סוד התולעת

01.03.2002
מימין לשמאל: פרופ' ירון כהן,הדוקטורנט נעמן קם ופרופ' דוד הראל. כל השילובים האפשריים
 
במשך מאות שנים עבדו הביולוגים ללא לאות - כל אחד בוחן פיסה קטנה במשחק התצרף (פאזל) הענק של הטבע. מאחורי שיטת הפעולה הזאת עומדים הרעיון והתקווה שאפשר יהיה להבין את הטבע באמצעות בחינת חלקים קטנים יותר ויותר ממנו, וכי החלקים הקטנים יצורפו זה לזה, כמו חלקיו של משחק תצרף, ויעניקו תובנה על מהותה של התמונה השלמה. אבל כיום, לאחר שהמדענים צברו הרבה מאוד פיסות מידע קטנות, הם מתחילים לתהות כיצד אפשר יהיה, אי פעם, להרכיב מהן תמונה שלמה.
 
נעמן קם, דוקטורנט במחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית ובמחלקה לאימונולוגיה במכון ויצמן למדע, מנסה להתמודד בדיוק עם הקושי הזה. כסטודנט הוא נתקל בשיטה לתיאור חזותי של ההתנהגות של מערכות תגובתיות גדולות בעלות חלקים רבים - כגון מערכות המצויות במטוסים, כלי רכב ומכשירי טלפון סלולריים. שיטה זו, הקרויה "תרשימי מיצוב" (strahcelats), פותחה על-ידי פרופ' דוד הראל, דיקן הפקולטה למתמטיקה ומדעי המחשב במכון ויצמן למדע, שהיה גם אחד ממדריכיו של קם ללימודי התואר השני במדרשת פיינברג של המכון. פרופ' הראל פיתח את השיטה בתגובה לבקשה דחופה של התעשייה האווירית הישראלית, לצורך פיתוח מערכות האוויוניקה של מטוס הלביא בתחילת שנות ה -80. הרעיון שעומד בבסיס השיטה הוא הצגת כל אפשרויות הפעולה והמעברים שביניהן בדיאגרמות מובנות והיררכיות שהן גם מדויקות מבחינה מתמטית וגם ברורות ואינטואיטיביות. "למשל", מסביר קם, "אני יודע שבלחיצת כפתור בצידו האחד של השעון שלי אני מדליק נורה קטנה, ושבלחיצת שני כפתורים בעת ובעונה אחת אני יוצר צפצוף. אבל האם המהנדסים קבעו מה יקרה אם אלחץ על שלושה כפתורים, או כל הארבעה, או שעניין זה הושאר למזל? על אותו המשקל, אנו יכולים לדעת כיצד תא בגוף שלנו מגיב לחומרים מעוררים שונים, אך איננו מביאים בחשבון את התוצאות של כל השילובים האפשריים ביניהם. כבני-אדם קשה לנו לחשוב על כל האפשרויות האלה, אבל למחשבים זה הרבה יותר קל".
 
קם, שהיה תלמיד מחקר לתואר שני בביולוגיה ובמתמטיקה, בהדרכתם של פרופ' הראל מצד אחד ופרופ' ירון כהן המחלקה לאימונולוגיה במכון ויצמן למדע מצד שני, זיהה מיד את הפוטנציאל של "תרשימי המיצוב" של פרופ' הראל בכל הקשור למערכות ביולוגיות. כמודל מבחן הוא בחר בתאי T, "לוחמי משמר הגבול" של המערכת החיסונית. אלה הם תאים שבין היתר מזהים פולשים זרים בגופנו ותוקפים אותם. תאים אלה נחקרו רבות בעבר, ובידי המדענים מצוי מידע רב מאוד עליהם ועל תכונותיהם השונות. פרופ' כהן הוא אחד מהמומחים הבולטים בעולם בכל הקשור לאורחם ורבעם של התאים האלה, אבל בכל זאת, בעת שנעמן קם החל להתעניין בנושא לא היה קיים "דבק" שיאפשר להרכיב מכל פיסות המידע הקיימות תמונה אחת ברורה ושלמה.
 
קם החל למפות את המידע ואת אפשרויות הפעולה באמצעות "תרשימי מיצוב", ובנה מודל המתאר כיצד כל אחד ממרכיבי המערכת משנה את מצבו הפנימי בתגובה למסרים הנשלחים על-ידי מרכיבים אחרים של המערכת, או למסרים המגיעים מהסביבה החיצונית. בעזרת כלי התוכנה הגרפי Rhapsody של חברתLogix-I , שנבנה סביב עבודתו של פרופ' הראל, הוא הריץ הדמיה (סימולציה)מלאה של המודל, ויצר קוד מחשב בשבילו באופן אוטומטי. המודל פעל היטב, פרט למגבלה חשובה אחת: לאחר שתאי ה- T בגוף עוברים שיפעול, הם יכולים לעבור למצב יציב הנקרא "זיכרון". אבל, במודל של קם, מצב ה"זיכרון" היה בלתי יציב, דבר שגרם לחזרתם של התאים למצבם המשופעל, באופן שלא תאם את המידע הניסיוני המוכר.
 
"כשהמודל לא מתאים למציאות, משמעות הדבר היא שמשהו חסר", אומר קם. "או שהמודל חשף צורך לענות על שאלה ביולוגית כלשהי, או שפיסת מידע כלשהי נזנחה אי שם". במקרה המדובר, לאחר שביצע חיפוש מקיף בספרות המדעית, הוא מצא פיסת מידע שבדרך כלל נעלמה מעיני המדענים, ונזנחה: תא ה- T מאבד קולטן מסוים כשהוא עובר ממצב משופעל למצב "זיכרון". לאחר שהמידע הזה הוזן למודל, התברר שהמודל אכן פועל היטב. המחקר זכה בפרס למאמר הטוב ביותר של סימפוזיון האיגוד הבין-לאומי של מהנדסי האלקטרוניקה ( IEEE ) לשפות חזותיות ושיטות פורמליות, באיטליה, בשנת 2001. 
 
עכשיו, במחקר לקראת קבלת תואר דוקטור מדרשת פיינברג של מכון ויצמן למדע, עובד קם על אחד מחלומותיה האולטימטיביים של הביולוגיה: תיאור מלא של התפתחות יצור חי, כשכל הגורמים המשפיעים על התהליך ויחסי הגומלין ביניהם מובאים בחשבון. בעבודה שאפתנית זו מנחים את קם פרופ' דוד הראל ופרופ' אמיר פנואלי מהמחלקה למדעי המחשב ומתמטיקהשימושית, ופרופ' ירון כהן מהמחלקה לאימונולוגיה במכון ויצמן למדע. במוקד המחקרניצבת תולעת קטנה הידועה בשם "סי אלגנס" ,C.elegans)) ולעת זו זכתה בתהילה כיצור הרב-תאי הראשון שהגנום שלו מופה במלואו ( 20,000 גנים - כמחצית ממספר הגנים המרכיבים את גנום האדם). מדוע זכתה התולעת הקטנה לכבוד הזה? מתברר, שיש לה לא מעט יתרונות שהופכים אותה למקפצה אפשרית להבנה טובה יותר של מערכות ביולוגיות בבני-אדם: היא שקופה, יש לה מספר תאים קבוע (959), היא מגיעה לבגרות תוך כשלושה ימים, ויש לה מחזור חיים קצר. ואם לא די בכל אלה, מחקרים רבים הראו שאנו, בני האדם, חולקים עם התולעת הקטנה הזאת לא מעט מאפיינים ביולוגיים. לפיכך, בעל-החיים הזה נחקר במגוון רב של תחומים, ממחקר הקשור לסרטן ועד לחקר ההזדקנות.
 
לא מפתיע, אפוא, שכמות הספרות המדעית המתארת את תכונותיה של התולעת הקטנה הזאת היא עצומה. קם החל לעבד את כל המידע הקיים בספרות על תהליך ההתפתחות של "סי אלגנס", אך לפניו עדיין דרך ארוכה. מחקר זה מתבצע בשיתוף עם שתי מעבדות בארה"ב החוקרות את תהליכי ההתפתחות של "סי אלגנס": מעבדתו של פרופ' מייקל שטרן מאוניברסיטת ייל, ומעבדתה של פרופ' ג'יין הברד מאוניברסיטת ניו-יורק. הברד ושטרן משמשים יועצים בכל הנוגע לאיסוף ועיבוד המידע, וכמו כן הביעו רצון לסייע בבדיקת מהימנות המודל בדרך של ביצוע ניסויים שיבדקו התנהגויות שהמודל ינבא. שיתוף פעולה זה החל בעת שפרופ' מייקל שטרן שהה במכון ויצמן למדע בשנת שבתון. 
 
כשמשימה זו תסתיים, יבואו בעקבותיה משימות נוספות, ואולי בסופו של דבר אכן ייבנה מודל מתמטי ממוחשב שידמה באמינות את תהליכי ההתפתחות של עוברי תולעת "סי אלגנס". בהמשך מקווים החוקרים שיום אחד יוכלו לשים גם את האדם "על המפה".

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם