צפוף

 

 

 

 

כל מי שצפה בתחנת רכבת סואנת ודאי הבחין בכך שההמון אינו מתפזר באופן אחיד בתוכה - הצפיפות מתרכזת סביב  דלפק הכרטיסים, הקיוסקים והרציפים. מתחמים אלה אמנם אינם מוגדרים באמצעות קירות, ובכל זאת הפעולות  השונות מתרחשות בתוך מדורים מוגדרים - מעין תאים פתוחים, נפרדים. מדענים ממכון ויצמן למדע משתמשים בעיקרון דומה כדי לדחוס גנים לתוך מדורים קטנים בשבב. כך הם יכולים גם לגלות כיצד אסטרטגיות מסוג זה ל"ניהול המונים" עשויות לתרום לפיתוח גישות לשליטה בפעילויות הגנים בתאים. השיטה החדשה שפיתחו מעניקה להם כלי חדש להפעלת גנים בניסויים במעבדה באופן מציאותי יותר. בנוסף, היא עשויה להוות צעד חשוב במאמצים ליצור תאים מלאכותיים.

 

פעילות הגנים ביצורים חיים מתחוללת בחלליו הצפופים של התא, או בגרעין התא. ממצאים שהתקבלו באחרונה מצביעים על כך, שסוגי פעילות מסוימים מתוחמים באזורים שונים בתוך חלל הגרעין הדחוס. לעומת זאת, בניסויי מעבדה המחקים את הפעילות התאית, גדילי הדי-אן-אי ומולקולות אחרות צפים בדרך כלל בחופשיות בתמיסה. פרופ' רועי בר-זיו, מהמחלקה לחומרים ופני שטח שבפקולטה לכימיה, רצה ליצור מערכת מלאכותית שתשלב את הנוחיות של ניסויי מבחנה עם תנאי הצפיפות האמיתיים של התא. יחד עם תלמיד המחקר דאז, אמנון בוקסבוים, פיתח פרופ' בר-זיו שיטה להצמדת גדילי די-אן-אי ארוכים יחסית למשטח, כדי ליצור מעין מברשת די-אן-אי עבה וצפופה. באמצעות טכניקת פוטו-ליטוגרפיה, הנהוגות בתחום המיקרו-אלקטרוניקה, הצליחו ליצור "צילומים" מודפסים מפורטים, כך שהמרחק בין זיפי הדי-אן-אי במברשת אינו עולה על כ-30 ננומטרים.

 

לאחר שהשלימו את פיתוח המברשת, פנו חברי צוות המחקר - ובהם גם תלמיד המחקר דן ברכה וד"ר שירלי דאובה, מנהלת המעבדה למדעי הננו במחלקה לתשתיות למחקר כימי במכון ויצמן למדע - לבדוק מה יכולות מברשות הדי-אן-אי ללמד אותם על פעילות גנים בתנאים צפופים. לצורך כך התחילו עם התסריט הפשוט ביותר: הם יצרו מברשות די-אן-אי שזיפיהן עשויים מגן יחיד, ובחנו את השלב הראשון של הפעילות הגנטית - יצירת גדילי אר-אן-אי על-פי הצופן הגנטי, בהשוואה לאותו תהליך בגדילי די-אן-אי שצפים בחופשיות בתמיסה.

 

מברשות הגנים שיצר הצוות אכן פעלו כמדורים נפרדים זעירים. החוקרים גילו, כי במדורים אלה מתקיימים תנאים שונים משאר הסביבה, למרות היעדר הפרדה פיסית. המדענים בדקו גם את פעילות מברשות הגנים שלהם בתנאים סביבתיים משתנים - לדוגמא, בדרך של שינוי ריכוזי המלחים בתמיסה, או הוספת חומרים כימיים המשפיעים על פעילות הדי-אן-אי – ומצאו שפעילות הגנים הצפופים שבמברשת מתאימה הרבה יותר למציאות (של פעילות הגנים בתא) בהשוואה למידת ההתאמה של פעילות הגנים שצפים בתמיסה.

 

בהמשך הרחיבו המדענים, או צמצמו, את הרווחים בין הגדילים; הוסיפו כמויות משתנות של די-אן-אי "זבל" (חומר גנטי שאינו מקודד חלבון) בין הגנים; והפכו את כיוון הגנים, כך שבחלק מהמקרים היה המידע הגנטי המורה ל"התחיל להעתיק כאן" סמוך לצד החופשי של זיפי המברשת, ובפעמים אחרות היה קרוב לקצה המחובר למשטח.

 

החוקרים גילו, כי לכל השינויים האלה יש השפעה על המהירות שבה פועלים הגנים - כולל אלה שאינם מקודדים לחלבון. עלייה בצפיפות הזיפים האטה את התהליך, וכך גם הצבת צופן ה"התחל" סמוך יותר לבסיס המברשת. נראה, כי המערך הצפוף מגביל את נגישות הדי-אן-אי למכונות השיעתוק (האנזימים שיוצרים את מולקולת האר-אן-אי), וגם שומר לפרק זמן ממושך יותר את המכונות ואת האר-אן-אי שנוצר בתוך המדור המופרד. בנוסף, המדענים מצאו שסידור המברשת מאפשר להם לשלוט בכיוון העתקת המידע הגנטי (ולפיכך בתפוקת החלבונים הנוצרים על-פיו) - שליטה שאינה אפשרית בניסויים המבוצעים בתמיסות, אבל מתאפשרת באופן רגיל בתאים אמיתיים.

 

למרות שבתאים חיים הגנים אינם מסודרים בשורות מסודרות ומקבילות, המדענים סבורים שהמודל שפיתחו מאפשר להגיע לתובנות חשובות לגבי האופן בו המערך הפיסי של גדילי הדי-אן-אי משפיע על פעילותו. כך, לדוגמא, הם משערים שדי-אן-אי הזבל, המהווה כ-90% מכלל החומר הגנטי בתאים שלנו, עשוי לתפקד כ"חומר אריזה" השומר על רמת הצפיפות הדרושה. בנוסף, הממצאים שלהם רומזים כי ההפרדה למדורים משמשת כאסטרטגיה נפוצה, אשר חוסכת מקום ושומרת על הסדר בתא הצפוף והסואן. "ייתכן שמדורים פתוחים כאלה אפילו הקדימו את התא הסגור", אומר פרופ' בר-זיו. "ייתכן כי התאים הראשוניים לא היו מוקפים בקרום, אלא היו מבנה בו הצטופפו מולקולות מורכבות, וייתכן שהמבנה הזה נשמר כעיקרון ארגוני בסיסי".

 

פרופ' בר-זיו מדגיש את העובדה, שחברי צוות המחקר הביאו למעבדה כישורים ותחומי הכשרה שונים. היו ביניהם פיסיקאים, ביו-כימאים ומתמחים בביו-הנדסה. "שילוב התחומים האלה הוא שאיפשר את המחקר הזה", הוא אומר. בהמשך מתכננים פרופ' בר-זיו וצוותו להמשיך לשפר את היכולות של מברשות הגנים, ולבצע פעולות שונות במצבים מורכבים יותר - כולל מערכים בהם מעורבים מספר סוגים של גנים, או שינויים בהרכב החומר הגנטי. בעתיד שואפים המדענים ליצור כרומוזום מלאכותי, ואולי אפילו תא מלאכותי. פרופ' בר-זיו: "לעומת שבבי הגנים של היום, המהווים כלי איבחון פסיבי, הגנים במברשות שלנו פעילים, ואנחנו רוצים ללמוד איך לשלוט בפעילותם".