טירונות

01.03.2004
מימין לשמאל: פרופ' ירון כהן, תלמיד המחקר סול עפרוני, ופרופ' דוד הראל. התאמה למציאות
 
סיפור חייהם של תאי גזע הדם עשוי לפרנס רומן היסטורי עב כרס ורב תהפוכות. אבל מחקר חדש של מדעני מכון ויצמן למדע מאפשר עכשיו לחזותו במודל דינמי, מעין "סרט קולנוע" המתאר את ה"סיפור" הזה.הוויכוח הנצחי האם הספר טוב מהסרט, או להיפך, מוכרע כאן באופן חד-משמעי לטובת אמנות הקולנוע, או שמא נאמר, למען הדיוק, אמנות הקולנוע הממוחשב.
 
כל 15 דקות נכנס תא גזע אחד מלשד העצם לבלוטת ההרת (תימוס), שם הוא ועמיתיו עוברים תקופת אימונים מפרכת, שהמעטים מביניהם אשר מצליחים לשרוד בה מתפתחים והופכים בסוף מסלול ההכשרה לתאי T, לוחמי היחידות המיוחדות של המערכת החיסונית. במסגרת מסלול ההכשרה המפרך עוברים התאים הטירונים באונת משנה (אחת מבין כ30- אונות המשנה הקיימות בבלוטת ההרת). בכל אונת משנה כזאת עובר התא בין כמה תחנות, שבכל אחת מהן הוא מבצע תהליך כלשהו, שבסופו הוא מכשיר את עצמו לשלב הבא במסע ההכשרה. לא מדובר בתהליך פשוט. אם התא הטירון ייגש לתחנה הלא נכונה - הוא ימות. אם ידלג על תחנה - הוא ימות. אם יגיע לתחנה הנכונה אבל לא יבצע בה את התהליך הנכון, או שיקבל אות גירוי חזק מדי - הוא ימות. מכל אלה אפשר להבין, שצריך הרבה מאוד תכנון מדויק, מזל, או כישרון (או שלושתם יחד) כדי לצלוח את מסע החתחתים הזה ולהגיע לסופו בשלום. ואכן, מתברר שרק 3% מתאי גזע הדם הנכנסים לבלוטת ההרת יוצאים ממנה כתאי T בשלים של המערכת החיסונית. כל השאר (97%) אינם שורדים.
 
מהו סוד הישרדותם של התאים שמצליחים להשלים את מסלול ההכשרה המפרך? האם אפשר למצוא דרך לחשב מראש את סיכויי ההישרדות של תאים מסוימים? נראה שהגורמים שיכולים ליצור את ההבדל שבין חיים למוות הם רבים מאוד; לדוגמה, שינוי קטן במספרם של קולטנים מסוימים המוצגים על קרום התא, שיעור ההתבטאות של חלבון זה או אחר, ועוד. מכיוון שמספרם של הקולטנים והתאים גדול מאוד, ומספר השילובים ביניהם גדול הרבה יותר, מדובר במערכת גדולה מאוד ומורכבת ביותר, שאין כל אפשרות מעשית לחשב את כל אפשרויות הפעולה של כל מרכיביה.
 
כדי להתגבר על הבעיה הזאת חבר פרופ' ירון כהן מהמחלקה לאימונולוגיה במכון ויצמן למדע לפרופ' דוד הראל, דיקן הפקולטה למתמטיקה ומדעי המחשב במכון. יחד עם תלמיד המחקר המשותף שלהם, סול עפרוני, עלה בידיהם לבנות מודל דינמי ייחודי המחשב ומתאר את תהליך ההכשרה של תאי ה- T בבלוטת ההרת באופן דינמי, ומציג אותו אמצעות אנימציה. במילים אחרות, הם לקחו תסריט והפכו אותו לסרט קולנוע. למעשה, המודל יכול לשלב קטעי אנימציה שונים, בסדר שונה, ובכך ליצור גרסאות רבות ושונות של תהליך. כך יכולים החוקרים לבחון את תהליך מהיבטים ונים, ולהבחין בתופעות שנראות היטב בגרסת "סיפור" אחת, אך אינן נראות בגרסאות אחרות.

 

תיאור חזותי

המודל נבנה בשיטה ייחודית לתיאור חזותי של התנהגותן של מערכות תגובתיות גדולות בעלות חלקים רבים - כגון מערכות מצויות במטוסים, בכלי רכב, במכשירי טלפון סלולריים, וכן במערכות ביולוגיות. שיטה זו, הקרויה "תרשימי מיצוב" (statecharts), פותחה על-ידי פרופ' דוד הראל לפני כ20- שנה במטרה להקל על פיתוח מערכות ממוחשבות מורכבות. הרעיון שעומד בבסיס השיטה הוא הצגת כל אפשרויות הפעולה והמעברים שביניהן בדיאגרמות מובנות והיררכיות, הן גם מדויקות מבחינה מתמטית וגם ברורות ואינטואיטיביות. אותן יכולות של שיטת תרשימי המיצוב יושמו במחקר נוכחי באמצעות כלי תוכנה הקרוי "רפסודי", שנבנה בשנות ה90- בשיתוף בין פרופ' הראל לחברת I-Logix. במחקר הנוכחי ולבה טכנולוגיית תרשימי המיצוב עם טכנולוגיית האנימציה "פלאש", דבר שאיפשר למדענים לתאר את תהליך חישוב שמבצע המודל באופן גראפי דינמי. החוקרים יצרו הרבה קטעי סרטים קצרים מאוד, שמהם מרכיב המחשב - אמצעות תרשימי המיצוב - בכל פעם סיפור עלילתי שונה.
 
תוך כדי צפייה בתצוגות האנימציה האלטרנטיביות שיצרו הופתעו מדענים לגלות כמה תופעות שלא היו ידועות עד כה.למשל, מתברר שהתאים העוברים את מסלול ההכשרה בבלוטת הרת מתחרים זה בזה ומפריעים למתחריהם לבצע את התהליכים החיוניים להשלמת מסלול ההכשרה. במחשבה לאחר מעשה, התופעה הזאת נראית כמעט מובנת מאליה, אנושית מאוד, טבעית מאוד. אבל עובדה היא, שאיש לא יאר לעצמו שאלה הם פני הדברים עד שהמודל הדינמי המחיש אותם באופן שאינו משתמע לשתי פנים.
 
כדי לבחון את ידת חשיבותה של התחרות בין התאים לתהליך עצמו ביצעו המדענים - באמצעות המודל הדינמי - ניסוי שבמסגרתו פחיתו את רמת התחרות בין התאים. התוצאה: כל המבנה של בלוטת ההרת התעוות והיא חדלה מהתפקוד הרגיל שלה. מילים אחרות: התחרות שבין התאים היא תופעה חיונית ובסיסית שבלעדיה לא יכול להתחולל תהליך ההכשרה של אי ה- T. באמצעות המודל הדינמי הכניסו המדענים שינויים שונים בתנאים שבהם מתחולל התהליך, ובחנו את השפעתם ל השינויים האלה על תהליך ההתמיינות של התאים השורדים, אשר הופכים לאחד משני סוגים של תאי T הממלאים פקידים שונים במערכת, ונושאים על קרומיהם קולטנים שונים המאפשרים להם לבצע את תפקידיהם. במודל נוצרו אי T מסוג מסוים בכמות כפולה מזו של תאי T אחרים, בדיוק כפי שאכן קורה במציאות. התאמה זו שבין המודל למציאות הווה הוכחה נוספת לתקפותו של המודל וליכולתו לצפות תהליכים שטרם נצפו בפועל. כאן אולי המקום להזכיר, המודל מתאר את מסלולי פעולותיהם של 10,000 תאים המצויים באחת מ30- אונות המשנה של בלוטת ההרת. מציאות מכילה בלוטת ההרת מאות מיליוני תאים.
 

התאמה למציאות

המדענים אומרים שיכולתו של המודל לתאר את התנהגות המערכת ברמת דיוק טובה תאפשר לביולוגים ניסיונאים לבחון באמצעותו תיאוריות שונות באשר לדרכי הפעולה של המערכת החיסונית, ואז לבחור מבין התיאוריות השונות את זו שמתאימה ביותר למציאות. גילוי ומיפוי מאפיינים ששולטים בתהליך ההכשרה של תאי ה- T עשויים להוביל לפיתוח דרכים שאולי יאפשרו בעתיד לעצב את תגובות הרצויות של המערכת החיסונית, בשאיפה לבלום מחלות אוטואימוניות ולהחליש את הדחייה שהגוף מפעיל נגד איברים מושתלים.
 
 
קטע מתרשימי המיצוב שמפעילים את המערכת
 
 
קטע אנימציה המתאר שלב בתהליך ההכשרה של תאי ה-T בבלוטת ההרת.
 
 
תקריב מקטע מ"המסך" השלם של האנימציה
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם