עצם העניין

מדעני המכון יוצאים למסעות חקר בעקבות תהליכי הייצור של חומרים מרוכבים בעולם החי
01.12.2008

מימין: יוליה מחאמיד, פרופ' ליאה אדדי ופרופ' סטיב ויינר. קו מקשר

 
בני-אדם שונים מחלזונות ורכיכות, אבל לא בטוח שההבדל הזה מתבטא רק ביתרונות. מעט צניעות הייתה יכולה להועיל כאן. חלזונות מסוימים יכולים, למשל, להשלים ולשחזר סיבי עצב פגועים. אם בני-אדם היו מסוגלים לעשות זאת, היה נמצא מרפא למחלות רבות הנגרמות מפגיעות עצביות או מהתנוונות תאי עצב. אבל זה לא הדבר היחיד שכדאי ללמוד מהרכיכות. דוגמה בולטת נוספת היא המבנים היפים והחזקים להפליא (קונכיות וצדפים) שיוצרות רכיכות מסוימות. מבנים גבישיים אלה, ותהליכי הבנייה שלהם, מהווים השראה למדענים המפתחים חומרים מרוכבים, קלים וחזקים במיוחד, המשמשים, בין היתר, למטרות רפואיות, כמו שתלים אורתופדיים מלאכותיים.
 
חשיבותם של החומרים המרוכבים הובילה מדענים רבים למסעות חקר בעקבות תהליכי הייצור של החומרים האלה בעולם החי. מחקרים אלה התמקדו הן בבעלי-חיים חסרי חוליות, דוגמת הרכיכות, והן בעצמותיהם של בעלי חוליות. באחרונה התגלה קו מקשר בין שני סוגי היצורים הנחקרים: מסתבר, כי שיטות פעולה מסוימות שמפעילות רכיכות לצורך בניית קונכיות, משמשות גם בעלי-חיים בעלי חוליות, לרבות בני-אדם.
 
העצם אינה גדלה בכיוון אחד; היא מתפתחת שכבה על-גבי שכבה, ובמבנה שלה חלים שינויים בלתי-פוסקים - תהליכים אשר מקשים על ההבחנה בין חומר חדש לחומר ישן. מדענים שמבקשים לעקוב אחר תהליך התפתחות העצם נתקלים בקשיים נוספים, הנובעים ממיקומה של העצם בתוככי הגוף החי. ידוע כי בתהליך התפתחות העצם, שהיא חומר מרוכב, החומר המינרלי הגבישי מתמקם בתוך "תבנית יציקה" העשויה מסיבי חלבון; אבל האופן שבו נוצרים גבישים אלה שנוי במחלוקת. ההסבר הפשוט והמתבקש ביותר היה שהמינרלים שוקעים ישירות מתוך תמיסה, בדומה לאופן בו נוצרים זקיפים ונטיפים. זו גם הייתה ההשערה המקובלת באשר לדרך שבה נוצרות קונכיות, אולם ממצאים שפורסמו בסוף שנות ה-60 של המאה הקודמת העלו רמזים ראשונים לכך שהפתרון מצוי במקום אחר.
 
התשובה החלה להתברר במחקרים שנעשו ברכיכות, והראו כי תהליך בניית הקונכייה שלהן כולל שלב ביניים, שבו בעל-החיים מייצר חלקיקים מינרליים אמורפיים (כלומר לא מסודרים, בניגוד לגביש שהוא בעל מבנה מסודר). חלקיקים אלה מועברים מתוך גוף הרכיכה אל מקום בניית הקונכייה, ועוברים שם שינוי מבני אשר הופך אותם לגביש חזק. מחקרים של פרופ' ליאה אדדי ושל פרופ' סטיב ויינר, מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון ויצמן למדע (שבדקו את מנגנוני יצירת הקוצים של קיפודי ים), ושל מדענים נוספים ממקומות שונים בעולם, הראו כי מדובר בתופעה כללית, המתקיימת במבנים קשיחים בבעלי-חיים חסרי חוליות נוספים. פרופ' אדדי: "ההשערה המקורית, של שקיעת חומר מינרלי מתוך תמיסה, חייבה הזרמת כמויות עצומות של תמיסה אל מחוץ לגוף הרכיכה. התהליך שאנו זיהינו, שבו מובילים את ה'לבנים' וה'מלט' בצורתם המוצקה אל אתר הבנייה, הוא יעיל והגיוני הרבה יותר - מבחינת משק האנרגיה של בעל החיים".
 
אך השאלה באשר לדרכי היווצרותן של עצמות בבעלי-חיים בעלי חוליות נותרה בעינה. הניסיונות לזיהוי חומר מינרלי אמורפי, שמשך חייו מוגבל, בתוככי עצם המצויה בשלבי גדילה, לא עלו יפה, ובכל מקרה לא הצליחו לספק עדות חד-משמעית לנכונות התיאוריה. תלמידת המחקר יוליה מחאמיד, פרופ' ליאה אדדי ופרופ' סטיב ויינר, מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון ויצמן למדע, הצליחו באחרונה למצוא מערכת ביולוגית מיוחדת המאפשרת לעקוב, צעד אחר צעד, אחר השלבים השונים בתהליך היווצרות העצם. המדענים בחרו לחקור את עצם הסנפיר של דג זברה, אשר גדלה "מבפנים החוצה" במשך כל חיי הדג. הסנפיר עשוי כמעין "מניפת עצמות", שכל אחת מהן מורכבת ממספר פרקים - כך שהפרק שבקצה המניפה הוא החדש ביותר. מכיוון שכך, אפשר להתייחס אל הפרקים כאל "ציר זמן" המציג שלבים שונים בהתפתחות העצם. בנוסף לכך, הטמפרטורה הנמוכה בה חי הדג מאטה את התפתחות החומר המינרלי בעצם, ומקלה את המעקב אחריו.
 
באמצעות שילוב של מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת וחודרת, ושיטות מתקדמות נוספות, הצליחו המדענים לזהות בוודאות חלקיקים כדוריים, עשויים חומר מינרלי אמורפי, ולהבחין בינו לבין החומר המינרלי הגבישי. הממצאים, שהתפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי "רשומות האקדמיה הלאומית למדעים" של ארה"ב (PNAS), מראים כי בפרקים ה"צעירים" של העצם מהווה החומר האמורפי כמחצית מכלל החומר המינרלי, וכי כמותו הולכת וקטנה עם התבגרות העצם - במקביל לעלייה בכמות הכללית של החומר הגבישי. הצלבת נתונים שהתקבלו משני המיקרוסקופים איפשרה לעקוב אחר מיקומים מסוימים על-גבי העצם, ולהצביע על האפשרות כי חלקיקים אמורפיים הופכים, עם הזמן, לגבישים.
 
ממצאים אלה שופכים אור על תעלומה רבת שנים, ובהיבט רחב יותר הם מספקים מידע חדש וזווית ראייה ייחודית על תהליכים ביולוגיים בסיסיים בהם נוצרים חומרים מינרליים המרכיבים את הרקמות הקשות, כגון עצמות ושיניים. תהליכים אלה מתרחשים בכל בעלי-החיים בעלי החוליות, לרבות בני-אדם. המדענים מקווים, כי הבנה מעמיקה של התהליכים האלה תסייע בעתיד לקידום אפשרויות הריפוי של מחלות גנטיות הגורמות לבנייה לא תקינה של העצמות.
 
למעלה: צילום במיקרוסקופ אלקטרונים סורק של "אצבע" אחת מתוך המניפה המרכיבה את שלד הסנפיר של דג הזברה. למטה: שלבים שונים בהתפתחות העצם. בשלב ההתפתחות המוקדם ביותר (מימין) העצם מורכבת בעיקר מחלקיקים מינרליים אמורפיים דמויי כדור. בשלב הבא (במרכז) ניתן להבחין בחלקיקים עגולים (מסומנים בראשי חץ לבנים), ולצידם גבישים (חיצים שחורים). בשלב הבוגר (משמאל) מורכבת העצם בעיקר מגבישים
 
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם