<div>
Science Feature Articles</div>

סגור על עצמו

עברית
פולוניוס: מה אתה קורא, נסיך?
המלט: מילים, מילים, מילים.
פולוניוס: ומהו העניין, נסיך?
המלט: בין מי למי?
פולוניוס: כוונתי לשאול, מהו עניינו של הספר שקורא הנסיך?
 
ויליאם שייקספיר, "המלט"
תרגום: אברהם שלונסקי

בני-אדם, לפי נועם חומסקי, נולדים כש"דקדוק פנימי", גנרטיבי ואוניברסלי טבוע בהם, ומאפשר להם לנהל תקשורת מילולית עם אנשים אחרים. תפיסה זו, שהייתה ועודנה שנויה במחלוקת, מקבלת חיזוק באמצעות תוצאותיהם של מחקרים בגנטיקה, שלפיהם מוטציות מסוימות בגן FOXP2 פוגעות משמעותית ביכולת לבנות משפטים נכונים מבחינה לשונית. אם אכן השפה נובעת מחוקים בסיסיים של הטבע (רצפים גנטיים, מבנה המוח ועוד), כי אז הדעת נותנת שאפשר לחקור את שורשיה בכלים של מדעי הטבע והמדעים המדויקים.
מימין: ד"ר צבי טלוסטי ופרופ' אלישע מוזס. דקדוק פנימי
 
אחת השאלות העולות בהקשר זה היא, האם מילון (המבאר מילים באמצעות מילים אחרות) עשוי ללמד משהו על חוקים אוניברסליים המונחים בבסיס השפה. פרופ' אלישע מוזס וד"ר צבי טלוסטי, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, יצאו לחקור את השאלה הזאת. יחד עם ז'אן פייר אקמן מאוניברסיטת ז'נבה, וסטודנט הקיץ דייוויד לב-ארי, הם החלו לשרטט את מפת הקשרים בין המילים במילון. כלומר, מכל מלה משרטטים קו המחבר אותה לכל אחת מהמילים הכלולות במשפט (או הפיסקה) אשר מסבירים את משמעותה, ומדגימות את שימושיה של אותה מלה.
 
למשל, במילון אבן-שושן מתוארת (או מבוארת) המלה "אהבה" כך: "חיבה עזה, רגש של משיכה גדולה או חשק למישהו או למשהו". כאן בא מספר רב יחסית של ציטוטי פסוקים ופתגמים, מקֹּהֶלֶת, דרך שיר השירים, ועד לתפילת שחרית. לפיכך, יש למתוח קו מהמלה "אהבה" אל המילים "חיבה", "עזה", "רגש", "משיכה", "חשק", וכך הלאה. לאחר מכן יש להפעיל אותו תהליך על כל המילים שהקווים הגיעו אליהן. כך נוצרת רשת המתארת את מארג יחסי הגומלין בין המילים שבמילון. אורך הקו הנמתח בין המילים מתאר את עוצמת הקשר ביניהן (קו קצר מתאר קשר חזק; ככל שהקו מתארך – הקשר נחלש).
 
בשלב מסוים מתמלאת ומושלמת הרשת המלאה של כל המילים במילון שלם. שכן גם אם המילון גדול מאוד, יחסית, הוא בכל זאת בעל גודל סופי, ולכן, בשלב כלשהו מתמלאת הרשת בין המילים הכלולות בו. הרשת הגדולה, המלאה, נחלקת לרשתות משנה, הקושרות מילים אשר משתייכות, במידה זו או אחרת, לאותו נושא, או לאותו עולם תוכן.
 

סוגרים מעגל

בחלק מהמקרים מגיעה רשת, שיצאה לדרכה ממילה מסוימת, לאחר מספר "צעדים", בחזרה אל מילת המוצא. במילים אחרות (אם מותר להשתמש בביטוי זה בהקשר זה), הרשת "נסגרת על עצמה", והסבר למשמעותה של המלה חוזר ומשתמש באותה מלה עצמה - "גבר הוא גבר". זו טאוטולוגיה למהדרין, אלא שבמקרה זה היא נובעת מעומק שורשיה הטבעיים של השפה. מתברר, שבמילון הכולל כ-100,000 מילים יש כ-6,000 מילים אשר חוזרות אל הנקודה שבה החל ההסבר. פרופ' מוזס וד"ר טלוסטי בדקו ומצאו, כי חלק ניכר ממילים אלו, ה"סגורות על עצמן" (ולעיתים רובן), כלולות בליבת השפה – קבוצת מילים קטנה יחסית (850 המילים של אוגדן באנגלית, או 2,136 המילים ה"חיוניות" ביפנית), שמי שיודע אותן ושולט בשימושיהן יכול לתקשר בשפה זו ביעילות.
 
מעגלים שחוזרים לנקודת ההתחלה שלהם מונחים בבסיס תופעת החיים. הדי-אן-אי, אשר מקודד את המידע הדרוש לבניית חלבונים, מושפע בעצמו מחלבונים המפעילים אותו ומבקרים את פעולתו.
 
המשפט המפורסם של קורט גדל (שאפשר לראות בו גרסה משוכללת של הפרדוקס של אפימנידס: "משפט זה אינו נכון"), אומר שבתוך מערכת פורמלית יכול להתקיים פסוק שאי-אפשר להוכיחו במסגרת המערכת. אם הטענה הזאת אינה נכונה, המערכת קורסת. אם היא נכונה, משמעות הדבר היא שלא כל דבר נכון ניתן להוכיח. הטיעון המעגלי הזה מזכיר את סמל האורובורוס – נחש הנושך את זנבו - שנוצר, ככל הנראה, במצרים העתיקה. האורובורוס ייצג מחזוריות, איחוד עם הטבע הבראשיתי, הבסיסי, העמוק.
 
אם הטבע מתנהל במעגלים, ואם השפה היא תופעת טבע במלוא מובן המלה, רק טבעי לצפות שבשפה יתגלו קשרים והקשרים אשר יוצרים לולאות, או מעגלים סגורים, שמסבירים מושג מסוים תוך שימוש באותו מושג עצמו.
 
המדענים אומרים, שתופעת הרשת במילון היא כה בסיסית, עד שלמעשה בכל פעם שרוצים להכניס מלה חדשה למילון כרוך הדבר – במוקדם או במאוחר – ביצירת רשת, או לולאה חדשה, המגדירה אותה. כשמילים נקשרות זו לזו באותה לולאה, בדרך כלל מתברר שהן הומצאו, ושולבו במילון באותה תקופה. הרשת, במובן זה, יוצרת "רשת קשר" בין המילים ש"נולדו" באותו מחזור.
 

המלה: מילון

ביוני 1857 נפגשו בלונדון שלושה ג'נטלמנים, ריצ'רד טרנץ', הרברט קולרידג' ופרדריק פורנויל, שהקימו את "ועדת המילים הבלתי-מתועדות", והחליטו לכתוב ("סוף סוף") מילון אנגלי מלא וראוי לשמו. תוכנית העבודה שהוכנה הייתה אמורה להימשך 10 שנים, אך בסופו של דבר התברר שהמלאכה מרובה מכפי ששיערו. רק אחר תהפוכות וחילופי עורכים הושלם "מילון אוקספורד" כעבור 72 שנות עבודה מאומצת, בהשתתפות מאות רבות של מתנדבים אשר שלחו ציטוטים ודוגמאות לשימושים ולמובנים של מילים רבות. בסופו של דבר נוצרה רשת של כ-1,800,000 ציטוטים שתיארו את אופן השימוש בכ-400,000 מילים וביטויים. לימים התגלה, כי המפורסם שבתורמי הציטוטים למילון אוקספורד, ויליאם מינור, היה רוצח מטורף. מינור, קולונל אמריקאי, רופא צבאי, לקה בהלם-קרב במלחמת האזרחים האמריקאית. הוא עבר להתגורר בלונדון, ושם, באחד מהתקפי הטירוף שלו, רצח אדם, ועקב כך הושלך לכלא. במסגרת תהליך השיקום הארוך שלו שלח ציטוטים רבים לעורך המילון באותה עת, ג'יימס מוריי. מערכת הקשרים המפתיעה והמורכבת בין העורך לתורם הבלתי-רגיל מתוארת בספר "הפרופסור והמשוגע" מאת סיימון וינצ'סטר.
 

 
מימין: ד"ר צבי טלוסטי ופרופ' אלישע מוזס. דקדוק פנימי
חלל ופיסיקה
עברית

שומר הראש

עברית
בעמקי לשד העצם חבויים תאים מיוחדים במינם. אלה הם תאי גזע של מערכת הדם, שבעת הצורך מסוגלים להתרבות ולהפוך למיליארדי תאי דם. בזכותם מצליח הגוף להתמודד, לדוגמה, עם הצורך המיידי בתאים חיסוניים בעת דלקת, או בכדוריות דם אדומות נוספות בעת טיפוס לגבהים. למרות שמדובר במצבי חירום דוחקים, אסור להזניח את החשיבה לטווח הרחוק: יש לשמור תמיד על מאגר של תאי גזע לא ממוינים, שיוכלו לתת מענה לאתגרים עתידיים. צוות מדענים, בראשותו של פרופ' צבי לפידות ממכון ויצמן למדע, גילה באחרונה "שומרי ראש" לא מוכרים, אשר מגינים בדרך ייחודית על אוכלוסיית תאי הגזע מפני התמיינות יתר. במאמר שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Immunology הם חושפים קבוצת תאים נדירה ולא ידועה בלשד העצם, ואת המנגנון שבאמצעותו היא מצליחה לשמור על תאי הגזע "צעירים לנצח".
פרופ' צבי לפידות. אתגרים עתידיים

תאי הגזע שבלשד העצם עטופים בתאים אשר יוצרים עבורם סביבה נוחה ומגינה, ומכוונים את התפתחותם באמצעות חומרים כימיים שונים – אלה הם התאים המזנכימליים. צוות המדענים, שכלל את החוקרת הבתר-דוקטוריאלית מקבוצתו של פרופ' לפידות, ד"ר איה לודין, את פרופ' סטפן יונג מהמחלקה לאימונולוגיה וחברי קבוצתו, וכן את זיו פורת מהיחידה לשירותים ביולוגיים, גילה כי מלבד התאים התומכים המוכרים, מצויה בלשד העצם גם תת-אוכלוסייה נדירה של תאים ממשפחת המקרופאג'ים. המקרופאג'ים מוכרים כ"בולעי החיידקים" של המערכת החיסון. המחקר הנוכחי מגלה, כי יש מקרופאג'ים מיוחדים בלשד העצמות שלהם תפקיד נוסף: כל מקרופאג' שכזה "מחבק" תא גזע הנמצא תחת אחריותו, ומונע ממנו להתמיין.

 

מקרופאג' (באדום) מחבק תא גזע (בסגול) ומייצר פרוסטגלנדינים (PGE2), אשר נקלטים על-ידי תא הגזע ומפעילים שרשרת של אירועים ביוכימיים. בנוסף, הפרוסטגלנדינים מגבירים את ההפרשה של חומר מעכב (בתכלת) מתאים מזנכימליים בלשד העצם (בירוק), ואת ביטוי הקולטנים לחומר זה (בצהוב) על תא הגזע.

בדיקה מעמיקה גילתה בפרטי פרטים את מנגנון השמירה על תאי הגזע. מתברר, כי המקרופאג'ים מפרישים חומרים הקרויים פרוסטגלנדינים, אשר נקלטים על-ידי תאי הגזע. שם, באמצעות שרשרת של אירועים ביוכימיים, הם מעכבים את התמיינותם של תאי הגזע ומשמרים את תכונותיהם הצעירות. במקביל לכך מפעילים הפרוסטגלנדינים מנגנון נוסף, באמצעות עידוד הפרשתו של חומר מעכב מהתאים המזנכימליים, והגדלת מספר הקולטנים לחומר זה על תאי גזע. כך הם מבטיחים ומשמרים את המצב הצעיר של התא. ידוע, כי תאים שאינם מתחלקים אינם ניזוקים בזמן טיפול כימותרפי. המחקר מספק הסבר נוסף לתופעה: מתברר, כי המקרופאג'ים שורדים את הטיפול הכימותרפי ואף מגבירים את הפרשת הפרוסטגלנדינים, וכך מתהדקת השמירה על תאי הגזע.

בעת דלקת, מוגברת פעילותם של המקרופאג'ים – כדי להבטיח מלחמה יעילה בחיידקים. במקביל לכך מוגברת גם הפעילות של המקרופאג'ים "שומרי הראש" שבלשד העצם, כדי לוודא שלמרות החלוקה וההתמיינות המוגברת של תאי הגזע, חלק מהם יישמרו תמיד במצבם הצעיר.

איור מציג תא גזע חבוק על-ידי מקרופאג' (בירוק) לצד חתך רוחב בכלי דם

מחקרים קודמים של פרופ' לפידות גילו, כי מתן פרוסטגלנדינים משפר את כמותם ואת איכותם של תאי גזע. התגלית אומצה ונבחנת על-ידי רופאים: תאי גזע מחבל הטבור (שמספרם נמוך, ולכן יש צורך להגביר את יעילותם בהשתלות בחולים בוגרים), המושתלים בחולי סרטן דם, עוברים טיפול מקדים בפרוסטגלנדינים, שמשפר את יכולת קליטתם בגוף. "המחקר הנוכחי רומז על אפשרות לשפר עוד יותר את התמיכה בתאי הגזע שבלשד העצם באמצעות הקשר בין תאי מערכת החיסון (מקרופאג'ים) לתאי הגזע", אומר פרופ' לפידות. "הבנת מנגנוני התמיכה בתאים אלה עשויה לשפר את סיכויי ההשתלה, במיוחד כשמדובר בהשתלת תאים מחבל הטבור".

 

פרוסטגלנדינים שומרים על תאי הגזע צעירים באמצעות הגברת הביטוי של חומר מעכב מתאים מזנכימליים בלשד העצם. החלבון הצבוע בירוק (משמאל) הוא סמן לתאים מזנכימליים. החומר המעכב צבוע באדום (במרכז). מימין: צביעה משולבת של שני החומרים. ניתן לראות כי טיפול בפרוסטגלנדינים (בשורה התחתונה) מגביר את ביטוי החומר המעכב

 
 
 
 
 
איור מציג תא גזע חבוק על-ידי מקרופאג' (בירוק) לצד חתך רוחב בכלי דם
מדעי החיים
עברית

דיאלוג בחשיכה

עברית
חסימות והצרות של כלי דם הן גורם ראשון במעלה למחלות נפוצות כמו יתר לחץ דם, התקפי לב ושבץ, המהוות גורם מרכזי לתמותה בעולם המערבי. צברים של שומן "מתיישבים" על דפנות העורקים, מצמצמים את זרימת הדם בהם, ובכך מונעים אספקת חמצן ומזון. הטיפול המקובל כיום לסתימות ב"צנרת" הוא פתיחה של ה"סתימה" באמצעות תרופות או תומכן (סטנט), או החלפה של ה"צינור" באמצעות ניתוח. במעבדה של ד"ר קרינה יניב במכון ויצמן למדע נוקטים גישה אחרת, כדי לנסות למנוע את הסתימה מראש.
מימין: ד"ר קרינה יניב, גיא מלקינסון, ענבל אברהם-דוידי, משה גרינשפן, לירון גיבס בר, עודד מייזלס ויונה אלי. דו-שיח
 
רמות גבוהות של LDL (משמאל) מגדילות את כמות הקולטן המדומה לגורם הגדילה VEGF, וכך פוגעות בצמיחה ובחיוניות של כלי הדם. רמות נמוכות של LDL (מימין) מקטינות את כמות הקולטן המדומה, וכך תורמות לצמיחה של כלי דם
כדי לעשות זאת, יש להבין במדויק כיצד נוצרות החסימות. בניגוד לצינור במטבח הביתי, אין מדובר בהצטברות פאסיבית של שומנים על דפנותיו. כלי הדם – כפי שגילתה ד"ר יניב – מסוגלים לחוש בשומנים המצויים בזרם הדם, ואף להגיב ולשנות את התנהגותם בהתאם לכמותם ולסוגם. למעשה, התהליך בו נוצרים גושי שומן על דפנות כלי הדם מתקיים תוך כדי דו-שיח בין תאי האנדותל, שמדפנים את כלי הדם, לבין צברי השומן. כתוצאה מדו-שיח זה, מאפשרים תאי האנדותל לצברי השומן לחצות את השכבה הפנימית של ה"צינור", ולהתמקם בנוחות בצדה החיצוני – שם נוצר גוש שומן שלוחץ על הדפנות וגורם להצרתן, וכך מוביל להתפתחות מחלות כלי דם.
 
במחקר שהתפרסם בכתב-העת המדעי Nature Medicine חשף צוות מדענים, בראשות ד"ר יניב מהמחלקה לבקרה ביולוגית, כיצד מושפעים תאי האנדותל מרמת השומנים שבדם. כדי שיוכלו להינשא בזרם הדם, ארוזים  השומנים במעין חלקיקים, אשר מכילים גם מולקולות חלבון ש"מחזיקות" אותם, ובהמשך מאפשרות את כניסתם לתאי הגוף. חלקיקים אלו, הקרויים Lipoproteins (חלבוני-שומן), נושאים גם כולסטרול, ומחולקים לשני סוגים עיקריים: LDL("כולסטרול רע"), ו-HDL ("כולסטרול טוב"). המחקר הנוכחי התמקד בחלקיקי LDL. בחלקיקים אלה כמות השומנים גדולה ביחס לכמות החלבון, והם ידועים כגורם סיכון מדרגה ראשונה להתפתחות מחלות כלי דם. "הרפואה מתייחסת רק לרכיבים השומניים שב-LDL, אך המחקר שלנו מראה, כי דווקא החלבון שמצוי בחלקיק ממלא תפקיד מכריע בדו-שיח עם תאי האנדותל", אומרת ד"ר יניב.
 
בשלב הראשון של המחקר, שנעשה בעוברים של דגי זברה, גילו החוקרים מוטציה הגורמת לייצור עודף של כלי דם – כמעט כפול מבדגים רגילים. התברר, כי הגן שנפגע אחראי לאריזה ולהפרשה של חלקיקי ה-LDL: הוא מחבר מולקולות שומן לחלבון נשא הקרוי ApoB, ומשגר את החלקיק המוכן לזרם הדם. כאשר הגן נפגע, הדגים אינם מייצרים "כולסטרול רע". מוטציה דומה קיימת גם בבני אדם. אנשים אלה אינם מייצרים LDL, ואינם סובלים ממחלות לב הקשורות לעודף שומנים בדם – כמו טרשת עורקים.
 

תצלום מיקרוסקופי של כלי דם בעוברי דג זברה. בדג המכיל המוטציה (בתמונה התחתונה) נוצרת צמיחה מוגברת של כלי דם, לעומת עובר דג רגיל (בתמונה העליונה)

כיצד בדיוק משפיע החוסר ב-LDL על תאי האנדותל שבכלי הדם? המדענים גילו, כי ירידה ברמת ה"כולסטרול הרע" מובילה לחלוקה מוגברת של תאי אנדותל, ואילו עלייה ברמת ה-LDL גורמת לעיכוב ביכולת שלהם להתחלק, לנדוד וליצור כלי דם חדשים. בדיקה מעמיקה חשפה, כי ה-LDL משפיע על תאי האנדותל באמצעות התערבות ישירה במנגנון מרכזי האחראי לחלוקתם – זה המופעל על-ידי גורם הגדילה VEGF. תאי האנדותל מכילים שני סוגי קולטנים לגורם הגדילה: קולטן "רגיל", שבתגובה לקשירת גורם הגדילה מוביל לחלוקה של התא, וקולטן "מדומה", אשר מתחרה עם הקולטן ה"רגיל" על הקישור לגורם הגדילה, אך קשירתו לגורם הגדילה אינה מלווה בתגובה, והוא משמש לבקרה ולוויסות. מתברר, כי רמה גבוהה של LDL גורמת לעלייה ברמת הקולטן המדומה, וכך מובילה לעצירת החלוקה של תאי האנדותל. לעומת זאת, רמות נמוכות של LDL גורמות לחלוקה מוגברת של תאי אנדותל, וליצירת כלי דם חדשים.
 
ממצאי המחקר מראים, כי החלבון ApoB, המשמש מרכיב ב"כולסטרול הרע", מהווה גורם מתווך מרכזי בהשפעת חלבוני השומן על תאי האנדותל, ובכך מוביל למחלות הקשורות בחסימת כלי דם. הבנת המנגנון שבו גורמים ApoB ו-LDL לפגיעה בתאי אנדותל תאפשר, אולי, בעתיד, להתערב בתהליך זה, ובכך לאפשר יצירת כלי דם שיעקפו את החסימות המסוכנות.

תצלום מיקרוסקופי של כלי דם בעובר דג זברה

 

 
 
מימין: ד"ר קרינה יניב, גיא מלקינסון, ענבל אברהם-דוידי, משה גרינשפן, לירון גיבס בר, עודד מייזלס ויונה אלי. דו-שיח
מדעי החיים
עברית

סיחרור מהיר

עברית
 
 
מימין: פרופ' יחיעם פריאור ופרופ' איליה אברבוך. תנע זוויתי
 
מספר סביבונים שמסתובבים בסמיכות מקום יתנגשו זה בזה תוך זמן קצר ויפסיקו להסתובב. אבל לפי חוקי הפיסיקה, אם סביבונים רבים מסתובבים יחד, באותו האופן בדיוק, ובמהירות גבוהה ביותר, תתרחש, בשלב הראשון, תופעה אחרת: הם עשויים להיכנס לתנועה סיבובית משותפת ואחידה סביב נקודה מרכזית. הניסיון לחולל את התופעה הזאת באמצעות סביבונים אינו מעשי, אולם מחקר של מדענים ממכון ויצמן למדע מראה כי אפשר לעשות זאת כאשר את מקום הסביבונים ממלאות מולקולות גז. לזרם סיבובי שכזה של מולקולות – מעין מערבולת של גז – עשויים להיות מספר יישומים בביו-רפואה ובמדעי הננו.
לעצמים מסתובבים יש תכונההנקראת תנע זוויתי, אשר מודדת את נטייתם להמשיך להסתובב. לפני מספר שנים הציעו פרופ' איליה אברבוך ופרופ' יחיעם פריאור, וחברי קבוצותיהם מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, כי אפשר להשפיע על התנע הזוויתי של מולקולות באמצעות דחפים (פולסים) קצרים ביותר של קרני לייזר. במעבדתו של פרופ' פריאור משתמשים בלייזרים ה"יורים" דחפים שאורכם אינו עולה על 50 פמטו-שניות (פמטו שנייה היא מיליונית מיליארדית השניה). דחפי לייזר קצרים אלה גורמים לקבוצות של מולקולות להסתובב בכיוון אחד.
 
תלמיד המחקר אורי שטייניץ, מקבוצתו של פרופ' אברבוך, ביקש לדעת מה קורה לאחר מכן, כשהתנועה הסיבובית נמשכת: האם המולקולות מתנגשות זו בזו, כמו סביבונים, ואם כן, כיצד זה משפיע על הסיבוב שלהן? חוקי הפיסיקה קובעים, כי התנע הזוויתי נשמר תמיד במערכת. כאשר מולקולות המסתובבות מתנגשות זו בזו, מהירות הסיבוב שלהן קטנה, וציר הסיבוב נעשה אקראי. ובכל זאת, התנע הזוויתי הכולל של כולן אמור להישמר. השאלה היא: היכן בדיוק?
 
כדי לגלות את התשובה לכך, השתמשו המדענים במערכת של גז דחוס, שבה כל המולקולות מסתובבות בכיוון אחד, וחישבו מה קורה כאשר המולקולות חוזרות ומתנגשות זו בזו.
 
כך התברר, שלאחר מספר מסוים של התנגשויות, התנע הזוויתי של מולקולות בודדות "הלך לאיבוד", אולם הוא "הופיע מחדש" במערכת, בקנה-מידה גדול יותר: מולקולות הגז שבמערכת החלו להסתובב ביחד במערבולת סביב נקודה מרכזית. גודלה של המערבולת עשוי לעלות פי מיליון על זה של מולקולה בודדת, והקצב שלה עשוי להגיע, באופן תיאורטי, לעשרות ואף למאות אלפי סיבובים בשנייה. בעוד שהתנע הזוויתי הלך והתפוגג בתוך המערכת, הרי שדחפים חוזרים של קרני לייזר הצליחו לשמור את תנועת הערבול של הגז.
 
ממצאים אלה ממחישים עיקרון שנצפה, בדרך כלל, במערכות גדולות הרבה יותר: סערות עזות, כמו לדוגמה ציקלונים, המתחילות כסדרה של מערבולות קטנות, מתנגשות זו בזו, ומצטברות לכדי מערבולת גדולה ואחידה.
 
מערבולות מולקולריות עשויות להיות שימושיות כאמצעי לשליטה בחלקיקים שונים. כאשר מערבולת מסתובבת, התנע שלה מושך מולקולות סמוכות אל תוך הנתיב שלה. אפשר אולי להשתמש בתכונה זו כבמכשיר להזזת חלקיקים קטנים (כמו למשל מולקולות ביולוגיות, שהזזה ישירה שלהן באמצעות קרן לייזר עשויה להזיק להן), מבלי לגעת בהן באופן ישיר. בנוסף לכך, בעתיד ייתכן שאפשר יהיה להפעיל התקנים מיקרו-נוזליים, המשמשים במחקר הביו-רפואי ובתעשיית התרופות.    
 
אילוסטרציה
 
 
סיחרור מהיר
כימיה
עברית

איזון עדין

עברית
 
פרופ' ורד רום-קדר. תעלומה רפואית
 
 
מספר תעלומות רפואיות עשויות למצוא פתרון דווקא בזכות מתמטיקה. מודל מתמטי חדש מציע הסבר אפשרי לזיהומים מיסתוריים מסוימים, כולל אלה המופיעים לעיתים לאחר טיפול כימותרפי, ואף מצביע על דרכים להימנע מתופעה לא רצויה זו.
 
המחקר, אשר התפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי Journal of Clinical Investigation, מהווה צעד חשוב בהתפתחות התחום הצעיר של רפואה מותאמת אישית. המחקר מלמד, כי לצורך הערכת הסיכון לזיהום, אין די בקביעת הכמות של תאי הדם החיסוניים, אלא יש לקבוע גם את איכותם, אשר משתנה מאדם לאדם, ולכן הוא עשוי להוביל לגישה אישית יותר לכימותרפיה. לדוגמה, לגבי חולים בסיכון גבוה יצטרכו הרופאים לנקוט אמצעים מוגברים כדי למנוע זיהום. מחולים בסיכון נמוך, לעומת זאת, אפשר יהיה לחסוך טיפולי מנע מיותרים. את המודל החדש פיתחו מתמטיקאים ממכון ויצמן למדע, בשיתוף עם רופאים מהמרכז הרפואי "מאיר" בכפר סבא וממרכז המחקר "הופמן לה-רוש" בבאזל, שווייץ.
 
המודל מסביר כיצד פועלת מערכת החיסון בתנאי נוטרופניה, כלומר רמה נמוכה של תאי דם לבנים, בעיקר מסוג נויטרופילים. במצב זה, הנוצר לעיתים קרובות לאחר כימותרפיה או השתלת לשד עצם, אך עשוי להיות גם מולד, עלולים להתפתח זיהומים חמורים אם מערכת החיסון אינה מצליחה לבצע את תפקידה החיוני: בליעה וחיסול של חיידקים.
 
המודל מראה, כי במצב של נוטרופניה, היחס הפשוט בין מספר התאים למספר החיידקים, או קביעת ערך סף מינימלי לכמות תאי החיסון, אינם מסבירים את יחסי הכוחות בין תאי החיסון לבין החיידקים. הסיבה לכך היא, שכאשר ספירת הנויטרופילים נמוכה, נכנסת מערכת החיסון של החולה למצב של איזון עדין – הקרוי, במונחים מתמטיים, "דו-יציבות". שינויים זעירים בריכוז החיידקים או במספר הנויטרופילים עשויים להפר מצב זה באופן דרמטי. גורמים נוספים אשר עשויים להשפיע במידה משמעותית על האיזון הם מידת היעילות של הנויטרופילים או מידת חדירות הרקמות לחיידקים – שעלולה לגדול בעקבות טיפולים כימותרפיים.
 
הדמיית זיהום בקטריאלי בשלושה חולים היפוטתיים הסובלים מנוטרופניה חמורה וזהה. בסיוען של תרופות, החולה בעל הנויטרופילים ה"חזקים" (P1) מסוגל להתגבר על הזיהום. לעומתו, החולה בעל הנויטרופילים ה"חלשים" (P4) אינו יכול להתגבר אפילו על זיהום חיידקי קל (כמו זיהום שמקורו במעיים)
 
כך, על-פי המודל, אצל אנשים בריאים אין חשיבות רבה לעובדה שתיפקוד הנויטרופילים משתנה מאדם לאדם. לעומת זאת, בחולים עם נוטרופניה עשויים הבדלים אלה לגרום להבדל בין חיים למוות. למשל, חולי סרטן מסוימים מפתחים זיהומים מסכני חיים אחרי כימותרפיה, למרות שהם מוחזקים בבידוד בתנאים סטריליים. מתברר, שאם הנויטרופילים שלהם "חלשים", די בכמות זעירה של חיידקים, כגון זאת הקיימת דרך קבע במעיים, כדי להטות את האיזון העדין לטובת החיידקים.
 
המחקר מסביר גם מדוע חולים מסוימים מפתחים זיהום חמור לאחר כימותרפיה או השתלת לשד עצם,  אפילו כאשר מספר הנויטרופילים שלהם חוזר לרמה נורמלית יחסית. כאמור,  הכימותרפיה גורמת לא רק להפחתה במספר הנויטרופילים ולהחלשת התיפקוד שלהם, אלא גם מגבירה את חדירותן של רקמות החולים לחיידקים. המודל מראה, כי כתוצאה מכך, בחולים מסוימים, עולה ריכוז החיידקים במהירות גבוהה כל כך,  עד כי אפילו חזרת הנויטרופילים לערכים הנורמליים אינה מצליחה להתגבר על החיידקים – אשר הספיקו בינתיים להתרבות בפראות. תסריט זה עשוי להסביר בעתיד גם את המקרים הנדירים בהם מתפתחים זיהומים חמורים בבני אדם בעלי מערכת חיסון רגילה. על-פי המודל, במקרים אלה עלולה התרבות מהירה של חיידקים אלימים במיוחד לגבור על פעילותם של הנויטרופילים, אפילו אם מספרם ויעילותם תקינים.
 
המודל מציע פתרון אפשרי לשני מקרים שנותרו עד עכשיו ללא הסבר. תינוק שטופל במרכז הרפואי מאיר בעקבות נוטרופניה מולדת הבריא, למרות שספירת הנויטרופילים שלו הייתה נמוכה מ-200 תאים למיקרוליטר דם. לעומת זאת, חולה סרטן בוגר נפטר כאשר ספירת הנויטרופילים שלו לאחר כימותרפיה עמדה על 380. המודל מסביר כיצד יכלו פרמטרים קליניים, כגון איכות ירודה של הנויטרופילים, להוביל למות החולה הבוגר, למרות העדיפות במספר הנויטרופילים שלו.
 
 
 
בנוסף, המודל עשוי לסייע בהבנת התפתחותם של זיהומים חמורים חוזרים בחולים מסוימים. רופאים מהמרכז הרפואי מאיר הצליחו לקבוע אבחון רק בשליש מתוך כאלף חולים שהופנו אליהם בעקבות זיהומים חמורים. המודל המתמטי של מדעני מכון ויצמן מציע, כי לפחות חלק מהמקרים הלא-פתורים נבע כנראה מצירוף של מספר פגמים אימוניים, כמו הבדלים בתיפקוד הנויטרופילים ותאים אימוניים אחרים.
 
המחקר התבסס על בדיקות שנערכו בדמם של ארבע מתנדבים בריאים. כדי ליישם את המודל בפרקטיקה יש לערוך ניסוי קליני מקיף. "המודל המתמטי שלנו גילה מנגנונים חדשים האחראים להבדלים במידת הפגיעות לזיהומים בין חולי נוטרופניה", אומרת ראש קבוצת המחקר, פרופ' ורד רום-קדר, מהמחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית במכון ויצמן.
 
את המחקר ביצעו חוקרים המשלבים תחומי התמחות באופן לא שגרתי. המתמטיקאית פרופ' רום-קדר מתמחה בחקר מערכות דינמיות. המחבר הראשון, ד"ר רועי מלכה, הוא מהנדס חשמל שביצע את המחקר במסגרת לימודי הדוקטורט שלו במכון ויצמן, וכיום מבצע מחקר בתחום דומה בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת הרווארד. את הרעיון למחקר הגה ד"ר אליעזר שוחט, אונקולוג בכיר, גם הוא בעל תואר דוקטור במתמטיקה ממכון ויצמן. כעת הוא עובד במרכז מחקר של חברת התרופות "הופמן לה-רוש" בבזל שבשווייץ. במחקר השתתפה קבוצה מהמרכז הרפואי "מאיר": פרופ' ברוך וולך, ראש המעבדה לתיפקוד לויקוציטים וראש הקתדרה לאימונולוגיית ילדים בפקולטה לרפואה על שם סאקלר באוניברסיטת תל אביב, ומנהלת המעבדה, רונית גבריאלי, שביצעה את הניסויים.
 
פרופ' וולך: "מהמחקר עולה, כי כדי להגיע לתוצאות אופטימליות בכימותרפיה או בטיפול בחולים עם זיהומים חוזרים, רצוי לבדוק גם את איכות הנויטרופילים של החולים ואת ריכוז החיידקים בהם. בדיקות כאלה יסייעו בהפחתת תחלואה ומוות, וכמו כן בהפחתת הוצאות אישפוז ומתן תרופות יקרות. יתרה מזאת, ייתכן כי בדרך זו אפשר יהיה לצמצם את השימוש באנטיביוטיקה, ובכך להפחית את התפתחותם של זני חיידקים העמידים לתרופות".   
 
פרופ' ורד רום-קדר. תעלומה רפואית
מתמטיקה ומדעי המחשב
עברית

מהירות התגובה

עברית
מימין: יובל שגם, יוליה נרייביצ'יוס, ד"ר איתי לברט-אופיר, ד"ר אד נרייביצ'יוס, אלון הנסון, סאשה גרסטן. מחסומים אנרגטיים
 
מדעני מכון ויצמן למדע ביצעו תגובות כימיות בטמפרטורה קרובה לאפס המוחלט בטמפרטורות נמוכות מאוד, קרוב לאפס המוחלט, תגובות כימיות עשויות להתחולל בקצב מהיר הרבה יותר משצופה הכימיה הקלאסית, מכיוון שבטמפרטורות אלה נכנסות לתמונה תופעות קוונטיות. צוות מדענים ממכון ויצמן למדע אימת את ההשערה התיאורטית הזו באופן ניסיוני. ממצאיהם לא רק מספקים תובנות חדשות ביחס לעולם הקוונטי שבו חלקיקים מתנהגים גם כגלים, אלא עשויים גם להסביר כיצד מתרחשות תגובות כימיות במרחבים הקפואים שבחלל.
 
תיאוריות ארוכות שנים גורסות, כי בטמפרטורות נמוכות גורמות תופעות קוונטיות ליצירתו של קשר כימי ארעי, אשר "מכריח" את האטומים והמולקולות המתנגשים להקיף אלה את אלה – במקום להתפזר ולהתרחק ממקום ההתנגשות.  לאטומים ולמולקולות המצויים בקשר מסוג זה יש הזדמנויות רבות יותר ליצור יחסי גומלין ולקיים תגובות כימיות. לפי השערה זו, גם תגובה כימית שסיכוייה להתחולל בעולם הרגיל קלושים, תוכל להתבצע בקצב מהיר יחסית בעולם הקר שבו מתקיימים הקשרים הכימיים הארעיים.
 
ד"ר אד נרייביצ'יוס, וחברי קבוצתו מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה, הצליחו באחרונה לבצע תגובה כימית בטמפרטורה של מאית המעלה מעל האפס המוחלט (0.01°K – קרוב למינוס 273°C). ממצאיהם התפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Science.
 
"בכימיה הקלאסית אנחנו חושבים על תגובות כימיות במושגים של התנגשויות בין כדורי ביליארד, רק  בסקאלה אטומית", אומר ד"ר נרייביצ'יוס. "על-פי התמונה הקלאסית הזו, מחסומי תגובה אנרגטיים מפריעים לכדורים להתקרב זה לזה. בעולם של הפיסיקה הקוונטית, לעומת זאת, הכדורים מסוגלים לעבור דרך המחסומים באמצעות מינהור, משום שבטמפרטורות אולטרה-נמוכות אלה הם רוכשים תכונות של גל".
 
המאמצים לצפות בתופעות קוונטיות במהלך תגובות כימיות התחילו לפני כמחצית המאה, בניסוייהם פורצי הדרך של דדלי הרשבך ויואן ט. לי, שמאוחר יותר זכו בפרס נובל. הם הצליחו לצפות בתגובות כימיות שנוצרות בעקבות התנגשות של שתי אלומות מולקולריות אולטרה-סוניות. ובכל זאת, התנגשויות אלה מתחוללות במהירויות יחסיות גבוהות, אשר  מתבטאות בטמפרטורת תגובה מעל 100°K – חם מכדי לאפשר התחוללות של תופעות קוונטיות. מאז אותם ניסויים חלוציים השתמשו מדענים במיגוון שיטות, כולל שינוי הזווית של האלומות והאטת מהירותן עד לעצירה מוחלטת. באמצעות שיטות אלה הצליחו להוריד את הטמפרטורה עד ל-5°K: קרוב יותר לאפס המוחלט, אך עדיין לא מספיק קר כדי לצפות בתופעות קוונטיות.
 
החידוש שהכניסו ד"ר נרייביצ'יוס וחברי צוותו - אלון הנסון, סאשה גרשטיין, יובל שגם וג'וליה נרייביצ'יוס - הוא מיזוג של שתי האלומות – במקום לגרום להן להתנגש זו בזו. אלומה אחת נוצרה ושוגרה בקו ישר, ואילו לאלומה השנייה הם גרמו להתעקם (באמצעות שדה מגנטי) עד שנעה במקביל לאלומה הראשונה. וכך,  למרות המהירות הגבוהה של האלומות, הייתה המהירות היחסית של החלקיקים הנפגשים זה עם זה נמוכה מאוד. כך עלה בידיהם להשיג טמפרטורה של מאית המעלה בלבד מעל האפס המוחלט. אלומה אחת הכילה אטומי הליום שעברו עירור, והאלומה השנייה הכילה אטומי ארגון או מולקולות מימן. בתגובה הכימית שנוצרה עברו אטומי הארגון או מולקולות המימן יינון, כלומר, הם שיחררו אלקטרונים.
 
כדי לבדוק האם תופעות קוונטיות באו לידי ביטוי במהלך היינון, בחנו המדענים את קצב התגובה באנרגיות שונות. המדידות הראו, כי באנרגיות התנגשות גבוהות שלטו החוקים הקלאסיים: קצב הריאקציה הלך ופחת עם ירידת הטמפרטורה; אבל כאשר הטמפרטורה ירדה מתחת ל-3°K,  סטו התוצאות מהתחזיות הקלאסיות הצפויות, וקצב התגובה החל לעלות ולרדת לסירוגין. מדידות אלה הוכיחו, כי בשלב זה נכנסה לתמונה תופעה קוונטית מוכרת - תהודה בעקבות מינהור: באנרגיות נמוכות מתחילים החלקיקים להתנהג כגלים, "זולגים" דרך מחסומי האנרגיה של התגובה, ועוברים התאבכות בונה עם גלים המוחזרים בעקבות ההתנגשות. באנרגיות מסוימות נוצרים באופן זה גלים עומדים, שמשמעותם היא שהחלקיקים נלכדים לפרקי זמן ממושכים במסלולים מעגליים זה סביב זה. בעקבות לכידה זו גדל קצב התגובה הכימית משמעותית.
 
"הניסוי שלנו הוא הוכחה ניסיונית ברורה לכך, שקצב של תגובה כימית עשוי להשתנות במידה דרמטית בטמפרטורות קרובות לאפס המוחלט", אומר ד"ר נרייביצ'יוס. "מעבר לתוצאות המפתיעות שהשגנו, הוכחנו כי השיטה שלנו מאפשרת מדידה סופר-רגישה של הדינמיקה של תגובות כימיות. דבר נוסף שעולה מהממצאים הוא, שהבנתנו לגבי התגובות הכימיות – ואפילו הפשוטות ביותר שבהן, כמו יוניזציה – רחוקה מלהיות מושלמת. עלינו לבחון מחדש את המודלים התיאורטיים הקיימים, וליצור מודלים טובים יותר. אנו מצפים כי השיטה שלנו תשמש לפתרון תעלומות רבות הכרוכות בתגובות כימיות, במיוחד באלה המתרחשות בחלל, שמטבען אכן יוצאות אל הפועל בטמפרטורות נמוכות ביותר".
 
 
מערכת הניסוי: שני נחירים מהן יוצאות אלומות אולטרה-סוניות של אטומי הליום מעוררים (בכחול) ושל אטומי ארגון או מולקולות מימן (באדום). האלומה הכחולה עוברת במתקן מגנטי (בצהוב) הגורם לה להתעקם, ומתמזגת עם האלומה האדומה – אז אטומי הארגון או מולקולות המימן עוברים יינון, ונכנסים לתוך הגלאי. בתמונה למעלה נראה חתך רוחב במתקן המגנטי
 
 

 
 
מימין: יובל שגם, יוליה נרייביצ'יוס, ד"ר איתי לברט-אופיר, ד"ר אד נרייביצ'יוס, אלון הנסון, סאשה גרסטן. מחסומים אנרגטיים
כימיה
עברית

עקרון הרצף

עברית
בבית החרושת הרוחש שבתא, שבו, בכל רגע נתון, מופעלים גנים והופכים לחלבונים, שמור מקום של כבוד לחלבון NF-kappaB. חלבון זה מפקח על הייצור של גנים רבים הנחוצים לתפעול השוטף של התא. אך בעוד שהשפעתו של NF-kappaB על תאים בריאים היא ארעית ומתוזמנת לפי הצורך, הרי שבמקרי דלקת כרונית ובסוגי סרטנים מסוימים נעשית הפעילות שלו קבועה. מצב כזה של פעילות רציפה תורם להתפשטותם של תאים סרטניים יוצרי גרורות, וכן להגברת העמידות של גידולים לטיפולים כימותרפיים.
פרופ' רבקה דיקשטיין. פעילות רציפה
NF-kappaB משפיע ישירות על צמיחת גידולים באמצעות דיכוי תהליך המוות המתוכנת של תאים (אפופטוזיס), וכן באמצעות השפעה על תהליכים תאיים שגורמים לגדילה בלתי-מבוקרת. ממצאים אלה הפכו את NF-kappaB ואת המסלולים שהוא מפעיל למטרות מרכזיות לטיפול תרופתי בסרטן.
 
רבים מהמחקרים מתמקדים בשלב ההתחלתי, שבו, בתגובה לאותות חיצוניים מסוימים, NF-kappaB נכנס לפעולה, ועובר מהציטופלסמה של התא אל הגרעין. פרופ' רבקה דיקשטיין, מהמחלקה לכימיה ביולוגית, בוחנת דווקא את השלב האחרון בשרשרת הפעילות שלו, כלומר, את האופן בו הוא גורם לביטוי של גנים מסוימים. עם אלה נמנים למעלה מ-100 גנים שזוהו עד כה, שמהם מיוצרים, בין היתר, חלבונים המעורבים בדלקת ובגדילה של תאים. בנוסף, NF-kappaB משפעל גנים שמטרתם העיקרית היא להפסיק את פעילותו שלו, באמצעות מנגנון של משוב שלילי. מחקרים קודמים שלה קבעו כיצד מצליח NF-kappaB להפעיל גנים במהירות רבה כל כך בתגובה לאותות חיצוניים, בעיקר אותות המאיימים על הישרדותו של התא. בנוסף, היא חוקרת כיצד משפיע NF-kappaB על שיעתוקם של הגנים שהוא מפעיל.
 
השיעתוק הוא השלב הראשון והחשוב בתהליך התבטאותם של גנים. הוא כולל מספר שלבים עיקריים: איתחול, הארכה (כלומר ייצור מולקולת אר-אן-אי), עיבוד וסיום. פרופ' דיקשטיין גילתה, כי ה-NF-kappaB מבקר בעיקר את השלב השני, שלב ההארכה. הוא ממלא תפקיד של "מנהל", אשר מגייס קבוצה של "עובדים" להיכנס לפעולה. התוצאה של המאמץ המשותף של כל הגורמים האלה היא עלייה משמעותית בכמות מולקולות האר-אן-אי, המוכנות לקראת תרגומן לחלבון פעיל.
 
פרופ' דיקשטיין ותלמיד המחקר גיל דיאמנט גילו באחרונה מנגנון בקרה לא מוכר אשר מציע הסבר אפשרי לפעילות הרצופה והלא רצויה של NF-kappaB במקרים של דלקת כרונית וסרטן, בו מעורב אחד החלבונים מ"צוות העובדים" של ההארכה, הקרוי DSIF. החוקרים גילו, ש-DSIF קשור למנגנון המשוב השלילי, וכי הוא מתאם בין שלב ההארכה לשלב העיבוד: ביחד עם NF-kappaB הוא מקדם את הביטוי של קבוצת גנים שתפקידם הוא להפסיק את פעילותו של NF-kappaB. תאים שבהם הגן DSIF אינו קיים, או שפעילותו מופרעת, הם בעלי סיכון מוגבר להראות פעילות לא מבוקרת של NF-kappaB הקשורה להתפתחות מחלות. ממצאי המחקר התפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי  Cell Reports.
 
לממצאים אלה עשויה להיות משמעות יישומית ישירה למאבק במחלת הסרטן. NF-kappaB מעורב בשורה ארוכה של תהליכים ביולוגיים, ולכן, ניסיון להתערב באופן ישיר בפעילותו עלול לגרום פגיעה בגנים רבים, ולפיכך לתופעות לוואי רבות. תוצאות המחקר רומזות על אפשרות להתערבות עקיפה באמצעות גורמים אחרים, כמו DSIF, שהשפעתו מוגבלת למספר מצומצם יותר של גנים, ולכן הוא עשוי להבטיח טיפול בררני יותר, ולהפחית את תופעות הלוואי.
מדעי החיים
עברית

קוצו של יו"ד

עברית
לפני מספר שנים גילו פרופ' מייק פיינזילבר וחברי קבוצתו, מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, תגלית מפתיעה: משפחת חלבונים, הקרויים אימפורטינים, שעל-פי הסברה המקובלת נמצאים אך ורק בסמוך לגרעין התא, התגלו גם בקצותיהם המרוחקים של התאים הארוכים ביותר: תאי עצב של מערכת העצבים ההיקפית. תאים אלה יוצרים שלוחות – הקרויות אקסונים – שאורכן יכול להגיע עד לאורך של מטר באדם בוגר.
מימין: רותם בן-טוב פרי, מאיר רוזנבאום ופרופ' מייק פיינזילבר. שלוחות
התפקיד העיקרי של האימפורטינים הסמוכים לגרעין היה ידוע: חלבונים אלה מובילים חומרים שונים אל תוך גרעין התא והחוצה ממנו, דרך הקרום המגן על הגרעין. פרופ' פיינזילבר וחברי קבוצתו הראו, כי גם האימפורטינים שבאקסונים, המרוחקים מגרעין התא, ממלאים תפקיד בהובלה, אם כי מסוג שונה: כאשר תא העצב נפגע בנקודה כלשהי לאורך האקסון, מתגייסים האימפורטינים לעזרה ומתפקדים כמעין "מערכת התראה", אשר מסיעה את אותות המצוקה ליעדם - גרעין התא.
 
תגלית זו העלתה שאלה מעניינת: כיצד מגיעים האימפורטינים לאקסונים? עדויות ראשוניות הצביעו על האפשרות שאחד האימפורטינים החשובים, הקרוי אימפורטין בטא-1, מיוצר בדיוק בזמן ובמקום בו הוא נדרש: לאחר פגיעה בתא העצב הוא נוצר באקסון עצמו, בסמוך למקום הפגיעה. עדויות אלה עמדו בסתירה לסברה שהתבססה בעקבות שנים ארוכות של מחקר מדעי, כי חלבונים אינם מיוצרים בשלוחות אקסונליות של תאי העצב, אלא בגוף התא בלבד. סברה זו התבססה, בין היתר, על העובדה שבשיטות מיקרוסקופיות היה קשה לגלות ריבוזומים (בתי חרושת לחלבונים) באקסונים.
 
יישוב הסתירה אינו משימה פשוטה: השיטות המקובלות להשתקת גנים –במטרה ללמוד את תפקידם – אינן יעילות במקרה זה, שכן האימפורטינים הם חלבונים חיוניים להישרדות התא ובעל החיים כולו. במחקר של רותם בן-טוב פרי, תלמידת מחקר משותפת בקבוצתו של פרופ' פיינזילבר ובקבוצתו של ד"ר אברהם ירון, התגלתה אפשרות להבחין בין חלבון האימפורטין בטא-1 שבגוף התא לבין אחיו שבאקסון: התברר, כי מולקולת האר-אן-אי-שליח המקודדת לחלבון שבאקסון מכילה פיסה נוספת, שאחראית לשליחת האר-אן-אי לאקסון, ולכן היא ארוכה יותר. כדי לפגוע באופן ספציפי בחלבון זה השתמשו המדענים, ביחד עם פרופ' ג'ף טוויס מאוניברסיטת דרקסל שבפילדלפיה, בטכנולוגיות מדויקות למחיקת גנים. במקום למחוק את הגן במלואו, הם הסירו רק את פיסת האר-אן-אי הנוספת. כך לא נפגע האימפורטין בטא-1, אשר נוצר בגוף התא וחיוני להישרדות העובר.  
 
העכברים המהונדסים שנוצרו בדרך זו אכן ייצרו כמויות תקינות של אימפורטין בטא-1 בגוף תאי העצב, אך לא באקסונים. לעכברים אלה נדרש פרק זמן ארוך יותר כדי להתאושש מפגיעה עצבית, וגם הגנים המופעלים בדרך כלל בתגובה לפגיעה כזו הראו הפעלה נמוכה יחסית. כל העדויות הצביעו על כך שהאימפורטין בטא-1, אשר מדווח לתא העצב על פגיעה, אכן מיוצר באופן מקומי באקסון.
 
פרופ' פיינזילבר: "בניסויים אלה הצלחנו, זו הפעם הראשונה, להראות שעיכוב בהובלה של אר-אן-אי-שליח מסוים לאקסון גורם להיעלמות של החלבון המקודד מהאקסון. המחקר מוכיח באופן חד-משמעי, כי האימפורטין בטא-1 מיוצר באקסונים,  ומאשר את התפקיד החיוני שממלאים חלבונים אלה בשיקום של תאי עצב". הממצאים, שהתפרסמו באחרונה בכתב העת Neuron, עשויים להצביע על דרכים לטיפול יעיל יותר בפגיעות עצביות,  ולהאצת השיקום של תאי עצב פגועים.
מימין: רותם בן-טוב פרי, מאיר רוזנבאום ופרופ' מייק פיינזילבר. שלוחות
מדעי החיים
עברית

בין שתי מולקולות

עברית
 
 
אוכלוסיית חיידקים שחיה בקרקעיתו של אגם בקליפורניה מצאה את עצמה, לפני זמן לא רב, במרכזה של מחלוקת מדעית: קבוצת מדענים טענה כי יצורים זעירים אלה, אשר חיים על קרקע עשירה בתרכובת הקרויה ארסנאט, המבוססת על היסוד הרעיל ארסן, יכולים לנצל תרכובת זו כתחליף לפוספאט – תרכובת הזרחן החיונית לכל היצורים החיים. בעקבות הטענה, שהופרכה מאז, עלתה שאלה אחרת: כיצד מצליחים יצורים שחיים בסביבות עתירות ארסנאט לברור בינו לבין התרכובת הנכונה, כלומר פוספאט? תשובה לשאלה זו התקבלה באחרונה במחקר בראשותו של פרופ' דן תופיק ממכון ויצמן למדע, שהתפרסם בכתב-העת המדעי Nature.
מימין: פרופ' דן תופיק, קורינה גולדין-אזולאי, ד"ר מיכאל אליאס ואלון ולנר. יכולת הבחנה
מבחינה כימית-פיסיקלית, ההבדל בין פוספאט לארסנאט הוא דק. ובכל זאת, בעוד הראשון חיוני לחיים, השני מהווה איום גדול עליהם. כיצד, אם כן, מצליחים חיידקים המוקפים בארסנאט להבחין בין שתי מולקולות שהן כמעט זהות בגודלן, בצורתן, ובתכונותיהן הכימיות? כדי לחקור את השאלה בחנו פרופ' תופיק, יחד עם החוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר מיכאל אליאס, תלמיד המחקר אלון וולנר, וטכנאית המעבדה קורינה גולדין מהמחלקה לכימיה ביולוגית, ביחד עם עמיתים מציריך, את החלבון שאחראי לגיוס הפוספאט. החלבון, הקרוי PBP) phosphate binding protein), ממוקם על הקרום החיצוני של החיידק, שם הוא לוכד את מולקולות הפוספאט ומעביר אותן למשאבות - המכניסות אותן לתא.  
 
צוות המדענים הישווה את הפעילות של חלבוני PBP שנלקחו מסוגי חיידקים שונים: חלקם מחיידקי מעיים, הרגישים לארסנאט, וחלק מחיידקים עמידים לחומר. הם גילו, כי בעוד שהחיידקים הרגילים קשרו מולקולות פוספאט בזיקה הגבוהה פי 500 מזיקתם לארסנאט, בחיידקים העמידים קפץ היחס לפי 5,000. כלומר, כדי להתמודד עם סביבה רעילה פיתחו החיידקים מנגנון בררני אשר מבטיח אספקה מספקת של פוספאט, ובה בעת מוודא כי לא תחדור ולו מולקולה אחת של ארסנאט. בהמשך, כדי להבין כיצד בורר חלבון ה-PBP פוספאט מארסנאט, יצר ד"ר אליאס גבישים של החלבון, כשהוא קשור לכל אחת מהמולקולות. בדיקה ראשונית הראתה, כי קישור הארסנאט לחלבון נעשה באופן זהה לקישור הפוספאט: הן המולקולות הקשורות והן החלבון נראו זהים.
 
חיידקים על מצע עשיר בארסנאט. צילום: נאס"א
ד"ר אליאס שיער, כי המפתח עשוי להיות קשר כימי יחיד ולא רגיל בין אטום מימן שבחלבון ה-PBP לבין המולקולה הנקשרת אליו. למרבה הצער, השיטות המקובלות לפיענוח מבנה חלבונים אינן מגיעות בדרך כלל לדרגת רזולוציה המאפשרת לראות הבדלים כאלה. אולם, לאחר שהגיע עד כאן, הצוות סירב להרים ידיים. המדענים הצליחו למתוח את גבול היכולת של הטכנולוגיה, ולהגיע לרמת הפרדה של אנגסטרום בודד (עשירית מיליונית המילימטר) – הפרדה שמאפשרת לזהות את אטום המימן, ולהשוות את הקשר שהוא יוצר עם שתי המולקולות השונות.
 
המדענים גילו, כי למרות שהקישור, בשני המקרים, מתרחש בתוך בקע צר בעמקי החלבון, הזוויות של הקשר המימני הנוצר הן שונות. במקרה של הפוספאט נוצר קשר אידאלי "לפי הספר". לעומת זאת, מולקולת הארסנאט, למרות שהיא גדולה רק במעט, נדחקת אל המימן באופן שגורם לה להיקשר אליו בזווית לא טבעית, מעוותת. פרופ' תופיק סבור, כי בעקבות זאת נוצרת דחייה בין הארסנאט לבין אטומים אחרים באיזור הבקע, וכי דחייה זו מונעת מה-PBP לקשור את מולקולות הארסנאט בזיקה המאפשרת לו להתחרות בפוספאט ולחדור  אל פנים התא.
 
חשיבותם של הממצאים היא לא רק לשם פתרון תעלומה ביולוגית. "הפוספאט הוא מרכיב חיוני ביותר לקיומו של יצור חי, ועם זאת, במקומות רבים הוא אינו מצוי בשפע. מסיבה זאת יש עניין רב בשאלה כיצד אורגניזמים מצליחים לקלוט אותו", אומר פרופ' תופיק. "מחקר זה הוא הראשון שהצביע על מנגנון ההבחנה של חלבון ה-PBP בהקשר לארסנאט. מלבד זאת, המחקר מהווה דוגמה מרתקת ליכולות הזיהוי של חלבונים, ושל המנגנונים העדינים המאפשרים להם להבחין בין שתי מולקולות כמעט זהות".   
 

 
 
מימין: פרופ' דן תופיק, קורינה גולדין-אזולאי, ד"ר מיכאל אליאס ואלון ולנר. יכולת הבחנה
מדעי החיים
עברית

ריח לבן

עברית
עד היום מקובל היה לחשוב שאפשר לראות צבע לבן ולשמוע רעש לבן. מחקר של מדעני מכון ויצמן למדע מגלה, כי אפשר גם להריח ריח לבן. הממצאים התפרסמו באחרונה בכתב-העת של האקדמיה הלאומית למדעים של ארה"ב (PNAS).
 
חוש הראייה "רואה" תערובות שונות של גלי אור בתדירויות שונות באותו צבע - לבן. גם חוש השמיעה תופס תערובות שונות של גלי קול בתדירויות מגוונות כזמזום המכונה "רעש לבן". כדי שייתפסו כ"לבנים", על הרעש והצבע למלא שני תנאים: התערובת היוצרת אותם צריכה להשתרע על-פני כל הטווח האפשרי של הגירוי, ועוצמת הגירויים של כל רכיבי התערובת צריכה להיות זהה. האם אפשר להשתמש באותם עקרונות בתחום חוש הריח, כדי ליצור ריח לבן? שאלה זו מעולם לא נבדקה עד כה, בין היתר בגלל הקשיים הטכניים שבמחקר כזה, כמו, לדוגמה, יצירת חומרי ריח רבים בעלי עוצמה זהה.
 
תלמידת המחקר טלי וייס, מקבוצת המחקר של פרופ' נועם סובל במחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע, הובילה את המחקר בשאלה זו, יחד עם ד"ר קובי סניץ מאותה קבוצה. הם בחרו 86 חומרי ריח (המורכבים ממולקולה בודדת), אשר מייצגים את כל הטווח של עולם הריחות, ודיללו אותם לעוצמה זהה. לאחר מכן הכינו מחומרים אלה תערובות שונות, בעלות מספר מרכיבים משתנה, אשר מתפרסים על פני כל הטווח של עולם הריחות, וביקשו ממתנדבים להשוות בין זוגות של תערובות. הם גילו, כי ככל שהתערובות הכילו מספר רכיבים רב יותר, הן סווגו כדומות יותר – גם כשזוג התערובות לא הכיל כל רכיב משותף. תערובות שהכילו כ-30 חומרי ריח או יותר נתפסו על-ידי המתנדבים ככמעט זהות.
 
כדי להמשיך לחקור את התופעה יצרו המדענים תערובות ריח שונות, אותן כינו בשם חסר משמעות – "לורקס". לאחר שהנבדקים התרגלו לריח של אחת מתערובות ה"לורקס", הם נטו לכנות כך גם תערובות חדשות, אותן מעולם לא הריחו לפני כן, אך רק אם היו אלה תערובות שהכילו 30 חומרים או יותר, המתפרסים על-פני כל הטווח של עולם הריחות. כאשר התערובות הכילו 20 חומרים או פחות, הנבדקים לא התייחסו אליהן כאל "לורקס". ה"לורקס" – תערובת הריח הלבן – תוארה על-ידי הנבדקים כבעלת תכונות נייטרליות: לא בעלת ריח נעים, ולא בעלת ריח בלתי-נעים.
 
"הממצאים לא רק מרחיבים את מושג ה'לבן' אל מעבר לתחומים המוכרים של חוש הראייה וחוש השמיעה, ואינם מתמצים בהוספת חוש הריח לרשימת החושים בהם קיימת תופעה 'לבנה'. הם גם נוגעים לעקרונות הבסיסיים ביותר לפיהם פועל חוש הריח, ומערערים את התפיסות המקובלות לגביהם", אומר פרופ' סובל. בניגוד לתפיסה המקובלת, הרואה בחוש הריח "מכונה" לזיהוי מולקולות ריחניות, ממצאי המחקר מראים, כי המערכת מזהה ריח בכללותו, ולא חומרי ריח בודדים. גם התפיסה הקומבינטורית של חוש הריח, שזיהוי תערובות נעשה באמצעות הפעלת קומבינציות שונות של קולטנים, מחייבת כעת חשיבה מחודשת, שכן ממצאי המחקר "שמים גבול" לשיטה הקומבינטורית כאשר מדובר בתערובות ריח עם מספר גדול של חומרים.
 
במחקר השתתפו גם תלמידת המחקר עדי יבלונקה מקבוצתו של פרופ' סובל, וד"ר אלעד שניידמן מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע.
 
ריח לבן
 
 
ריח לבן
מדעי החיים
עברית

עמודים