מדע קטן גדול

01.06.2006
 
פרופ' בנימין גיגר. ננו-רפואה
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
לאחר שפיתחו ננו-מכונות המסוגלות לראות ולהזיז אטומים ומולקולות בודדות, והתחילו ליישם הישגים אלה כדי לשנות את העולם החומרי הסובב אותנו, מפנים המדענים את מבטם פנימה, לתוך גוף האדם. הם שואפים לפתח מדע חדש, "ננו-רפואה", שיאפשר לבנות ולהפעיל ננו-כלים וננו-מבנים לאיבחון ולתיקון מערכות ביולוגיות המבוססות על מולקולות ותאים. מדובר במעין גירסה מודרנית - ומציאותית - לספרו של אייזיק אסימוב, "המסע הפנטסטי", ולסרט הקולנוע שהופק על-פיו. שם מסופר על אנשים זערוריים החשים להציל את פרופסור בינס, מומחה למיזעור שקריש דם התקוע עמוק במוחו מסכן את חייו. צוות ההצלה מנווט במערכת כלי הדם של בינס באמצעות צוללת זעירה. במציאות, את מקומם של האנשים והצוללת ימלאו, לפי התוכניות, כלים מולקולריים שונים. אריק דרקסלר העלה בספרו "מנועי הבריאה" את הרעיונות הבסיסיים של הננו-רפואה: "מכיוון שאנחנו עשויים ממולקולות, נשתמש במכונות בגדלים מולקולריים בטכנולוגיה ביו-רפואית. מכונות אלה ישלבו חישנים, תוכנות, וכלים מולקולריים כדי לבחון ולתקן את המרכיבים הקריטיים של תאים בודדים".
 
בזמנו נשמעו רוב הרעיונות האלה עתידניים במקרה הטוב, אך כעת, כעבור כמעט 20 שנה, התסריטים הללו עוברים לשלבי היישום במעבדות מחקר ברחבי העולם. במכון ויצמן למדע, למשל, יצרו המדענים מחשב זעיר הבנוי ממולקולות די-אן-אי ומאנזימים שונים, העשוי לגלות, במבחנה, סימנים ראשונים להיווצרות סרטן, ולשחרר, בתגובה, חומר תרופתי שבולם את התהליך הלא רצוי בעודו באיבו. כיום עובדים המדענים בניסיון להפעיל מערכת דומה בתוך תאים חיים. מדענים אחרים מבטאים גנים ועוקבים אחר תהליכים אבולוציוניים במערכת מלאכותית המדמה תאים חיים. ננו-טכנולוגיות נוספות שעשויות לשרת את מדעי החיים והרפואה מבוססות על שימוש במיקרוסקופ כוח אטומי לצפייה בתהליכים מולקולריים המתחוללים בתוך התא, ועל הפקת "מעטפות" למולקולה של החומר התרופתי, שיובילו את התרופה למטרתה וישחררו אותה בדיוק בזמן. אפשרויות נוספות הן פיתוח ננו-כלים שיזהו חיידקים ונגיפים על-פי תכונותיהם החשמליות.
 
אלה הן רק מעט מהאפשרויות הצפונות בעתידה של הננו-רפואה, שכדי לקדמה יצאה באחרונה לדרך יוזמה חדשה, הקרויה "מפת דרכים למחקר רפואי", מטעם מכוני הבריאות הלאומיים של ארצות הברית (NIH), בראשות אליאס זרהוני. מדובר במהפכה של ממש במחקר הרפואי, שתתבסס על מה שאפשר לכנות ננו-רפואה. ארבע קבוצות מחקר קיבלו באחרונה מענקים למשך חמש שנים כדי לפתח את המדע החדש הזה. פרופ' בנימין גיגר, דיקן הפקולטה לביולוגיה במכון ויצמן למדע, חבר באחת מהקבוצות האלה, הקרויה "המרכז הננו-רפואי לביולוגיה מכנית". בקבוצה חברים ביולוגים, מדעני חומרים, פיסיקאים ותיאורטיקאים מארצות הברית, מישראל ומשווייץ, והם מתכוונים לנסות לפענח את השאלות הבסיסיות ביותר בהיבטים הביו-מכניים של תאים חיים והמולקולות הביולוגיות שמפעילות אותם.
 
אחת השאלות המהותיות שחברי הקבוצה מקווים לברר היא: איך תאים שגודלם כמה עשרות מיקרונים (מיקרון הוא מיליארדית המטר) מתארגנים ויוצרים, יחד, אורגניזמים שגודלם יכול להגיע למטרים אחדים? שאלה אחרת: כיצד מערכת התקשורת של התא, הבנויה ממולקולות שגודלן ננו-מטרים אחדים (כלומר, הן קטנות פי עשרות אלפים מתא טיפוסי), מתפקדת בתוך התא "הגדול", ומתקשרת עם מערכות בקרה אחרות?
 
ננו-מכניקה ביולוגית היא עוד סוגיה במדע החדש. התאים חשופים כל הזמן לכוחות מכניים: זרם הדם הפועם, השחיקה והלחץ של השרירים והתאים הסמוכים. באמצעות מערכות תקשורת רגישות ומשוכללות במיוחד מצליחים התאים לפענח את הכוחות האלה, להמיר אותם לאיתות כימי שהם משגרים פנימה, ובאמצעותם הם מפעילים תהליכים בגוף התא ובגרעינו. גירוי זה מוביל לייצור חלבונים מסוימים, שקובעים ומנווטים את קבלת ההחלטות של התא ואת התנהלותו ותגובותיו לגירויי הסביבה. אבל איך זה קורה בדיוק? מחלות רבות - כולל התפתחות גרורות סרטניות, המתאפשרת כתוצאה מ"החלטה" של תאים מסוימים להתנתק מהגידול שבו צמחו ולנדוד למקום אחר - קשורות, אולי, לכשל בחישה מכנית כזאת, או בפרשנות של המסר שהכוחות המכניים השונים מעבירים לתא. היבטים אחרים של אותה שאלה עשויים להיות פיענוח צופן התקשורת שלפיו תאי הגזע קולטים מסרים מכניים מהסביבה, המכוונים אותם למסלולי התמיינות מסוימים.
 

לתקן את מכונות החיים

מדעני הננו-רפואה שואפים לפתח דרכים לתיקון מערכות ביולוגיות. מדובר בפיתוח גישות חדשות שיאפשרו תהליכים רבים ומגוונים, ובכללם ריפוי פצעים, יתר לחץ דם, מחלות הקשורות בהתפתחות כלי דם, חידוש עצבים, שליטה בתגובות חיסונית, ובלימת התפשטות של גרורות סרטניות. החוקרים מקווים, כי הכלים הננו-טכנולוגיים יאפשרו לרופאים לתקן את מכונות החיים ולתחזק אותן ברמה טובה בהרבה מזו שהם יכולים להציע כיום. לשם כך יהיה עליהם לכתוב מעין "הוראות הפעלה" לתא החי בפרט, ולמערכות ביולוגיות בכלל.
 
מכיוון שרשימת החלקים (הגנים, החלבונים והמולקולות הביולוגיות האחרות) שמרכיבים את המכונות הביולוגיות שבגופנו מתרחבת כמעט מדי יום, ויחסי הגומלין המורכבים בין המולקולות האלה נחקרים בקצב מהיר מאוד, מדובר במשימת ענק שעשויה להשתוות בהיקפה לפרויקט המיפוי והריצוף של גנום האדם.
 
מסע דרך סדרי גודל. התמונה בפינה הימנית העליונה מציגה שטח גדול פי 25,000 מזה שבפינה השמאלית התחתונה. בתמונות: תרבית תאים (ימין למעלה) צמודה למשטח בעל מבנה ננו-חלקיקי (שמאל למעלה), העשוי מגרגרי זהב דביקים שמופרדים על-ידי משטח בלתי-דביק (ימין למטה). בתמונה משמאל למטה נראים ננו אתרי היצמדות בין תאים לגרגרי הזהב. ניסוים אלה נעשו בשיתוף פעולה עם קבוצה המחקר של פרופ' יואכים שפץ מאוניברסיטת היידלברג.
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם