תופעת הדומינו

 

התפשטות של חזית גל – כמו אדוות במי האגם – היא תופעה פיסיקלית שנחקרה רבות. אבל האם, וכיצד, מתפשטים מידע, או תהליכים, במערכות ביולוגיות? פרופ' רועי בר-זיו, ותלמידי המחקר אלכסנדרה טייר ואייל קרצברון, מהמחלקה לחומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, התמודדו עם שאלה בסיסית זו באמצעות ניסוי שבו יצרו התפשטות כזאת, והראו כיצד אפשר לשלוט במאפייניה, ובראש ובראשונה בקצב ההתפשטות, ולכוון אותם.

 

המחקר, שפורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Physics, בוצע במערכת שהמדענים עמלים על פיתוחה זה יותר מעשור, ואפשר לראותה כמערכת מלאכותית אשר מדמה תאים ביולוגיים. תאים אלה, כל אחד מהם בעומק של מיליונית המטר, "נחצבו" בסיליקון, ולמעשה יוצרים "שבב ביולוגי". התאים מחוברים באמצעות צינורות דקים לתעלת זרימה מרכזית. בכל תא מקובעים לרצפת התא גדילי די-אן-אי צפופים. התוכן של המקטעים הגנטיים האלה נקבע על-ידי המדענים. כדי "לתרגם" את הגנים האלה לחלבונים, המדענים ממלאים את התאים המלאכותיים בתמצית תאי אי-קולי, המכילה את כל המנגנון החיידקי שאחראי על תרגום חלבונים (ובהם ריבוזומים). בשלב זה מתחולל בתאים המלאכותיים תהליך של ייצור חלבונים, שלאחר מכן ייצאו מהתאים דרך הצינורות הדקים שמובילים לתעלת הזרימה הגדולה. תהליך הפינוי של החלבונים מדמה את תחלופת החלבונים הטבעית, כפי שהיא מתבצעת בתאים חיים. 

 

בניסוי החדש הוסיפו המדענים ערוץ תקשורת נוסף בין התאים, בדמות צינורית דקה שקישרה את התאים זה לזה לפי סדר הצבתם במערכת. כלומר, צינורית אחת קישרה את התא הראשון בשורה אל התא השני, צינורית אחרת קישרה את התא השני לשלישי, וכך הלאה. באמצעות שילוב גנים שמקודדים לחלבוני בקרה הצליחו המדענים לחולל תהליך שבו, בתא אחד נוצר חלבון תקשורת, אשר עבר בצינורית אל התא הסמוך, גרם בו לביטוי של אותו חלבון תקשורת, שעבר לתא השלישי, וכך הלאה. מפל ריכוז חלבון התקשורת נצפה באמצעות חלבון מדווח זוהר המעיד על פעילות חלבון התקשורת. כך צפו המדענים בתאים ש"נדלקים" בזה אחר זה, בקצב קבוע, ללא התערבות, ולמעשה ללא מגע יד אדם.

 

 

"המערך הגנטי-ביוכימי שיצרנו מבוסס על זירוז עצמי (אוטוקטליזה), המבוקר באמצעות חלבון מסוים", אומרת אלכסנדרה טייר. "חלבון הבקרה נקשר לחלבון שמתפקד כמעין מתג, אשר מפעיל את הזירוז העצמי, וזה גורם גם להתרבות של החלבון המדווח (החלבון הזוהר) – דבר שיוצר את התופעה שאנו רואים כתא ש'נדלק'. בשלב זה, החלבון המאתחל את התהליך מתרבה, עובר בצינורית לתא הסמוך, ומתחיל בו את התהליך מחדש. זוהי מעין תופעת דומינו". 

 

מוסיף אייל קרצברון: "מדובר בתופעה של התקדמות גל המעביר מידע גנטי-ביולוגי, בדומה להתקדמות אותות אופטיים בכבלי תקשורת. בגלל המעגל הגנטי המבוסס על ההגבר העצמי, חזית הגל אינה דועכת, אלא שומרת על צורתה, ולכן האות מתקדם באופן מהימן לאורך המערכת. קביעה מדויקת של כמות הגנים המקודדים לחלבוני הבקרה איפשרה לנו לשלוט בקצב ההתפשטות של האות, בעוצמתו, ובתכונות נוספות שלו". משך הזמן שנדרש לאות לעבור מקצה אחד של המערכת לקצה השני, הוא – לפי הכיוונון שביצעו המדענים – בטווח של שעות.

 

"מערכת זו מבצעת חישוב של העברת מידע המקודד בריכוזים של חלבונים אשר משתנים בזמן ובמרחב, כמו למשל בהתפתחות עוברית ראשונית", אומר פרופ' בר-זיו. "לכן, בעתיד, עשויה מערכת זו לאפשר שיחזור מלאכותי של תהליכים ביולוגים בסיסיים, כגון ייצור תבניות מרחביות, וחקירת דינמיקה של מעגלים גנטיים. מערכת השבב של התאים המלאכותיים עשויה לאפשר חישה, העברת מידע ועיבודו, ובין היתר ניטור תופעות סביבתיות שונות".