא היה לו "עניין מדעי בצמחים ובעלי חיים" עד שקיבל עצה מוויליאם אם. פיירבנק (William M. Fairbank), אז פרופסור משנה לפיזיקה באמהרסט, לעסוק בביופיזיקה באוניברסיטת ייל (Yale).

בשנת 1953, השלים דוקטורט בביופיזיקה באוניברסיטת ייל, שם התמקד מחקרו הדוקטורלי בהשבתת נגיפים על ידי חום וקרינה מייננת. הוא למד רפואה באוניברסיטת רוצ'סטר במשך שנתיים. לאחר מכן הפך לחוקר פוסט-דוקטורט בביופיזיקה באוניברסיטת ייל שחקר נבגי חיידקים. מ-1960 עד 1963, עבד כביופיזיקאי במעבדת המחקר של ג'נרל אלקטריק בסקנקטדי, ניו יורק. בשנת 1964 הצטרף וז לסגל המיקרוביולוגיה של אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין, שם התמקד בארכאונים, גנומיקה ואבולוציה מולקולרית כתחומי המומחיות שלו. הוא הפך לפרופסור במכון קארל ר. וז לביולוגיה גנומית של אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין, אשר שונה שמו לכבודו בשנת 2015, לאחר מותו.

וז מת ב-30 בדצמבר 2012, בעקבות סיבוכים של סרטן הלבלב, והותיר אחריו את רעייתו גבריאלה, בן ובת.

עבודה ותגליות

### עבודה מוקדמת על הקוד הגנטי

וז הפנה את תשומת לבו לקוד הגנטי בזמן שהקים את מעבדתו במעבדות נולס (Knolls Laboratory) של ג'נרל אלקטריק בסתיו 1960. העניין בקרב פיזיקאים וביולוגים מולקולריים החל להתגבש סביב פענוח ההתאמה שבין עשרים חומצות האמינו לבין האלפבית של ארבעת הבסיסים של חומצות הגרעין בעשור שלאחר גילוים של ג'יימס ד. ווטסון (James D. Watson), פרנסיס קריק (Francis Crick) ורוזלינד פרנקלין (Rosalind Franklin) את מבנה ה-DNA בשנת 1953. וז פרסם סדרת מאמרים בנושא. באחד מהם, הוא הסיק טבלת התאמה בין מה שהיה ידוע אז כ-"RNA מסיס" לבין DNA על בסיס יחסי זוגות הבסיסים שלהם. לאחר מכן הוא העריך מחדש נתונים ניסיוניים הקשורים להשערה שנגיפים משתמשים בבסיס אחד, ולא בשלשה, כדי לקודד כל חומצת אמינו, והציע 18 קודונים, כשהוא מנבא נכונה אחד לפרולין. עבודה אחרת ביססה את הבסיס המכניסטי של תרגום חלבונים, אך לדעתו של וז, התעלמה במידה רבה מהמקורות האבולוציוניים של הקוד הגנטי כלאחר יד.

בשנת 1962, בילה וז מספר חודשים כחוקר אורח במכון פסטר (Pasteur Institute) בפריז, מוקד של פעילות אינטנסיבית בביולוגיה מולקולרית של ביטוי גנים ובקרה גנטית. בזמן שהותו בפריז, פגש את סול שפיגלמן (Sol Spiegelman), שהזמין את וז לבקר באוניברסיטת אילינוי לאחר ששמע את יעדי המחקר שלו; בביקור זה הציע שפיגלמן לוז משרה עם קביעות מיידית החל מסתיו 1964. עם החופש להמשיך בסבלנות כיווני חקירה ספקולטיביים יותר מחוץ לזרם המרכזי של המחקר הביולוגי, החל וז להתייחס לקוד הגנטי במונחים אבולוציוניים, ושאל כיצד התפתחו הקצאות הקודונים והתרגום שלהם לרצף חומצות אמינו.

### גילוי התחום השלישי

במשך רוב המאה ה-20, פרוקריוטים נחשבו לקבוצה אחת של אורגניזמים שסווגו על בסיס הביוכימיה, המורפולוגיה והמטבוליזם שלהם. במאמר רב השפעה משנת 1962, רוג'ר סטנייר (Roger Stanier) וסי. בי. ואן ניל (C. B. van Niel) ביססו לראשונה את החלוקה של ארגון תאי לפרוקריוטים ואאוקריוטים, והגדירו פרוקריוטים כאותם אורגניזמים החסרים גרעין תא. המושג של סטנייר וואן ניל, שהותאם מהכללה של אדוארד שטן (Édouard Chatton), התקבל במהירות כהבחנה החשובה ביותר בין אורגניזמים; עם זאת, הם נותרו סקפטיים לגבי ניסיונותיהם של מיקרוביולוגים לבנות סיווג פילוגנטי טבעי של חיידקים. עם זאת, נהיה מוסכם בדרך כלל שכל החיים חולקים אב קדמון פרוקריוטי משותף (המשתמע מהשורש היווני πρό (pro-), לפני, מול).

בשנת 1977, הפריכו וז וג'ורג' אי. פוקס (George E. Fox) באופן ניסיוני השערה זו שהייתה מקובלת אוניברסלית לגבי המבנה הבסיסי של עץ החיים. וז ופוקס גילו סוג של חיים מיקרוביאליים שהם כינו "ארכאובקטריה" (Archaea). הם דיווחו כי הארכאובקטריה מהווים "ממלכה שלישית" של חיים השונה מחיידקים בדיוק כפי שצמחים ובעלי חיים שונים זה מזה. לאחר שהגדיר את הארכאונים כ-"ממלכה קדמונית" חדשה (לימים תחום) שאינם חיידקים ואינם אאוקריוטים, שרטט וז מחדש את העץ הטקסונומי. שיטת שלושת התחומים שלו, המבוססת על קשרים פילוגנטיים ולא על דמיון מורפולוגי חיצוני, חילקה את החיים ל-23 חטיבות עיקריות, המשולבות בשלושה תחומים: חיידקים (Bacteria), ארכאונים (Archaea) ואאוקריוטים (Eucarya).

קבלת התוקף של הסיווג הפילוגנטי של וז הייתה תהליך איטי. ביולוגים בולטים, בהם סלבדור לוריא (Salvador Luria) וארנסט מאייר (Ernst Mayr), התנגדו לחלוקה שלו של הפרוקריוטים. לא כל הביקורת עליו הוגבלה לרמה המדעית. עשור של קטלוג אוליגונוקלאוטידים עתיר עבודה הותיר אותו עם מוניטין של "משוגע", ווז זכה לכינוי "המהפכן המצולק של המיקרוביולוגיה" במאמר חדשותי שפורסם בכתב העת Science. הגוף הגדל והולך של נתונים תומכים הוביל את הקהילה המדעית לקבל את הארכאונים עד אמצע שנות ה-80. כיום, מעט מדענים דבקים ברעיון של פרוקריוטים מאוחדים.

עבודתו של וז על הארכאונים משמעותית גם בהשלכותיה על החיפוש אחר חיים בכוכבי לכת אחרים. לפני הגילוי של וז ופוקס, מדענים חשבו שהארכאונים הם אורגניזמים קיצוניים שהתפתחו ממיקרואורגניזמים המוכרים לנו יותר. כעת, רובם מאמינים שהם עתיקים, ועשויים להיות בעלי קשרים אבולוציוניים איתנים לאורגניזמים הראשונים על פני כדור הארץ. אורגניזמים הדומים לאותם ארכאונים הקיימים בסביבות קיצוניות עשויים היו להתפתח בכוכבי לכת אחרים, שחלקם מכילים תנאים הנוחים לחיים קיצוניים (אקסטרמופילים).

יש לציין כי הבהרתו של וז את עץ החיים מראה את המגוון של שושלות מיקרוביאליות: אורגניזמים חד-תאיים מייצגים את הרוב המכריע של מגוון הנישות הגנטיות, המטבוליות והאקולוגיות של הביוספרה. מכיוון שמיקרובים חיוניים למחזורים ביוגיאוכימיים ולתפקוד המתמשך של הביוספרה, מחקרו של וז על האופן שבו מיקרובים מתפתחים וסוגיהם השונים סיפק נתונים המשמשים אקולוגים ושומרי טבע. זו הייתה תרומה מרכזית לתורת האבולוציה ולידע שלנו על ההיסטוריה של החיים.

וז כתב: "הדאגות האבולוציוניות שלי מתמקדות בחיידקים ובארכאונים, שהאבולוציה שלהם מכסה את רוב ההיסטוריה של כדור הארץ בת 4.5 מיליארד השנים. באמצעות רצף ריבוזומלי RNA כמדד אבולוציוני, המעבדה שלי שחזרה את הפילוגניה של שתי הקבוצות, ובכך סיפקה מערכת סיווג תקפה פילוגנטית עבור פרוקריוטים. גילוי הארכאונים היה למעשה תוצר של מחקרים אלו".

### אבולוציה של סוגי תאים ראשוניים

וז שיער גם על עידן של אבולוציה מהירה שבו התרחשה העברת גנים אופקית משמעותית בין אורגניזמים. אורגניזמים אלו, או פרוגנוטים (progenotes), שתוארו לראשונה על ידי וז ופוקס במאמר מ-1977 ונחקרו לעומק עם המיקרוביולוגית ג'יין גיבסון (Jane Gibson) במאמר מ-1980, דומיינו כתאים ראשוניים בעלי מורכבות נמוכה מאוד בשל מנגנון התרגום המועד לפורענות שלהם ("ערוץ שידור גנטי רועש"), אשר הפיק שיעורי מוטציה גבוהים שהגבילו את הספציפיות של אינטראקציה תאית ואת גודל הגנום. מנגנון תרגום מוקדם זה היה מפיק קבוצה של חלבונים דומים מבחינה מבנית ושקולים מבחינה תפקודית, במקום חלבון יחיד. יתרה מכך, בשל ספציפיות מופחתת זו, כל הרכיבים התאיים היו רגישים להעברת גנים אופקית, ואבולוציה מהירה התרחשה ברמת המערכת האקולוגית.

המעבר לתאים מודרניים ("סף דרווין") התרחש כאשר אורגניזמים פיתחו מנגנוני תרגום עם רמות דיוק מודרניות: ביצועים משופרים אפשרו לארגון התאי להגיע לרמה של מורכבות וקשרים שהפכו גנים מאורגניזמים אחרים להרבה פחות מסוגלים להחליף גנים של הפרט עצמו.

בשנים מאוחרות יותר, עבודתו של וז התרכזה בניתוח גנומי כדי להבהיר את המשמעות של העברת גנים אופקית (HGT) לאבולוציה. הוא עבד על ניתוחים מפורטים של הפילוגניות של האמינואציל-tRNA סינתטאזות ועל ההשפעה של העברת גנים אופקית על התפלגות האנזימים המרכזיים הללו בין אורגניזמים. מטרת המחקר הייתה להסביר כיצד סוגי התאים הראשוניים (ארכאונים, חיידקים ואאוקריוטים) התפתחו ממצב קדמוני בעולם ה-RNA.

נקודות מבט על ביולוגיה

וז שיתף את מחשבותיו על העבר, ההווה והעתיד של הביולוגיה בכתב העת Current Biology:

> ה-"שאלות החשובות" שעומדות בפני הביולוגיה של המאה ה-21 כולן נובעות משאלה אחת, הטבע והיצירה של ארגון ביולוגי. . . . כן, דרווין חזר, אבל בחברתם של . . . מדענים שיכולים לראות הרבה יותר עמוק לתוך מעמקי הביולוגיה ממה שהיה אפשר עד כה. זה כבר לא מבט של "10,000 מיני ציפורים" על האבולוציה - אבולוציה שנראית כתהלוכה של צורות. הדאגה היא כעת בתהליך האבולוציה עצמו.

> אני רואה את שאלת הארגון הביולוגי לוקחת שני כיוונים בולטים כיום. הראשון הוא האבולוציה של ארגון תאי (חלבוני), הכולל תתי-שאלות כמו האבולוציה של מנגנון התרגום והקוד הגנטי, והמקור והטבע של היררכיות הבקרה שמכווננות וקושרות במדויק את מגוון התהליכים התאיים המרכיבים תאים. הוא כולל גם את שאלת מספר סוגי התאים הבסיסיים השונים הקיימים על פני כדור הארץ כיום: האם כל התאים המודרניים הגיעו מארגון תאי אבותי יחיד?

> הכיוון המרכזי השני כולל את הטבע של המערכת האקולוגית הגלובלית. . . . חיידקים הם האורגניזמים העיקריים על פני כדור הארץ הזה - במספרים, במסה הכוללת, בחשיבות לאיזונים הגלובליים. לפיכך, זוהי האקולוגיה המיקרוביאלית ש. . . זקוקה ביותר לפיתוח, הן מבחינת העובדות הדרושות להבנתה, והן מבחינת המסגרת שבה ניתן לפרש אותן.

וז ראה לביולוגיה תפקיד "חשוב מכל" בחברה. לדעתו, הביולוגיה צריכה לשרת מטרה רחבה יותר מאשר העיסוק ב-"סביבה מהונדסת":

> מה שהוכר רשמית בפיזיקה צריך כעת להיות מוכר בביולוגיה: המדע משרת תפקיד כפול. מצד אחד הוא משרת של החברה, ותוקף את הבעיות היישומיות המועלות על ידי החברה. מצד שני, הוא מתפקד כמורה של החברה, ועוזר לה להבין את עולמה ואת עצמה. זהו התפקיד האחרון שחסר למעשה כיום.

כיבודים ומורשת מדעית

וז היה עמית קרן מקארתור (MacArthur Fellow) בשנת 1984, הפך לחבר באקדמיה הלאומית למדעים (National Academy of Sciences) בשנת 1988, קיבל את מדליית לוונהוק (Leeuwenhoek Medal - הכבוד הגבוה ביותר במיקרוביולוגיה) בשנת 1992, את פרס סלמן א. וקסמן (Selman A. Waksman Award) במיקרוביולוגיה בשנת 1995 מהאקדמיה הלאומית למדעים, והיה מקבל המדליה הלאומית למדעים בשנת 2000. בשנת 2003, הוא קיבל את פרס קראפורד (Crafoord Prize) מהאקדמיה המלכותית השוודית למדעים "על גילוי תחום חיים שלישי". הוא נבחר לחברה הפילוסופית האמריקאית (American Philosophical Society) בשנת 2004. בשנת 2006, הוא הפך לחבר זר בחברה המלכותית (Royal Society).

מינים מיקרוביאליים רבים, כגון Pyrococcus woesei, Methanobrevibacter woesei ו-Conexibacter woesei, נקראים על שמו.

המיקרוביולוג ג'סטין סוננבורג (Justin Sonnenburg) מאוניברסיטת סטנפורד אמר: "המאמר מ-1977 הוא אחד המשפיעים ביותר במיקרוביולוגיה ואולי בכל הביולוגיה. הוא מדורג עם עבודותיהם של ווטסון וקריק ודרווין, ומספק מסגרת אבולוציונית למגוון המדהים של העולם המיקרוביאלי".

בהתייחס לעבודתו של וז על העברת גנים אופקית כתהליך אבולוציוני ראשוני, פרופסור נורמן ר. פייס (Norman R. Pace) מאוניברסיטת קולורדו בבולדר אמר: "אני חושב שוז עשה עבור הביולוגיה בכתב גדול יותר מכל ביולוג בהיסטוריה, כולל דרווין... יש עוד הרבה מה ללמוד, והוא מפרש את הסיפור המתהווה בצורה מבריקה".

פרסומים נבחרים

### ספרים

- Woese, Carl (1967). The Genetic Code: the Molecular Basis for Genetic Expression. New York: Harper & Row. OCLC 293697.

### מאמרים נבחרים

- Woese, Carl R.; George E. Fox (1977). "Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 74 (11): 5088–5090. Bibcode:1977PNAS...74.5088W. doi:10.1073/pnas.74.11.5088. ISSN 0027-8424. PMC 432104. PMID 270744.

- Woese, Carl R. (June 1, 1987). "Bacterial evolution". Microbiological Reviews. 51 (2): 221–271. doi:10.1128/MMBR.51.2.221-271.1987. PMC 373105. PMID 2439888.

- Woese, Carl R.; O Kandler; M L Wheelis (1990). "Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 87 (12): 4576–4579. Bibcode:1990PNAS...87.4576W. doi:10.1073/pnas.87.12.4576. ISSN 0027-8424. PMC 54159. PMID 2112744.

- Woese, Carl R. (June 1, 2004). "A New Biology for a New Century". Microbiology and Molecular Biology Reviews. 68 (2): 173–186. doi:10.1128/MMBR.68.2.173-186.2004. ISSN 1098-5557. PMC 419918. PMID 15187180.

- Woese, Carl R. (2005). "Evolving biological organization". In Jan Sapp (ed.). Microbial Phylogeny and Evolution:Concepts and Controversies: Concepts and Controversies. Oxford University Press. pp. 99–117. ISBN 9780198037774. Retrieved January 4, 2013.

- Woese, Carl R. (2006). "How We Do, Don't and Should Look at Bacteria and Bacteriology". The Prokaryotes. pp. 3–23. doi:10.1007/0-387-30741-9_1. ISBN 978-0-387-30741-1.

- Woese, Carl R.; Nigel Goldenfeld (2009). "How the Microbial World Saved Evolution from the Scylla of Molecular Biology and the Charybdis of the Modern Synthesis". Microbiology and Molecular Biology Reviews. 73 (1): 14–21. doi:10.1128/MMBR.00002-09. PMC 2650883. PMID 19258530.