<div>
Science Feature Articles</div>

המפתח

עברית

ממצאים חדשים עשויים לקדם שימוש רפואי בנגיפים

נגיף ערמומי הקרוי VSV מעורר את תמיהתם של מדענים זה זמן רב. מאחר שהוא אלוף בחדירה לתאים, משתמשים בו בתרפיה גנטית, ובעתיד, ייתכן שניתן יהיה לפתח באמצעותו שיטה לריפוי סרטן. אך למרות שחוקרים רפואיים עושים בו שימוש נרחב זה למעלה מ-30 שנה, נותר מנגנון הכניסה שלו לתאים בגדר תעלומה. מדעני מכון ויצמן פתרו כעת את החידה, כפי שדווח בכתב-העת של האגודה הלאומית האמריקאית למדעים (PNAS). 
מימין: שרה ברק, ד"ר דנית פינקלשטיין בקר, פרופ' מנחם רובינשטיין וד"ר דניאלה נוביק. תרפיה גנטית
 
נגיף ה-VSV נוח במיוחד לצורך מחקר וטיפול בחולים, מפני שהוא גורם למחלה בחיות משק, אך לעיתים נדירות פוגע בבני-אדם: הוא אמנם יכול לחדור בהצלחה רבה לתאים של בני אדם, אך בכל זאת אינו מזיק להם. משום כך, משתמשים בו באופן שגרתי בתרפיה גנטית, כדי להחדיר גנים לתאים. בנוסף, אולי ניתן יהיה להשתמש בנגיף זה לצורך ריפוי סרטן, מפני שהוא הורג תאים סרטניים באופן בררני.
 
לפני כ-20 שנה גילה פרופ' מנחם רובינשטיין, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, כי תאים שטופלו בחלבון האנטי-ויראלי אינטרפרון מפרישים חלבון מסיס, שהוא זהה לחלקו החוץ-תאי של הקולטן ל-LDL, "הכולסטרול הרע". הוא הניח, שהנגיף נכנס לתאים באמצעות התקשרות לקולטנים ל-LDL המצויים על פני השטח של התאים. אך בניסויים עם תאים חסרי קולטן ל-LDL התברר, שהנגיף בכל זאת מצליח להיכנס לתוכם.
 
במחקר החדש מצאה קבוצת חוקרים ממעבדתו של פרופ' רובינשטיין, ובראשם תלמידת המחקר דנית פינקלשטיין, ביחד עם ד"ר אריאל ורמן, ד"ר דניאלה נוביק ושרה ברק, כי ה-VSV אכן מתגנב לתאים דרך הקולטן ל-LDL. הנגיף מצליח לעשות זאת באמצעות מולקולות המצויות על פני השטח שלו, המחקות את LDL. מולקולות אלה משמשות כמין "מפתח גנבים", אשר פותח את "מנעול" הקולטן על פני השטח של התא.
 
אך כיצד נכנס הנגיף לתאים חסרי הקולטן ל-LDL? המדענים בדקו את ההשערה, כי נגיף ה-VSV נכנס לתא דרך מספר קולטנים; כלומר, לא רק דרך הקולטן ל-LDL, אלא גם דרך קולטנים נוספים שהמבנה שלהם דומה לשלו, והם שייכים לאותה משפחה, הקרויה משפחת קולטני ה-LDL. כדי לבחון אפשרות זו, הם ערכו ניסויים עם חלבון הנקרא RAP, אשר חוסם את כל הקולטנים במשפחת ה-LDL (אך משום מה אינו חוסם את הקולטן ל-LDL עצמו).
 
ואכן, כאשר הם טיפלו בתאים חסרי הקולטן ל-LDL בחלבון RAP, הנגיף כבר לא היה מסוגל לחדור לתוכם. במילים אחרות, הניסויים אישרו את ההשערה: VSV אכן נכנס לתאים בעיקר דרך הקולטן ל-LDL, אך גם דרך קולטנים אחרים ממשפחת ה-LDL.
 
הבנה חדשה זו עשויה להיות חשובה לפיתוח שיטות ריפוי לסרטן המבוססות על נגיף ה-VSV. תאי סרטן המעי הגס הם בעלי קולטני LDL רבים במיוחד, כך שהנגיף עשוי להרוג אותם באופן בררני.
 
בנוסף, ממצאי המחקר עשויים לשפר את התרפיה הגנטית: הגדלת מספר הקולטנים ל-LDL על פני השטח של תאי המטרה תקל על כניסת הנגיף הנושא את הגן הרצוי. ייתכן שניתן יהיה להשיג זאת באמצעות תרופות נגד כולסטרול מסוג הסטטינים, אשר פועלות באמצעות הגדלת מספר הקולטנים ל-LDL על פני השטח של התאים.   
מימין: שרה ברק, ד"ר דנית פינקלשטיין בקר, פרופ' מנחם רובינשטיין וד"ר דניאלה נוביק. תרפיה גנטית
מדעי החיים
עברית

המתמטיקה של הסרטן

עברית

מדעני המכון מציעים דרך מקורית להסקת מסקנות מ"ערימות" המידע הגנומי הקשורות לסרטן

רופאים השואפים להתאים טיפול אישי לכל חולה סרטן ניצבים בפני חוסר ודאות גדול. האם הגידול מתפתח במהירות? כמה "אלים" צריך הטיפול להיות? ואיזה טיפול עשוי להיות היעיל ביותר?

לשאלות האלה עדיין אין תשובות חד-משמעיות, וזאת למרות שבעשור האחרון הצטברו כמויות אדירות של מידע על הגנום האנושי, של אנשים בריאים וחולים כאחד. למעשה, כמות המידע האדירה היא חלק מהבעיה. סרטן הוא מחלה של גנים פגומים, אך לבני-אדם יש למעלה מ-20 אלף גנים, כך שרופא המנסה להגדיר גידול מסוים מבחינה גנטית מתמודד עם אתגר בעל ממדים עצומים.

מימין: ד"ר מיכל שפר, ד"ר יותם דרייאר ופרופ' איתן דומאני. טיפול יעיל
 
מדעני מכון ויצמן מציעים דרך מקורית ופשוטה יחסית להסקת מסקנות מ"ערימות" המידע הגנומי הקשורות לסרטן. פרופ' איתן דומאני וד"ר יותם דרייאר, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות, פיתחו אלגוריתם הקרוי Pathifier, שיכול לסייע לחוקרים ולרופאים לחזות את מהלך ההתפתחות של  גידול סרטני על סמך הפרופיל הגנטי שלו. כפי שדווח בכתב-העת של האגודה הלאומית האמריקאית למדעים (PNAS), הצליחו המדענים, יחד עם החוקרת הבתר-דוקטוריאלית ד"ר מיכל שפר, להשתמש ב-Pathifier כדי לזהות תת-סוגים של סרטן שלא היו ידועים קודם, שהם בעלי פרוגנוזות שונות.
 
כפי שמשתמע משמו, ה-Pathifier  מנתח מסלולים ביוכימיים (באנגלית pathways), כלומר שרשרות של תגובות ביוכימיות השולטות בחיי התא, שכל אחד מהם כולל כ-20 עד 30 גנים. כ-500 מסלולים כאלה ידועים למדע. בכל גידול סרטני, לפחות כמה מהמסלולים אינם מתפקדים כראוי. למשל, אם קיים שיבוש במספר מסלולים האחראים לצמיחת התא, הוא מתחלק ללא ריסון, וכך נוצר גידול אשר ממשיך להתפתח. מידת השיבוש של מסלולים שונים היא שונה בסרטנים שונים ובכל חולה וחולה.
 
Pathifier משווה מידע גנומי מתאים סרטניים ומתאים בריאים, ונותן "ציון שיבוש" לכל מסלול ביוכימי. הסכום של ציונים אלה מהווה את הפרופיל של הגידול. המדענים מאמינים, כי פרופיל זה יכול לעזור בהערכת מידת התוקפנות של הסרטן, מאפשר לחזות את סיכויי הטיפול בו באמצעות תרופה מסוימת, ואולי אף יוכל לסייע בזיהוי תהליכים ביוכימיים מרכזיים, שבעתיד יהוו יעד לשיטות ריפוי חדשות.
 
היות שהאלגוריתם החדש מתמקד במסלולים ובתהליכים ביולוגיים, הוא נותן תמונה אמינה יותר של תכונות הסרטן – לעומת שיטות העוקבות אחר גנים בודדים. "זה כמו לבחון מכונית באמצעות בדיקת פעילות המנוע, הבלמים ומערכות אחרות שלה, במקום לפרק אותה לגורמים בסיסיים ולהסתכל על כל החלקים והברגים בנפרד", אומר פרופ' דומאני. יתר על כן, השיטה היא אמינה, מפני שהיא מסתמכת על ניתוח מאגרים גדולים של מידע גנומי ממאות חולים. יחד עם זאת, השיטה גם יעילה, מפני שהיא מתמקדת במידע חיוני בלבד, ואינה מנסה לכלול מספר עצום של פרטים גנומיים.
 
במחקר החדש הפעילו המדענים את אלגוריתם ה- Pathifierלבחון סרטן מוח מסוג גליובלסטומה. ידוע ממחקרים גנטיים קודמים, כי חולים עם סוג מסוים של סרטן זה חיים זמן ממושך יותר מאשר אחרים. בהסתמך על הפרופיל של הגידולים הצליח האלגוריתם לבודד תת-קבוצה של חולים שאכן חיים זמן ממושך יותר, לעומת שאר החולים הסובלים מאותו סוג סרטן. בנוסף, באמצעות ה-Pathifier זיהו המדענים שלושה מסלולים ביוכימיים בסרטן המעי הגס, שמידת השיבוש שלהם יכולה לחזות את תוחלת החיים של החולים.
 
ה-Pathifier יכול לשמש ככלי מחקר אשר מאפשר למדענים לעבד באופן אמין מידע גנומי הקשור לסרטן. אך בעתיד הוא יוכל להוביל לפיתוח סמנים שיעזרו לרופאים לבחור טיפולים מתאימים לחולים שלהם. סמנים אלה יהיו מבוססים על מדידה של רמת כימיקלים שונים המעידים על פעילותם של מסלולים ביוכימיים מרכזיים. הרופאים יסתמכו על סמנים אלה כדי להעריך את פרופיל השיבוש של הגידול.  
הטבלה מרכזת את "ציוני השיבוש" של מאות חולים עם גידול במוח: כל שורה מתייחסת למסלול או תהליך ביוכימי, וכל עמודה – לדגימה מחולה מסוים. כל צבע מסמל מספר – ערך "ציון השיבוש" של המסלול הביוכימי, כפי שחושב עבור החולה. כחול כהה מצביע על פעילות נורמלית של המסלול הביוכימי ברקמת מוח בריאה, לעומת אדום כהה המצביע על סטייה חזקה מהתנהגות נורמלית. קבוצת הדגימות של תאי מוח מאנשים בריאים מופיעה כפס אנכי כחול כהה, המסומן TgS7, המופיע באמצע הטבלה. הפס המסומן TgS15 מתאר את תת-הקבוצה של חולים בעלי תחזית הישרדות לזמן ממושך יותר
 
 
הטבלה מרכזת את "ציוני השיבוש" של מאות חולים עם גידול במוח: כל שורה מתייחסת למסלול או תהליך ביוכימי, וכל עמודה – לדגימה מחולה מסוים. כל צבע מסמל מספר – ערך "ציון השיבוש" של המסלול הביוכימי, כפי שחושב עבור החולה. כחול כהה מצביע על פעילות נורמלית של המסלול הביוכימי ברקמת מוח בריאה, לעומת אדום כהה המצביע על סטייה חזקה מהתנהגות נורמלית. קבוצת הדגימות של תאי מוח מאנשים בריאים מופיעה כפס אנכי כחול כהה, המסומן TgS7, המופיע באמצע הטבלה. הפס המסומן TgS15 מתאר את תת-הקבוצה של חולים בעלי תחזית הישרדות לזמן ממושך יותר
מדעי החיים
עברית

עף על זה

עברית

מדעני מכון ויצמן למדע מדדו לראשונה פעילות של תאי עצב בעטלפים בזמן תעופה

יכולת הניווט וההתמצאות במרחב הכרחית להישרדות – היא זו שמאפשרת לבעלי-חיים למצוא מזון ומחסה, להתחמק מטורפים, ועוד. מחקר של ד"ר נחום אולנובסקי ותלמיד המחקר מיכאל ירצב ממכון ויצמן למדע, שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי Science, מגלה לראשונה כיצד מיוצג המרחב התלת-ממדי במוח של יונקים. המחקר בוצע באמצעות מערכת ממוזערת ייחודית, שפותחה במיוחד למטרה זו, אשר מאפשרת למדוד פעילות של תאי עצב בודדים בזמן תעופה.
מימין: ד"ר נחום אולנובסקי ומיכאל ירצב. ניווט בשלושה מימדים
 
השאלה - כיצד בעלי-חיים מתמצאים במרחב - נחקרה רבות, אך עד כה רק בהקשר דו-ממדי. ידוע, כי קיימים "תאי מקום", שהם תאי עצב השוכנים בהיפוקמפוס – מבנה מוחי שקשור בזיכרון, ובפרט בזיכרון מרחבי. כל אחד מתאי המקום אחראי על איזור מוגדר במרחב, ומשגר איתות חשמלי כאשר בעל-החיים נמצא באיזור זה. כך יוצרים כל תאי המקום, יחד, ייצוג מלא של המרחב כולו. אך למעשה, הניווט של בעלי-חיים רבים, ושל בני-אדם, נעשה במרחב תלת-ממדי. ועם זאת, ניסיונות להרחיב את היריעה משני ממדים לשלושה נתקלו בקשיים.
 
 
אחד הניסיונות הבולטים בתחום זה בוצע בשיתוף בין אוניברסיטת אריזונה לסוכנות החלל האמריקאית, נאס"א. במסגרתו שוגרו חולדות לחלל (במעבורת חלל). בסופו של דבר, הניסוי לא סיפק את הנתונים הדרושים, מאחר שהחולדות אמנם נעו בחוסר כבידה בחלל תלת-ממדי, אך למעשה הן רצו על
עטלף פירות ישראלי. צילום: ד"ר יוסי יובל/מכון ויצמן למדע
מסלול קווי, חד-ממדי. ניסיונות אחרים, שהשתמשו בהטלות של המרחב התלת-ממדי על משטח דו-ממדי, נכשלו גם הם. המסקנה הייתה, שכדי להבין תנועה במרחב תלת-ממדי, הכרחי לאפשר לבעל-החיים לנוע באופן שממלא את כל שלושת הממדים; כלומר, יש לחקור בעלי-חיים מעופפים.
 
ד"ר אולנובסקי בחר בעטלף פירות ישראלי – בעל-חיים שהוא נוח לניסויים, וגדול יחסית, ולכן אפשר לחבר אליו מערכות מדידה ורישום אלחוטיות, שאינן מפריעות לתנועתו החופשית. מאמץ הפיתוח של מערכת המדידה המתוחכמת נמשך מספר שנים, תוך שיתוף פעולה בין ד"ר אולנובסקי לבין חברה מסחרית בארה"ב. בסופו התקבלה מערכת אלחוטית קלה (משקלה 12 גרם, כ-7% ממשקל העטלף), ובה אלקטרודות המודדות את פעילותם של תאי עצב בודדים במוח העטלף. אתגר נוסף שעמד בפני המדענים היה התאמת התנהגותם של העטלפים למטרת הניסוי. באופן טבעי, העטלפים עפים ליעדם – לדוגמה, לעץ הפרי – בקו ישר, כלומר באופן חד-ממדי, ואילו לצורך הניסוי היה עליהם לעופף בחופשיות כך שימלאו נפח תלת-ממדי. הפתרון לבעיה נמצא במחקר קודם של ד"ר אולנובסקי, בו עקב אחרי עטלפי פירות בטבע באמצעות מכשירי GPS ממוזערים, וגילה, בין היתר, כי כאשר העטלפים מגיעים לעץ הפרי, הם מקיפים אותו ונעים באופן שממלא את כל החלל שסביב לעץ. כדי לדמות מצב זה במעבדה – שהיא מעין מערה מלאכותית המצוידת בציוד לניטור מלא של העטלפים – הותקן "עץ" מלאכותי עשוי מוטות מתכת, אליהם היו מחוברות קעריות עם פירות.
 
מדידת הפעילות של תאי עצב בהיפוקמפוס של העטלפים הראתה לראשונה, כי ייצוג המרחב התלת-ממדי במוח דומה לייצוג דו-ממדי: כל אחד מתאי המקום אחראי על זיהוי איזור מסוים בחלל ה"מערה", ומשגר איתות חשמלי כאשר העטלף נכנס לאיזור זה. אוכלוסיית תאי-המקום כולה יוצרת כיסוי מלא של נפח ה"מערה" כולה.
 
בדיקה מדוקדקת של האזורים עליהם אחראים תאי המקום העלתה פתרון לשאלה שנויה במחלוקת – האם קיים "שוויון" בתפיסת שלושת הממדים, לדוגמה, האם הרזולוציה של תפיסת הגובה במוח זהה לזו של האורך והרוחב. הממצאים מראים, כי האיזור עליו אחראי כל אחד מתאי המקום הוא כדורי, כלומר הרזולוציה אכן אחידה בשלושת הממדים. החוקרים מציינים, כי ייתכן שבבעלי-חיים שאינם מעופפים, אשר נעים למעשה במרחב שטוח, רמת הרזולוציה בצירים השונים אינה אחידה. ייתכן, לדוגמה, שבעלי-חיים כאלה צריכים להיות רגישים יותר לשינויים בציר האורך והרוחב, ופחות לשינויים בציר הגובה. לגבי בני-אדם זוהי שאלה מעניינת במיוחד, שכן מצד אחד הם התפתחו מקופים שמקפצים במרחב תלת-ממדי, מענף לענף, אך מצד שני, תנועתם האופיינית היא במרחב דו-ממדי.
 
מתוך ממצאי המחקר עולות תובנות חדשות לגבי התיפקודים הבסיסיים של המוח: ניווט, זיכרון מרחבי, ותפיסה מרחבית, וזאת במידה רבה בזכות פיתוח הטכנולוגיה החדשנית שאיפשרה לראשונה להציץ לתוככי המוח של חיה המעופפת באופן טבעי. ד"ר אולנובסקי מאמין, כי בטווח הארוך יפנה חקר המוח למחקר טבעי ככל האפשר, כלומר יחקור את הבסיס המוחי של התנהגות בעלי-חיים במתקני מעבדה בהם מחקים את התנאים בטבע, או אף כאשר הם מצויים בסביבתם הטבעית ממש, בזמן ביצוע מטלות טבעיות.   
דגכעגכע
עטלף פירות ישראלי. צילום: ד"ר יוסי יובל/מכון ויצמן למדע
מדעי החיים
עברית

דרכים צדדיות

עברית
"הביולוגים מקווים לגלות במחקריהם 'דוגמאות של ספרי לימוד', כלומר מקרים אופייניים, כלליים", אומרת ד"ר מאיה שולדינר מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית. כדי להדגים את דבריה, היא פותחת ספר לימוד בביולוגיה, ומצביעה על תרשים המתאר מסלול מולקולרי – סדרה של אינטראקציות בין מולקולות שמטרתו להביא חלבון מסוים, או תהליך מסוים, ממצב א' למצב ב'. מאחר שחלבונים רבים נוטים להשתמש במסלול מולקולרי אחד, דוגמאות כאלה "של ספרי לימוד" יכולות לחשוף תובנות חשובות לגבי אופן 

פעילותו של התא, ולהניחיסודות למחקרים ולתגליות נוספים.

מימין: צליל אסט, ד"ר מאיה שולדינר ומיכל ברקר. מבט על
 
אבל מאחורי דוגמאות של ספרי לימוד, טוענת ד"ר שולדינר, מסתתרת מציאות מורכבת בהרבה: "באופן כללי, המסלולים שמתגלים בשלב המוקדם של המחקר בתחום כלשהו נחשבים לחשובים ביותר. כאשר אנחנו מגלים חלבונים המשתמשים במסלולים אחרים, אנחנו נוטים להתייחס אליהם כאל יוצאים מהכלל. לעיתים קרובות מדענים אינם נעצרים כדי לשאול, כמה חלבונים משתמשים באמת במסלול זה או אחר".
 
ד"ר שולדינר ותלמידת המחקר צליל אסט החליטו, כי הגיע הזמן לעצור ולשאול את השאלה הזו. הסיבה לכך, בין היתר, היא קיומה של טכנולוגיה חדשה המאפשרת להן לבדוק כמות גדולה של חלבונים בבת אחת: הציוד המיקרוסקופי המתקדם והשיטות החישוביות בהן משתמשת ד"ר שולדינר, מאפשרים לה לגלות את המסלולים בהם משתמשים מאות חלבונים בתא, בחלקיק מהזמן שנדרש בעבר לבדיקת חלבון או שניים.
 
ד"ר שולדינר וצליל אסט בדקו את המסלולים בהם משתמשים חלבונים כדי להיכנס לתוך אברון תאי הקרוי "הרשתית האנדופלסמתית": סדרת קרומים מקופלים היוצרים מבנה מבוכי שבו החלבונים מתקפלים, נבדקים, ונשלחים ליעדם. החלבונים העוברים דרך אברון זה נשלחים בסופו של דבר אל מחוץ לתא: חלקם הם הורמונים ומולקולות איתות חיצוניות, וחלקם הם חלבונים אשר נעצרים בפני השטח החיצוניים של קרום התא ונשארים צמודים אליו – כמו קולטנים. החלבונים האלה הם שמאפשרים לתא לחוש בסביבה ולהגיב אליה, וכן לתקשר עם תאים אחרים. למעשה, כמעט בכל מחלה אנושית מעורבים חלבונים מופרשים. המסלול שבו נכנסים חלבונים לרשתית האנדופלסמתית, אשר התגלה בשנות ה-70 של המאה ה-20, נקרא SRP, והוא נחקר רבות. מסלולים אחרים שהתגלו מאז נחשבים לחסרי חשיבות, והם קרויים בפשטות "מסלולים שאינם תלויים ב-SRP".
 
הרשתית האנדופלסמתית. מקור: ניקול רג'ר, הקרן הלאומית למדע
האם מסלול SRP הוא אכן מסלול הכניסה העיקרי לרשתית האנדו- פלסמתית?המדעניות בדקו את כל החלבונים המצויים ברשתית האנדו- פלסמתית של תא שמרי אפייה – כ-1,300 חלבונים. התשובה הייתה ברורה: רק כמחצית מהם השתמשו במסלול SRP כדי להגיע לשם. היתר השתמשו במסלולים אחרים: חלקם זוהו בעבר והיו מוכרים, אולם הממצאים הצביעו גם על מסלולים נוספים, שאינם מוכרים. המדעניות גילו, כי לפחות לגבי שמרים קיימת חלוקה ברורה: החלבונים שמשתמשים במסלול SRP הם אלה שנשארים לאחר מכן קשורים לקרום התא, ואילו חלבונים שאינם משתמשים במסלול SRPמופרשים מהתא החוצה. מאחר שמסלולים אלה נשמרו היטב במהלך האבולוציה, ד"ר שולדינר מאמינה, כי חלוקה דומה מתקיימת גם בתאים של בני אדם. משמעות הדבר היא, שהחלבונים המשתמשים במסלולים האחרים כוללים חלבונים חשובים המופרשים אל מחוץ לתא, כמו הורמונים ומולקולות איתות.
 
בימים אלה מנסה הצוות ליצור תמונה שלמה יותר של המסלולים האלטרנטיביים. המטרה הסופית היא לזהות את כל המסלולים המולקולריים בהם משתמשים כל החלבונים היוצאים אל מחוץ לתא. המדענים מצפים, כי כתוצאה ממחקר זה לא יתקבל מודל פשוט ואידיאלי, אלא תמונה מורכבת וסבוכה, אשר תשקף בצורה מדויקת יותר את התנהגות החלבונים.
 
זו עלולה להיות בשורה רעה לכותבי ספרי הלימוד, אך בשורה טובה ליכולתנו להבין תאים חיים. "בסופו של דבר, אנחנו רוצים לקבל תמונה חדשה לגמרי של אופן פעילות התא", אומרת ד"ר שולדינר. "אנחנו רוצים שחוקרים יפסיקו לחפש מתחת לפנס של המודלים המקובלים, וירחיבו את הטווח כך שיכלול את כל האפשרויות".
 
 
 

חוקי התנועה

לאן בדיוק הולכים החלבונים המסתובבים ברחבי התא? מדענים המתעניינים בשאלה הזו יוכלו כעת לחפש את התשובה. ד"ר מאיה שולדינר ותלמידת המחקר מיכל ברקר יצרו באחרונה "אטלס" שימושי, המציג את השינויים במיקום חלבונים ובתפוצתם בתאי שמרים במצבי עקה. האטלס החדש – אליו תהיה גישה מקוונת – מציג עושר עצום של מידע חדש, והוא עתיד להיות כלי מחקר בעל חשיבות עבור מדענים רבים המשתמשים בתאי שמרים כמודל לפעולת התא החי.

 
תא שמרים. איור: מיכל ברקר
 
ד"ר שולדינר ומיכל ברקר התחילו את עבודתן בסוג מיוחד של ספריות – ספריות זנים. ספריות מסוג זה מכילות זנים של שמרים שבהם נעשו שינויים גנטיים מסוימים. תאים של שמרי אפייה מכילים 6,000 גנים, שכל אחד מהם מקודד ליצירת חלבון. בכל אחד מה"כרכים" שבספריית הזנים הונחה "סימנייה" – באחד הגנים בתא השמרים נעשה שינוי גנטי, אשר מחבר את החלבון המיוצר ממנו לסמן פלואורסצנטי, הזורח באור ירוק תחת מיקרוסקופ מיוחד. במעבדה של ד"ר שולדינר, המצוידת במיכשור מיקרוסקופי אוטומטי מתקדם, אפשר לבחון בבת אחת את כל זני השמרים שבספרייה. קיימים סוגים נוספים של ספריות, כולל כאלה שבהן בכל "כרך" נמחק אחד הגנים. ערבוב וצירוף של ספריות שונות מאפשר ליצור הרכבים גנטיים חדשים. לאחר מכן מתבצעת סריקה אוטומטית של המערך כולו באמצעות רובוט, כדי לגלות אילו חלבונים מיוצרים בכל מצב ניסויי נתון ואיפה הם נמצאים בתא.
 
המערך הייחודי הזה איפשר לד"ר שולדינר ולמיכל ברקר לעקוב אחר תנועתם של חלבונים – אחת השאלות הגדולות בביולוגיה של התא. לדברי ד"ר שולדינר, מידע מדויק על תנועתם ועל מיקומם של חלבונים בתא יכול לסייע לענות על מספר שאלות מחקר חשובות: כמה מחלבוני התא הם ניידים? באילו תנאים הם נעים? כיצד משתמש התא בתנועת חלבונים כדי לשמור על בריאותו, ולהוסיף להתחלק במיגוון מצבים ותנאים?
 
באמצעות חשיפת ספריות תאי השמרים לתנאים שונים והעברתן דרך המערכת הרובוטית, הצליחו החוקרות לעקוב אחר התנועה של כל אחד מהחלבונים בתאי השמרים. התוצאה: מפה שלמה ומפורטת המתארת את נתיבי התנועה של החלבונים, וכן תיעוד של כמויות החלבונים השונים הנוצרות במצבים שונים.
 
מבט-על בנתונים חושף תמונה של מהומה מתמדת בתאים: בכל זמן נתון נמצאים מאות חלבונים בתנועה. אולם, הנתונים שהתקבלו בניסוי לגבי כמויות החלבונים היו מפתיעים: ברבים מהמחקרים הנערכים בימינו נקבעות רמות החלבונים באמצעות ניסויים אשר בודקים למעשה את כמות האר-אן-אי-שליח (המולקולה אשר נושאת את ההוראות הסופיות ליצירת חלבון) – מהלך דומה לשימוש בתוכניות הבנייה, במקום בבניינים האמיתיים, כדי למפות עיר. אולם תוכניות עשויות שלא לצאת אל הפועל, או, לחלופין, אפשר לעשות בתוכנית אחת שימושים חוזרים. מעקב אחר החלבונים עצמם גילה למדעניות, כי כמויות האר-אן-אי-שליח וכמויות החלבונים אינן תמיד תואמות זו לזו. ד"ר שולדינר: "מחקרים רבים כבר הראו בעבר, כי ייצור החלבונים מבוקר בדרכים רבות גם לאחר השלב בו מולקולת האר-אן-אי עוזבת את גרעין התא. הממצאים החדשים שלנו רומזים, כי שלבי הבקרה האחרונים עשויים להיות חשובים יותר משסברו בעבר בכל האמור בקביעת רמת החלבונים בתא".
 
האטלס המקוון מכונה Loqate LOcalization and Quantization Atlas of the yeast proteome. "האטלס יכול לשמש מדענים המעוניינים לחקור שאלות ספציפיות, כמו: אילו חלבונים מעורבים בפעילות תאית מסוימת? מתי והיכן הם פועלים?", אומרת ד"ר שולדינר. "בנוסף, מדענים המעוניינים לקבל תמונה ברורה יותר של החיים בתא באמצעות שילוב סוגים שונים של מידע ימצאו בו כלי עזר חיוני". 
 
 
 

כוח חישוב

שיטות המחקר העכשוויות בתחום הביולוגיה המולקולרית קידמו אותה אל מעבר לא"ב של המחקר המדעי: העלאת השערה ובדיקתה באמצעות ניסוי. השימוש בציוד מהיר, בעל עוצמה, ואוטומטי לחלוטין, שבחלקו הגדול נבנה לפי צרכיה המיוחדים של ד"ר שולדינר, איפשר לה ולחברי קבוצתה לבחון את כל האפשרויות במקביל, ולמצות מהן מידע משמעותי. "בזכות הכלים האלה, המחקר משתחרר לחלוטין מהטיה", היא אומרת. "אם פעם התחלנו את העבודה בניחוש מושכל, לדוגמה, בהשערה שחלבון א' משפיע על חלבון ב', ולאחר מכן ניסינו להוכיח את ההשערה באמצעות ניסוי, עכשיו אנחנו יכולים לשאול 'אילו חלבונים מעורבים בפעילות של ב'?'. בזכות זה אנחנו עשויים לגלות שגם חלבונים ג', ד' ו-ה' משפיעים על חלבון א'. אם בעבר הקדיש תלמיד מחקר את כל עבודת המחקר שלו לבדיקת השערה מצומצמת, כיום הוא יכול לקבל תשובות לשאלות רחבות בתוך שבועות ספורים".

 
תא שמרים. איור: מיכל ברקר
מדעי החיים
עברית

מתנגדים להתנגדות

עברית
 
 
ד"ר ארז ברג. מוליכות-על
מוליכות-על מתבטאת בהיעדרה המוחלט של התנגדות למעבר זרם חשמלי בחומר. כך אפשר, תיאורטית לפחות, להעביר אנרגיה חשמלית למרחק רב ללא איבוד אנרגיה, לפתח מתקנים חשמליים שאינם מתחממים, ועוד. העובדה שמוליכי-על דוחים שדות מגנטיים מאפשרת, למשל, להפחית חיכוך בין פסי רכבת לגלגלי הרכבת, וכך לחסוך דלק, ולהניע את הרכבת במהירות עצומה. למעשה, מוליכי-על (כפי שקבע לארי ניבן) עשויים להסיר חסמים ולשנות לתמיד את פני המציאות הטכנולוגית.
הקושי העיקרי בפיתוח יישומים של מוליכות-על נובע מהעובדה שהתופעה הזאת מתחוללת בטמפרטורות נמוכות מאוד. מוליך-העל הראשון התגלה בטמפרטורה של ארבע מעלות קלווין (מינוס 269 מעלות צלסיוס). שביב תקווה משמעותי בתחום זה הגיע, כאשר בשנות ה-80 התגלו מוליכי-על קרמיים, שפועלים בטמפרטורה גבוהה (יחסית): מינוס 181 מעלות צלסיוס, ולאחר מכן אפילו מינוס 137 מעלות צלסיוס "בלבד". 
 
התקדמות המחקר בתחום זה הואטה משמעותית, מכיוון שאיש עדיין אינו מבין את הסיבות ואת המנגנונים שמביאים להופעת תופעת מוליכות-העל בטמפרטורות גבוהות יחסית. תיאוריה מקובלת מייחסת את התופעה להופעה של חלקיקים מיוחדים המכונים "צמדי קופר", המורכבים מצמדים של אלקטרונים אשר יוצרים יחד מעין חלקיק אחד, המתפקד כחלקיק נושא כוח (בוזון). בוזונים (בניגוד לאלקטרונים בודדים, שהם פרמיונים – חלקיקי חומר), יכולים לעבור סוג מסוים של עיבוי. העיבוי הזה הוא היוצר את תופעת מוליכות-העל.
 
כאן עולה השאלה: כיצד שני אלקטרונים, הנושאים מטענים חשמליים שליליים, ולכן דוחים זה את זה, מצליחים להיצמד עד כדי כך שהם יוצרים יחד גוף שמתפקד כחלקיק אחד? כאן צריך לזכור, שמדובר באלקטרונים הנעים במוליך מתכתי. כל אלקטרון בנפרד נמשך אל יוני המתכת החיוביים של המוליך. כוח משיכה זה מאלץ שני אלקטרונים שנצמדים אליו להיצמד זה לזה.
 
אבל ההסבר הזה מתאים להיווצרות של מוליך-על בטמפרטורה נמוכה. כיצד, אם כן, נוצרים מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה? מתברר, שהמעבר של חומר מוליך למצב מוליך-על מתחולל בקרבת ה"איזור" שבו החומר עובר ("מעבר פאזה") למופע אנטי-פרומגנטי, שבו הספינים של החלקיקים מסודרים במעין מבנה מרחבי מורכב, כאשר סכום הספינים, בממוצע, הוא אפס.
 
 שינויים קטנים יחסית בטמפרטורה או בלחץ של מוליך-על בטמפרטורה גבוהה יכולים להפוך את החומר ממוליך-על לאנטי-פרומגנט. הקירבה בין שני המופעים מרמזת, שקיים קשר מסוים בין תופעת מוליכות-העל לבין תופעת האנטי- פרומגנטיות. אבל המהות העמוקהשל הקשר הזה עדיין מהווה תעלומה.
 
אחת מהשאלות הפתוחות המשמעותיות בתחום זה היא: כיצד מופיעה התבנית של הספינים של האלקטרונים שמאפשרת היווצרות "זוגות קופר" בחומר אנטי-פרומגנטי? ניסיונות להבין את התופעה נתקלים בבעיה המוכרת בשם "בעיית הסימן", המופיעה במספר רב של בעיות במכניקה הקוונטית. ההסתברות של תהליכים פיסיקליים (כמו למשל תנועה של חלקיק בין שתי נקודות מסוימות במרחב) נתונה באמצעות סכימה של כל המסלולים בהם יכול תהליך זה להתבצע, כאשר לכל תהליך מצמידים מספר מרוכב. בבעיות בהן מעורבים חלקיקים רבים מאוד, כמו תנועת האלקטרונים במתכת, מספר המסלולים האפשריים לכל תהליך הוא אדיר. ישנן שיטות מתמטיות המאפשרות להעריך סכומים כאלה באמצעות הגרלת מספר קטן של מסלולים "מייצגים", שסכומם מאפשר להעריך את הסכום כולו. שיטה זו מכונה "שיטת מונטה קרלו", על-שם העיר שרבים בה בתי ההימורים. אולם, כאשר הסכום כולל מספרים חיוביים ושליליים שמסתכמים למספר קרוב לאפס, שיטת מונטה קרלו נכשלת, מכיוון שכל שגיאה קטנה בהערכת הסכום גורמת שגיאה גדולה – בסימן החיובי או השלילי - בתוצאה הסופית (הקרובה ממילא לאפס).
 
ד"ר ארז ברג, מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, פיתח מודל שמאפשר למצוא פתרון למקרה הפרטי של מעבר מתכת למצב אנטי-פרומגנטי (שבקירבתו מתחולל גם המעבר למצב מוליך-על). המודל מתמודד בהצלחה עם "בעיית הסימן" בכך שהוא מבטיח שכל איברי הסכום על מסלולי החלקיקים הם חיוביים. כך נותרת הבעיה של סיכום כמות גדולה מאוד של מספרים חיוביים ללא "בעיית הסימן". על כמות המספרים הזאת מפעילים המדענים את "שיטת מונטה קרלו", וכך מגיעים לסיכום המבוקש.
 
ניסויים ממוחשבים שבוצעו תוך שימוש במודל הזה, העלו תוצאות שמתאימות לתופעות פיסיקליות ידועות שונות. בעתיד מקווה ד"ר ברג לתכנן ניסויים מעבדתיים שיבחנו את המודל במציאות. 
 

אישי

ארז ברג נולד בחיפה. כילד, השתתף באולימפיאדה הבין-לאומית לפיסיקה, וחזר ממנה עם מדליית כסף. אחרי השירות הצבאי למד בתוכנית למצטיינים של הטכניון, כתב דוקטורט באוניברסיטת  סטנפורד, וביצע מחקר בתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת הרווארד. בשנת 2011 הצטרף לסגל המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע. הוא נשוי לבר, דוקטורנטית במדעי המחשב באוניברסיטת בר-אילן. בשעותיו הפנויות תמצאו אותו, בין השאר בחדר הכושר ובקולנוע "חן".
 
ד"ר ארז ברג. מוליכות-על
חלל ופיסיקה
עברית

נקודת תורפה

עברית
 
 
מימין: ד"ר רון דיסקין, אנסטסיה שולמן וד"ר הדס כהן-דבשי. שינויים מבניים נגיף ה-HIV, הגורם את מחלת האיידס, הוא אויב ערמומי: הוא פולש בדיוק אל התאים החיסוניים שאמורים להגן עלינו מפני זיהומים, מחליק לתוכם דווקא דרך "מערך הביצורים" שלהם, ומגייס לטובתו את מנגנוני התא כדי להשתכפל. כדי לזהות את התאים החיסוניים ולהדביק אותם, משתמש הנגיף בצברים חלבוניים המורכבים משלושה חלקים: אלה הם מבנים דמויי קוצים הממוקמים באופן אסטרטגי סביב המעטפת החיצונית של הנגיף. ד"ר רון דיסקין, שהצטרף באחרונה למחלקה לביולוגיה מבנית במכון, מספר כי צברים חלבוניים אלה נחקרו רבות, ועם זאת, למרבה הפלא, איש עדיין לא הצליח לפענח את המבנה התלת-ממדי של צבר שלם. הסיבה לכך היא, שהחלבונים מכוסים כמעט לחלוטין במולקולות של סוכר בעלות מבנה גמיש, אשר מקשות על הגישה לחלבון. אחת המטרות הראשונות שהציב לעצמו ד"ר דיסקין במעבדתו החדשה במכון ויצמן, היא למצוא דרך לפענח את המבנה האטומי של הצברים החלבוניים דמויי הקוצים.
 
מודל של נוגדן מסוג bNAb. אתרי הקישור נראים בתכלת, האיזורים המועדים למוטציות בוורוד
 
במחקרו הבתר-דוקטוריאלי במכון הטכנולוגי של קליפורניה חקר ד"ר דיסקין היבט אחר של הדבקה בנגיף האיידס: נוגדנים כנגד הנגיף אשר אנשים מסוימים מסוגלים לייצר באופן טבעי. אלה הם נוגדנים רחבי טווח המסוגלים לנטרל מיגוון רחב של נגיפי HIV, המכונים bNAbs. חלק מהאנשים שמייצרים נוגדנים כאלה לא יפתחו את מחלת האיידס, גם לאחר הדבקה בנגיף. למעשה, עצם קיומם של נוגדנים כאלה הוא תגלית מפתיעה: נגיף האיידס ידוע לשמצה בגלל יכולתו לחמוק מהמנגנונים האנטי-נגיפיים של המערכת החיסונית. הוא עושה זאת, בין היתר, באמצעות שינויים מהירים במבנה חלבוני המעטפת שלו, הנגרמים כתוצאה ממוטציות. שינויים מבניים אלה גורמים לכך, שנוגדנים המפגינים יעילות נגד צורה אחת של הנגיף יהיו חסרי תועלת נגד צורות אחרות. לעומת זאת, נוגדנים רחבי טווח תוקפים אתרים שמורים יחסית – כלומר כאלה שבהם לרוב לא מתרחשות מוטציות – על חלבוני המעטפת של הנגיף, ולכן שומרים על יעילותם כנגד טווח רחב של צורות שלובש הנגיף.
 
במחקר, שהתפרסם בכתב-העת המדעי Cell, בדקו ד"ר דיסקין ועמיתיו מה הופך את הנוגדנים האלה לייחודיים כל כך. הגישה שנקטו הייתה פיענוח תפקידן של המוטציות המצטברות בנוגדנים. ייצור נוגדנים מתרחש בדומה לתהליך אבולוציוני מהיר: בשלב ראשון נוצרים נוגדנים ראשוניים שבהם מיגוון גדול של מוטציות, המשפיעות על צורתם. נוגדנים אלה עוברים ברירה, אשר משאירה רק את הנוגדן שנקשר באופן הטוב ביותר לגורם המחלה. כך, כאשר המערכת החיסונית נחשפת לגורם מחלה במשך פרק זמן ממושך, היא ממשיכה לשכלל את כלי הנשק שלה. את תשומת ליבם של החוקרים משכה העובדה, שהנוגדנים האלה מכילים מספר גדול במיוחד של מוטציות ביחס לנוגדנים אחרים, וכי הם כוללים שינויים מפתיעים ברצף החלבוני במקומות לא צפויים על פני הנוגדן. בעוד שנהוג היה לחשוב כי מוטציות מתחוללות בעיקר באותם אזורים על פני הנוגדן הבאים במגע ישיר עם הפולש (שריבוי המוטציות בהם והמיגוון שלהן העניק להם את השם "אזורים משתנים"), נוגדנים רחבי טווח הכילו מוטציות גם באזורים הנחשבים "קבועים" – אלה שמעניקים לנוגדן את צורתו ואת מבנהו הכלליים.
 
 
נגיף ה-HIV. איור: המכונים הלאומיים לבריאות
 
כדי להבין את תפקידן של המוטציות הלא-רגילות, הינדסו החוקרים מחדש את הנוגדנים: הם החזירו חלק מהם למצבם הראשוני, והישוו אותם לנוגדן ה"בוגר" בעל המוטציות. ד"ר דיסקין ועמיתיו גילו, כי המוטציות באזורים הקבועים מעניקות לנוגדן יתרון משמעותי במלחמתו בנגיף האיידס. כך, לדוגמה, החלפה של חומצת אמינו יחידה באותו איזור בנוגדן שאינו נקשר לגורם המחלה, הקטינה את היציבות המבנית של הנוגדן, ובכך העניקהלו גמישות רבה יותר. החוקרים סבורים, כי גמישות זו מאפשרת לו להתאים את עצמו לצורות שונות של נגיפים.
 
לדברי ד"ר דיסקין, למחקר עשויות להיות השלכות יישומיות, הן לצורך פיתוח חיסון נגד איידס, והן בפיתוח אסטרטגיות חיסוניות נגד גורמי מחלות נוספים. בנוסף, הוא חושף עקרונות בסיסיים הנוגעים לאופן היווצרותם של נוגדנים. המדענים סבורים, לדוגמה, כי יצירת נוגדן יעיל, ובו קומבינציה נכונה של מספר כה גדול של מוטציות, עשויה לארוך מספר שנים. לכן, גם האנשים בני המזל, המייצרים נוגדנים רחבי טווח, יצליחו ליצור נוגדנים יעילים רק זמן ממושך לאחר שנדבקו בנגיף. בנוסף לכך, הגילוי כי מוטציות משמעותיות עשויות להיווצר גם באזורים מרוחקים מאלה בהם התמקדו מדענים עד כה, המפריך את התיאוריה המקובלת, חושף היבטים חדשים בתהליכי הייצור של נוגדנים ובאופן פעולתם, ולכן עשוי להיות רלבנטי עבור פיתוח חיסונים כנגד גורמי מחלות נוספים.
 
ד"ר דיסקין הוא קריסטלוגרף, כלומר, הוא חושף את המבנה התלת-ממדי של חלבונים באמצעות גיבושם לגבישים, הקרנתם בקרני רנטגן, ויצירת מודל מבני שלהם המבוסס על האופן בו הקרניים מתפזרות כשהן מוחזרות מהגביש. בנוסף לחשיפת המבנה של צברי החלבונים על מעטפת נגיף האיידס, במעבדתו שבמכון ויצמן הוא מתכנן לחקור חלבונים אחרים הבאים במגע עם נגיפים, יחסי גומלין בין חלבונים, וכן כיצד מתארגנים חלבונים בודדים ויוצרים מבנים גדולים ומורכבים. 
 

אישי

רון דיסקין נולד וגדל בירושלים, שם, באוניברסיטה העברית, גם רכש את השכלתו המדעית: תואר ראשון ושני במדעי החיים ובביוכימיה, ותואר שלישי בביולוגיה מבנית בקבוצתו של פרופ' עודד ליבנה. לאחר מכן יצא למחקר בתר-דוקטוריאלי במכון הטכנולוגי של קליפורניה. בשנת 2012 הצטרף לסגל המחלקה לביולוגיה מבנית במכון. מילדותו נמשך לטבע, וגם אהב לפרק דברים כדי לדעת איך הם עובדים. השילוב הזה הוביל לבחירה בהתמחות בביולוגיה מבנית, אשר עוסקת במבנה המולקולות כבסיס להבנה כיצד הן פועלות.
 
רון דיסקין מתגורר ברחובות עם אשתו, עדי, ועם שני ילדיהם: אביגיל, בת שלוש וחצי, ואיתמר, בן שנה. את זמנו הפנוי הוא מבלה בטיולים ובחיק טבע.
 
 
 
 
מימין: ד"ר רון דיסקין, אנסטסיה שולמן וד"ר הדס כהן-דבשי. שינויים מבניים
כימיה
עברית

מפרקים מחסומים

עברית

מדעני המכון פיתחו טיפול מקדים שמאפשר להסיר את הליגנין שבצמח מבלי לגרום נזק לסוכרים

בשורה העליונה: שחר יואב, ד"ר יואב ברק, סופיה גרסנר, מלינה שמשום, אמרנתה קהאן, ד"ר יונתן ארפי, יונתן ויינשטיין, ד"ר אוזגור גול. בשורה האמצעית: ורד רוימי, ד"ר ברקת דסה, פרופ' אד באייר (יושב), ד"ר שרה מוראיס, יונית בן-דוד, ליאור ארצי, רחל חיימוביץ, ד"ר דניאל פריד, ד"ר אורלי סלמה-אלבר, ג'ואנה שטרן. השורה התחתונה: יעל וזאנה, ד"ר מיכל סלוצקי. ידידותי לסביבה

את הביומאסה של צמחים ניתן להמיר לדלק נקי וידידותי לסביבה, אך המרה זו עדיין איננה מתבצעת בסדרי גודל גדולים, בין היתר בגלל עלותה הגבוהה. עם זאת, המחשה חזותית של התהליך ברמה אטומית עשויה לייעל את המרת הביומאסה - כך עולה ממחקר שביצעו מדענים ממכון ויצמן למדע ומהמעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת בארה"ב.
המחקר, אשר התפרסם בכתב-העת המדעי Science, אישר את הסברה, כי אחד המכשולים הגדולים בהמרת הביומאסה הוא הליגנין, הפולימר הקשיח אשר מחזק את הצמחים. ההמרה מתחילה בדרך כלל בטיפול מקדים, בו מרסקים את הליגנין בצורה מכנית, או הורסים אותו באמצעות כימיקלים. במחקר החדש פיתחו המדענים שיטה חדשנית, אשר איפשרה לראשונה לצפות בהרס הליגנין ברזולוציה של מולקולות ואטומים בודדים, באמצעות מיקרוסקופ לייזר מתקדם. התמונות הראו, כי הליגנין אכן מפריע לאנזימים לפרק מולקולות סוכר מורכבות בדפנות תאי הצמח. את מולקולות הסוכר האלה אפשר להפוך בהמשך לאתנול, סוג של דלק ביולוגי. בזכות גילוי זה איפיינו המדענים את הטיפול המקדים האידיאלי: יש להסיר את הליגנין מבלי לגרום נזק לסוכרים.
 
סיבי צלולוז בדופן תא צמח מוגדלים פי 50,000 באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי
המדענים הישוו בין שתי שיטות לפירוק סוכרים. שיטה אחת הסתמכה על אנזימים בודדים המופקים מפטריות. בשיטה האחרת נעשה הפירוק על-ידי הצלולוזום – צבר מולקולרי טבעי המורכב ממספר אנזימים, שבאמצעותו מפרקים חיידקים, פטריות ומיקרו- אורגניזמים אחרים את הצלולוז שבצמחים. המדענים גילו, כי האנזימים הבודדים חדרו עמוק יותר לתוך תאי הצמח, בעוד שהצלולוזום פעל בעיקר על פני השטח שלהם. הבנת המנגנונים הכרוכים בפירוק הביומאסה הצלולוטית עשויה לעזור לעצב מערכות אנזימים אשר יפרקו ביעילות גדולה יותר את הדפנות של תאי הצמח.
 
את הצלולוזום גילו לפני כשלושה עשורים פרופ' אד באייר מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן ופרופ' רפאל למד מאוניברסיטת תל אביב. במחקר הנוכחי שיתף פרופ' באייר פעולה עם מדענים מהמעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת בארה"ב, ביניהם ד"ר שי-יו דינג, שערך מחקר בתר-דוקטוריאלי במעבדתו של באייר בסוף שנות ה-90 של המאה הקודמת. ד"ר דינג וד"ר יו-סאן לי פיתחו את השיטות להמחשה החזותית של השפעות כימיקלים שונים על דופן תא הצמח, בטווחי רזולוציות שונים, שהגדול מהם גדול פי מיליון מהקטן ביותר: החל במילימטר וכלה בננומטר (מיליונית המילימטר). חברי הקבוצה הנוספים בארה"ב היו ד"ר מיכאל הימל, ד"ר יונינג זנג וד"ר ג'ון בייקר.
 
ממצאי המחקר עשויים לעזור לחוקרים לפתח טיפול מקדים מיטבי לביומאסה, ולשפר את פעילות האנזימים המפרקים אותה. שיפורים אלה יגדילו את תפוקת האתנול, ויפחיתו את עלות הפקת הדלק הביולוגי.
 
הערה היסטורית: הצלולוזום במחקר זה הופק מחיידק הקרוי Clostridium thermocellum, השייך לסוג החיידקים הקשורים היסטורית למכון ויצמן ולמדינת ישראל. ד"ר חיים ויצמן השתמש בחיידק אחר מאותו הסוג, Clostridium acetobutylicum – המכונה כיום "חיידק ויצמן" – כדי להפיק אצטון בזמן מלחמת העולם הראשונה. באחרונה גילו מדעני מכון ויצמן קישור נוסף בין עבר להווה: מחקרים גנטיים הראו, כי "חיידק ויצמן" מייצר צלולוזום משלו.
 

לאחר הסרת הליגנין, דפנות תאי צמח מפורקים על-ידי הצלולוסום. צילום תחת מיקרוסקופ
 
 
 
 
 
בשורה העליונה: שחר יואב, ד"ר יואב ברק, סופיה גרסנר, מלינה שמשום, אמרנתה קהאן, ד"ר יונתן ארפי, יונתן ויינשטיין, ד"ר אוזגור גול. בשורה האמצעית: ורד רוימי, ד"ר ברקת דסה, פרופ' אד באייר (יושב), ד"ר שרה מוראיס, יונית בן-דוד, ליאור ארצי, רחל חיימוביץ, ד"ר דניאל פריד, ד"ר אורלי סלמה-אלבר, ג'ואנה שטרן. השורה התחתונה: יעל וזאנה, ד"ר מיכל סלוצקי. ידידותי לסביבה
מדעי הסביבה

מזג אוויר מעולם אחר

עברית

מחקר חדש קובע חסמים לעומק הרוחות הנצפות על פני אורנוס ונפטון

 
 
 
 
ד"ר יוחאי כספי
בכוכבי-הלכת הענקיים אורנוס ונפטון שוררים תנאי אקלים קיצוניים: רוחות המנשבות במהירות של יותר מ-1,000 ק"מ בשעה, סערות דמויות הוריקן שקוטרן עולה על זה של כדור-הארץ, מערכות מטאורולוגיות עצומות אשר שורדות שנים רבות, וזרמי סילון מהירים. בשני כוכבי-הלכת, המסוּוגים כ"ענקי קרח", תנאי האקלים דומים, וזאת למרות שאורנוס נטוי על צידו, כך שבמהלך החורף פונה הקוטב שלו אל השמש. אפשר לצפות בפני השטח החיצוניים של הרוחות המנשבות על פני כוכבי- הלכת באמצעות טלסקופים, אבל כדי להבין לעומק את מערכות האקלים, יש לדעת מה מתרחש מתחת לעננים הנצפים; לדוגמה, האם מקור התבניות האטמוספריות הוא במעמקי כוכבי-הלכת, או שמא מדובר בתהליכים "שטחיים"? מחקר חדש של מדעני מכון ויצמן למדע, אוניברסיטת תל-אביב ואוניברסיטת אריזונה, אשר התפרסם באחרונה בכתב- העת המדעי Nature, קובע חסמים לעומק הרוחות הנצפות על פני אורנוס ונפטון.
 
אורנוס ונפטון הם כוכבי-הלכת המרוחקים ביותר במערכת השמש, ושאלות רבות הנוגעות לאופן היווצרותם ולהרכבם עדיין פתוחות, אך מחקר זה עשוי לתרום לפיזור המיסתורין. מלבד זאת, רבים מכוכבי הלכת שזוהו במערכות שמש אחרות הם בעלי מאסה דומה למאסות של נפטון ואורנוס, ולכן השלכות המחקר הזה עשויות לפרוץ את גבולות מערכת השמש, אל כוכבי לכת מרוחקים יותר.
 
כוכב-הלכת נפטון, כפי שצולם מרכב החלל "וויאג'ר 2" באוגוסט 1989 (צילום: נאס"א)
הבנת התהליכים האטמוספריים היא משימה מורכבת, בעיקר כאשר מדובר בכוכבי-לכת חסרי פני שטח מוצקים, בהם ההבחנה המקובלת בין מוצק, נוזל וגז אינה קיימת. מאז גילוי הרוחות האטמוספריות החזקות על פני נפטון ואורנוס, בשנות ה-80 של המאה שעברה, באמצעות החללית "וויאג'ר 2", נותרה השאלה הנוגעת לעומק של אותן רוחות בגדר תעלומה. פתרונה עשוי לתרום להבנת החוקים הפיסיקליים הקובעים את הדינמיקה האטמוספרית בכוכבי לכת, ואת המבנה הפנימי שלהם. חברי צוות המחקר, בראשות ד"ר יוחאי כספי מהמחלקה למדעי הסביבה וחקר האנרגיה במכון, הבינו כי הם יכולים לקבוע חסם עליון לעוביה של השכבה האטמוספרית, וזאת בהתבסס על שיטה ייחודית לניתוח השדות הכבידתיים של כוכבי-הלכת.
 
סטיות בחלוקת המאסה על כוכבי- הלכת גורמות תנודות בשדות הכבידתיים שלהם, תנודות שאפשר למדוד. לדוגמה, על מטוס אשר טס בסמוך להר גדול תופעל תוספת קטנה של כוח כבידתי, שמקורה במסת ההר. בדומה לכדור-הארץ, גם ענקי הקרח מסתובבים במהירות. למעשה, הם מסתובבים מהר יותר מכדור-הארץ: אורנוס משלים סיבוב סביב צירו מדי 17 שעות, ונפטון מהיר עוד יותר – הוא משלים סיבוב סביב צירו מדי 16 שעות. בגלל הסיבוב המהיר, הרוחות נושבות סביב האזורים בהם יש לחץ אטמוספרי גבוה או נמוך (בגוף שאינו מסתובב ינועו הרוחות מלחץ גבוה ללחץ נמוך). הודות לעובדה זו יכולים מדענים לקבוע את הקשר שבין חלוקת הלחצים והצפיפות לבין תבנית הרוחות על פני כוכבי-הלכת. באמצעות עקרונות פיסיקליים אלה הצליחו ד"ר כספי ושותפיו למחקר לחשב לראשונה את "טביעת האצבע" הכבידתית של תבניות הרוחות, וכך ליצור מפה כבידתית של שני כוכבי הלכת, המבוססת על נתוני הרוחות.
 
בהסתמך על מודלים פנימיים רבים ללא רוחות, אותם חישבה ד"ר רוית חלד מאוניברסיטת תל-אביב, הצליח הצוות, שכלל גם את פרופ' אדם שומאן וביל הבארד מאוניברסיטת אריזונה, ואת פרופ' עודד אהרונסון ממכון ויצמן למדע, לקבוע חסמים עליונים לתרומתם של גורמים מטאורולוגיים לשדות הכבידה אשר קובעים את עומק הרוחות בכוכבי-הלכת. כך הצליח הצוות להראות, כי זרמי הסילון שנצפו באטמוספרה מוגבלים ל"שכבת מזג אוויר" שעומקה אינו עולה על 1,000 ק"מ, אשר מהווה אחוז זעיר ממאסתם של כוכבי-לכת אלה.
 
בעתיד הקרוב לא מתוכננת שליחת חללית לנפטון או לאורנוס, אולם ד"ר כספי צופה שממצאי המחקר יסייעו בהבנת תהליכים אטמוספריים על ענק גז אחר, כוכב הלכת צדק. ד"ר כספי, ד"ר חלד ופרופ' הבארד משתתפים, במסגרת נאס"א, בצוות מחקר של החללית "ג'ונו", אשר שוגרה לצדק בשנת 2011. עם הגעתה לשם, בשנת 2016, היא תספק מדידות מדויקות של שדות הכבידה בכוכב-הלכת. ד"ר כספי משער, כי השיטות בהן השתמשו במחקר הנוכחי יאפשרו להסיק מסקנות דומות לגבי צדק, כלומר, להציב חסמים על עובי השכבה בה מתקיימים התהליכים הדינמיים של האטמוספרה.    
 
כוכב-הלכת נפטון, כפי שצולם מרכב החלל "וויאג'ר 2" באוגוסט 1989 (צילום: נאס"א)
מדעי הסביבה
עברית

דיכאון, סוכרת ומה שביניהם

עברית
אחת מתופעות הלוואי המוכרות של תרופות נוגדות דיכאון וחרדה מסוג מסוים, עמו נמנות, בין היתר, פרוזק וציפרלקס, היא השמנה. מחקר של מדעני מכון ויצמן למדע, בראשות פרופ' יחיאל זיק, מראה כי תרופות מסוג זה עלולות לתרום להתפתחות סוכרת. ממצאי המחקר רומזים, כי השימוש בתרופות מסוג זה מחייב משנה זהירות, בעיקר כשמדובר בחולי סוכרת או באנשים בעלי נטייה לפתח את המחלה.
 
מימין: שרינה שטרים, פרופ׳ רבקה פולק, איתי אפודי, פרופ׳ סנפורד סמפסון, ד״ר ירון ויניק, רועי יצחק, פרופ׳ יחיאל זיק, ד״ר איתן אלחנני, הדס שץ-אזולאי, ד״ר סיגלית בורה-חלפון. עמידות
 
יחסי הגומלין בין תרופות נוגדות דיכאון מהסוג המעכב קליטת סרוטונין (המכונות SSRI) לבין השמנה, מוכרים היטב: עיכוב הקליטה של המוליך העצבי סרוטונין (המצוי, לדוגמה, בשוקולד), אשר אחראי לתחושה טובה וגם להגברת תיאבון, בתאי העצב של המוח, גורם לכך שרמתו במוח עולה. כתוצאה מכך נגרמת אכילה מוגברת המובילה להשמנה. זו המגפה הגדולה של העשורים האחרונים, ונזקיה כוללים, בין היתר, סיכון מוגבר להתפתחות סרטן, מחלות לב, ובעיקר סוכרת, כלומר חוסר יכולת של הגוף לווסת את רמות הסוכר.
 
בנוסף להשפעתן על תחושת התיאבון במוח, ממצאים שהצטברו באחרונה מעידים על קשר ישיר יותר בין תרופות נוגדות דיכאון לבין סוכרת, משום שהן גורמות לעמידות לאינסולין: מצב שבו תאי הבטא שבלבלב – שהם בית החרושת לאינסולין – אינם מצליחים למלא את תפקידם. באופן נורמלי, עליית רמת הסוכר בדם מובילה להפרשת אינסולין מתאי הבטא, אשר דואג להכניס את הסוכר לתוך תאי הגוף. במצב של עמידות לאינסולין נדרשת כמות גדולה מהרגיל של אינסולין כדי להכניס את הסוכר לתאים (זהו מקור השם "עמידות לאינסולין"). עמידות זו עלולה להידרדר להתפתחות סוכרת – כלומר לחוסר יכולת של הגוף לווסת את רמות הסוכר. אם כך, כיצד בדיוק גורמות תרופות מסוג SSRI לעמידות לאינסולין?
 
צוות המדענים ממכון ויצמן למדע ביקש לבדוק את האפשרות, שתרופות אלה משפיעות ישירות על תאי הבטא שבלבלב. לשם כך הם בחנו מקרוב את שרשרת האירועים המתחוללת לאחר קשירת אינסולין לקולטן שלו על תאי הבטא. הקולטן, שהוא למעשה אנזים מזרחן, כפי שגילה פרופ' זיק במחקרו הבתר-דוקטוריאלי, בשנות ה-80 של המאה הקודמת, גורם לזירחון של חומצות אמינו מסוג טירוזין בחלבון מסוים (הקרוי IRS-2). בהמשך התגלה, כי זירחון זה הוא הראשון ברצף אירועים ביוכימיים המזרז את ייצור האינסולין ואת הפרשתו מתאי הבטא, ואחראי גם לשמירה על חיוניות גבוהה של התאים. לעומת זאת, במצב של עמידות לאינסולין, הנגרם בעקבות מצבי עקה או עודף של חומצות שומן בדם, נמצא כי מזורחנות חומצות אמינו אחרות, מסוג סרין, על החלבון IRS-2, וכך נגרם נתק בין שתי החוליות הראשונות בשרשרת, כלומר בין הקולטן לבין IRS-2, ושרשרת האירועים הביוכימיים מעוכבת. בעקבות זאת נדרשות כמויות גדולות במיוחד של אינסולין כדי שהמערכת תתפקד. כאשר העמידות מגיעה לדרגה קיצונית, שבה תאי הלבלב אינם מסוגלים לעמוד בעומס הכמויות הגדולות של אינסולין אותן הם נדרשים לייצר, ובשלב מסוים אף נהרסים ומתים, נגרמת סוכרת.
 
במחקר הנוכחי, שנעשה בתאי בטא של בני אדם ושל עכברים, גילו המדענים, כי בדומה למתרחש במצבי עקה, גם תרופות נוגדות דיכאון מסוג SSRI מפריעות לרצף האירועים המזרז את הפרשת האינסולין, וזאת באמצעות עיכוב החוליה הראשונה בשרשרת (כלומר, זירחון חומצות אמינו מסוג טירוזין, המצויה על IRS-2, על-ידי הקולטן לאינסולין). בהמשך גילו המדענים את המנגנון המדויק שבאמצעותומעכבות התרופות את IRS-2. מתברר, כי הן גורמות לזירחון האתרים המעכבים את פעילות החלבון – אותו מנגנון המופעל על-ידי עקה ועודף חומצות שומן בדם. ה"סוכן" שבאמצעותו משפיעות התרופות על IRS-2 הוא אנזים הקרוי GSK3β.
 
מלבד הפגיעה האנושה בתיפקוד תאי הבטא, התגלה כי התרופות נוגדות הדיכאון מובילות להרס של התאים, ובסופו של דבר למותם, באמצעות הפעלת מסלול "התאבדות" תאי (אפופטוזיס). הן עושות זאת באמצעות הפעלת שורה של אנזימים הגורמים לעקה ברשתית האנדופלסמתית – האברון התאי בו נוצרים החלבונים. כתוצאה מהעקה מצטברות ברשתית האנדופלסמתית כמויות גדולות של חלבונים לא תקינים. בסופו של דבר, כשהתא "מבין" כי אינו יכול לפתור את הבעיה, הוא מעדיף להתאבד – ולהקריב את עצמו למען שלמותו של האורגניזם כולו. תאי הבטא בלבלב הולכים ונהרסים, דבר שמפחית במידה ניכרת את רמות האינסולין בגוף ואת יכולתו לווסת את רמות הסוכר. ממצאי המחקר התפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Journal of Biological Chemistry.
 
פרופ' זיק: "תרופות מסוג SSRI מעודדות השמנה, וגם, כפי שהראינו במחקר הזה, מעודדות עמידות לאינסולין וגורמות להפחתה בהפרשת אינסולין. לכן הן עלולות להאיץ את ההידרדרות ממצב של עמידות לאינסולין למחלת הסוכרת. ייתכן כי בעקבות ממצאים אלה יהיה צורך לבחון את השימוש בתרופות אלה, ואולי לפתח דרכים שימנעו את ההשפעה המזיקה שלהן".
 
את המחקר ביצעו רועי יצחק, ד"ר סיגלית בורה-חלפון ודיאנה גורביץ, מקבוצתו של פרופ' זיק, במחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא, ביחד עם אלה שאינסקיה מהיחידה לשירותים ביולוגיים ופרופ' יחיאל לבקוביץ מהמרכז לבריאות הנפש "שלוותה".
מימין: שרינה שטרים, פרופ׳ רבקה פולק, איתי אפודי, פרופ׳ סנפורד סמפסון, ד״ר ירון ויניק, רועי יצחק, פרופ׳ יחיאל זיק, ד״ר איתן אלחנני, הדס שץ-אזולאי, ד״ר סיגלית בורה-חלפון. עמידות
מדעי החיים
עברית

קריאת אזהרה

עברית
מימין: ד"ר אנדרו קובלנקו, סאונג-הון יינג, פרופ' דוד ולך, ד"ר ביאטה טוט וד"ר טא-בונג קאנג
 
 
שבץ מוחי, התקפי לב ומחלות רבות נוספות גורמים להרס רב של תאים ורקמות, המכונה נמק (נקרוזיס). מדובר באירוע אלים: מותו של כל תא מלווה בקריעת הקרום ובשפיכה החוצה של חומרים הגורמים לדלקת, שכתוצאה ממנה נגרם נמק של תאים נוספים. מחקר חדש במכון ויצמן למדע עשוי לסייע בפיתוח תרופות ממוקדות, שימנעו את הרס הרקמות הנובע מדלקת ומנמק.
 
המחקר, שבוצע במעבדתו של פרופ' דוד ולך מהמחלקה לכימיה ביולוגית, התמקד בקבוצת אנזימים מעבירי אותות, ובהם האנזים קספאז 8, אותו גילה פרופ' ולך לפני כמעט שני עשורים. מחקרים קודמים בארה"ב, בסין ובאירופה הראו, כי קבוצת חלבונים זו מובילה לנמק "מתוכנת", כלומר מכוון מראש, המיועד להעלים תאים פגומים ונגועים. גילוי זה הוליד תקווה, כי ניתן יהיה למנוע הרס מוגזם של רקמות במחלות שונות - אם תימצא דרך למנוע מחלבונים אלה להוביל לנמק.
 
אך במחקר החדש, אשר פורסם בכתב-העת Immunity, משמיעה קבוצת המחקר של פרופ' ולך אזהרה. המדענים גילו, כי בתנאים המעודדים דלקת, כלומר בנוכחותן של מולקולות מסוימות שמקורן בחיידקים, או של איומים מולקולריים אחרים, עשויה אותה קבוצת אנזימים מאותתים להוביל בתאים מסוימים לתהליך אחר לגמרי. האנזימים יכולים לעורר שרשרת אחרת של תגובות ביוכימיות, שלא הייתה ידועה קודם, המובילה לדלקת בדרך ישירה יותר, ללא הנמק: היא מעודדת את יצירתם של חלבוני בקרה דומים להורמונים, הקרויים ציטוקינים. המחקר התבסס בעיקר על ניסויים בעכברים מהונדסים גנטית, שהאנזים קספאז 8 היה חסר בתאים חיסוניים מסוימים שלהם. החוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר טא-בונג קאנג תרם תרומה מרכזית למחקר זה. כמו כן השתתפו בו סאונג-הון יינג, ד"ר ביאטה טוט וד"ר אנדרו קובלנקו.
 
הממצאים מצביעים על כך, שכדי לפתח טיפולים ממוקדים למניעת הנמק, צריכים המדענים ללמוד יותר על האותות שמעבירים קספאז 8 והשותפים המולקולרים של אנזים זה. מאחר שאותות אלה עשויים להוביל לתופעות שונות לגמרי זו מזו, צריכים המדענים להגיע להבנה מתי בדיוק מוביל התהליך ישירות לנמק ומתי הוא אינו מוביל במישרין לכך. להבחנה זו יש חשיבות עצומה: נמק של רקמות מתרחש במיליארדי בני אדם הסובלים ממחלות רבות, החל משבץ והתקפי לב, וכלה בזיהומים נגיפיים ובניוון הכבד כתוצאה משתיית יתר של אלכוהול.
 
מימין: ד"ר אנדרו קובלנקו, סאונג-הון יינג, פרופ' דוד ולך, ד"ר ביאטה טוט וד"ר טא-בונג קאנג
מדעי החיים
עברית

עמודים