חיים דיגיטליים בעולם אנלוגי

 

שיר הפלאפל הידוע משנות ה-60 מציע ש"לסבתא הזקנה, נקנה חצי מנה". בטכנולוגיה הדיגיטלית המתקדמת, לעומת זאת, או שיש מנה שלמה, או שאין. אין דבר כזה "חצי מנה", ממש כפי שלא ייתכן קיום של מנה ורבע. הדרישות המדויקות הללו הן העושות את הטכנולוגיה הדיגיטלית למדויקת וחדה כל כך. לעומת זאת, כלכלת הפלאפל, מתברר, קרובה יותר לתפיסה שהייתה מקובלת עדכה באשר לדרכי התנהלותם של תהליכים בעולם החי. לפי תפיסה זו, התהליכים הביולוגיים מתנהלים באופן רציף, כך שבין כל שני מצבים תמיד יכול להתקיים מצב ביניים. אבל מחקר חדש שבוצע באחרונה במכון ויצמן למדע חשף את העובדה המפתיעה, שבתאים חיים, ממש כמו במכשירי די-וי-די, מתנהלים גם תהליכים דיגיטליים שבהם - מכל בחינה מעשית -הפעילות מבוטאת על-ידי מספר המנות השלמות ולא על-ידי הגודל של כל מנה.

 

ד"ר אורי אלון, פיסיקאי מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא, החוקרת הבתר-דוקטוריאלית ד"ר גלית להב, ותלמידי המחקר ניצן רוזנפלד, אלכס סגל ונעמה גבע-זטורסקי, גילו את התופעה המפתיעה הזאת כשעקבו אחר תהליכי ייצורו של החלבון מדכא הסרטן p53. החלבון הזה נוצר בתא כאשר ה-DNA נפגע, במטרה להחזיר את תהליכי החיים למסלולם התקין ולמנוע התפתחות סרטן (ראו מסגרת).

 

מדעני המכון, שעקבו אחר תהליכי הייצור של p53 בתאים, הופתעו לגלות שהוא מופיע ונעלם בסדרה של פסגות או פעימות, ולא בתהליך הדרגתי רציף. ההפתעה נובעת גם מהעובדה שהפסגות או הפעימות מתאפיינות במשך זמן אחיד, ובגובה ממוצע שווה. כלומר, במקום שהן ידעכו עם הזמן, הן דווקא שומרות על עוצמה קבועה ועל תיזמון קבוע, עד שבשלב מסוים הן מפסיקות להופיע בחדות, בדיוק בסיום פסגה. זוהי התנהגות דיגיטלית אופיינית. ממצא זה סתר את התפיסה שהייתה מקובלת עד כה, לפיה p53 נוצר בכמויות הולכות וגדולות בתגובה רציפה לעלייה ברמת הנזק שנגרם ל-DNA. כל "פעימת ייצור" שתיעדו המדענים הכילה מנה, או כמות קבועה של החלבון שהופקה במשך יחידת זמן אחידה וקבועה: קרוב לשש שעות. כאשר נגרם ל-DNA נזק גדול יותר, הופיעו פעימות ייצור נוספות, אבל בשום אופן לא נוצרו באותו פרק זמן כמויות גדולות יותר.

 

מנות הייצור הקבועות של p53 מזכירות את פיסות המידע בתקליטור דיגיטלי. פיסת מידע כזאת קיימת - או לא קיימת, ולפיכך המידע שהיא מייצגת (בקיומה או באי-קיומה) הוא חד-משמעי ומדויק ביותר. לעומת זאת, התפיסה הקודמת באשר לדרכי התנהלותם של תהליכים ביולוגיים, לרבות דרכי ייצורו של p53 בתא, מזכירה את השיטה האנלוגית, שלפיה החריצים בתקליטי הוויניל הישנים התאפיינו בעומקים משתנים, שהתחככות מחט הפטיפון בהם יצרה צלילים עולים ויורדים, כשבין כל שני צלילים מתקיים, למעשה, מעבר הדרגתי ורציף, דבר שיצר "טשטוש" מסוים באשר ל"גבולתיו" המדויקים של כל צליל. ד"ר אלון: "השיטה הדיגיטלית מציעה יתרונות מסוימים בהשוואה לשיטה האנלוגית. מערכת דיגיטלית, למשל, עמידה יותר בפני רעש, פגמים במרכיבים, ושינויים לא רצויים בביצוע התוכנית. ייתכן שמסיבות אלה, במקרים שבהם ה'רעש' עלול לגרום הפרעה משמעותית, התא החי מיישם שיטות פעולה דיגיטליות".

 

כיצד הצליחו ד"ר אלון וחברי קבוצת המחקר שלו להבחין בתופעה שנעלמה מעיניהם של אלפי מדענים אחרים? התשובה לכך נובעת מגישת המחקר הלא- שגרתית שלהם. כמעט כל המחקרים הקודמים על דינמיקות של חלבונים התבצעו בדרך של בחינת חומר שמוצה מתאים רבים. בדרך זו מתקבלת תוצאה ממוצעת לאוכלוסיית התאים כולה. לעומת זאת, ד"ר אלון, שהוא פיסיקאי בהכשרתו הבסיסית, החליט לעקוב אחר חלבונים מסוימים בסביבה הטבעית שלהם, בתוך תא חי יחיד.

 

כדי לבצע את המשימה הזאת השתמשו המדענים בשיטות של הנדסה גנטית שאיפשרו להם לשלב בחלבונים הנחקרים מקטעים חלבוניים זוהרים, שמקורם במדוזה. כך, למשל, החלבון הנחקר p53 קיבל גוון כחול-ירוק, ואילו חלבון אחר, שנוצר בתא ביחד עם p53, הקרוי MDM2, והאחראי לפירוקו של החלבון מדכא הסרטן, סומן בצהוב. "בשלב זה לא נותר לנו אלא לצפות במתחולל בתא באמצעות מיקרוסקופ", אומר ד"ר אלון. "סדרת התמונות הנעות שראינו הזכירה רמזור: אלומה של אור כחול, ולאחריו אור צהוב, ושוב כחול, וחוזר חלילה. לא היה אפשר לטעות - ידענו שאנחנו רואים משהו יוצא מן הכלל, משהו שאיש לפנינו לא ראה".

 

ד"ר אלון והמדענים חברי קבוצת המחקר שלו מתכוונים להמשיך לחקור את תהליכי הייצור והפירוק של החלבון מדכא הסרטן p53 והחלבון המפרק אותו, MDM2. בין היתר הם מקווים להבין כיצד p53 "מחליט" אם לתקן את התא או להורות לו להתאבד, וכיצד הוא מוציא לפועל את החלטותיו אלה. אבל מעבר לזה, לתגלית הנוכחית של הצוות יש השלכות מרחיקות-לכת בתחום המאמצים להבנת דינמיקת החלבונים בכללה. ד"ר אלון: "אם הצלחנו למצוא בתא מערכת דיגיטלית אחת, סביר להניח שקיימות בו עוד כמה מערכות כאלה. אילו מערכות אלה? מדוע במקרים אלה בחר התא לפתח מערכת דיגיטלית ולא להפעיל מערכת אנלוגית, רגילה? כל אלה הן שאלות שהתשובות להן ממתינות לנו בעתיד".

 

תא שמתחוללים בו תהליכים שעלולים להפוך אותו לתא סרטני, מבצע מעין הערכת מצב ומחליט אם אפשר וכדאי לתקן את הנזק שנגרם ל-DNA, או שהנזק גדול מדי. אם אפשר לתקן את הנזק, יש להפעיל את מנגנוני התיקון הקיימים בתא. אם הנזק גדול מדי, והוא עלול לגרום לכך שהתא יהפוך לתא סרטני, דבר שיסכן את הגוף כולו, מוטב שהתא הבודד יתאבד, ובכך יצווה לגוף את החיים. ההתאבדות הזאת מבוצעת באמצעות "תוכנה" ייחודית הצפונה בתאים החיים, ובאמצעות מנגנון ביוכימי המפעיל אנזימים שקוטעים את החלבונים ואת החומר הגנטי שבתא, ובכך גורמים למותו. החלבון p53 ממלא תפקיד חשוב בשני מסלולי הפעולה האלה, שנועדו לבלום את הסרטן

 

החוקרת הבתר-דוקטוריאלית ד"ר גלית להב הובילה את פרויקט המחקר ואספה את הנתונים במיקרוסקופ. מכיוון שהתהליכים שנחקרו מתחוללים באיטיות יחסית, היה צורך לבצע מעקב צמוד אחר החלבונים במשמרות של 16 שעות, ולצלם את מצב החלבונים בתא מדי 15 דקות, תהליך שמחייב כיוון חדות מחדש. כך מצאה עצמה ד"ר להב שעות רבות מאוד בחברת המיקרוסקופ, כשחברי קבוצת המחקר מסייעים לה ככל יכולתם, בין היתר בהבאת מזון ומשקה מהקפטריה, ולעיתים גם החליפו אותה ואיפשרו לה כמה שעת מנוחה. ד"ר להב: "העבודה הייתה חדגונית, אבל ההתרגשות מהתגלית שלנו נתנה לי אנרגיה להמשיך. בהתחלה, מפני שהתוצאות שקיבלנו היו כל-כך בלתי-צפויות, חששנו שאולי שיטת העבודה שלנו לקויה. אבל ד"ר אורי אלון לימד אותנו להתבונן ולדווח בנאמנות על מה שאנו באמת רואים, ולא על מה שאנחנו, או אחרים, מצפים לראות".