<div>
Science Feature Articles</div>

שבילים מצטלבים

עברית
מפות דיגיטליות, כידוע, מתבססות על האפשרות להרחיק ולקרב את התצוגה. הרחקת התצוגה חושפת מערכת כבישים של איזור שלם, בעוד תקריב מציג את הרחובות הקטנים – אשר מובילים מנקודה אחת לשנייה. בנקודת הביניים אפשר לראות את המקומות שבהם הכבישים הקטנים מצטלבים עם הדרכים הראשיות, ואת התלות שנוצרת בין שתי המערכות עקב כך. פרופ' עדי קמחי וחברי קבוצת המחקר שלה, במחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, שירטטו מפה עבור שתי "ערים" השוכנות בתא. באמצעות מפה זו מתחילים המדענים להבין איזו חשיבות יש לקשרים, אשר נוצרים דרך אותם "כבישים" משתלבים, לחייהם של תאי גופנו. בין השאר, ייתכן שמנגנון זה אף עוזר בעיכוב התפתחות מחלת הסרטן.
 
אותן "ערים" הן למעשה אוסף של שבילים מולקולריים, שבסוף כל אחד מהם ימצא התא את מותו באחת מכמה דרכים. שבילים אלה הם למעשה רצף פעולות של סדרת חלבונים, שמוביל בסופו של דבר לסוף כזה או אחר. השבילים מורכבים מרשתות גדולות של חלבונים, וממערכות תקשורת מורכבות שבהן מספר שלבים. מאות חלבונים בכל אחד משבילי המוות התאי חייבים לתקשר זה עם זה כדי להתניע את התהליך, לתאם אותו ולבצעו.
יובל גלעד ופרופ' עדי קמחי. נקודת חיבור
 
מוות תאי הוא תהליך מרכזי בחיי הגוף, ולפחות שלושה שבילים מובילים אליו: אפופטוזה, אוטופאגיה ונקרוזה. האפופטוזה מוביל להתאבדות מהירה ומתוכננת היטב, ולרוב היא מתרחשת במהלך התפתחות העובר – כאשר העובר מתעצב, או בהמשך, אם נזק שנגרם לדי-אן-אי של התא מאיים להפוך אותו לסרטני. אוטופאגיה, בניגוד לאפופטוזה ולנקרוזה, לא בהכרח מובילה למוות תאי. זהו תהליך המסוגל לתפקד כמעין מנגנון הישרדות: הוא "מכבה" חלקים מפעולות התא וממחזר חלבונים, שאינם נחוצים, לשימוש בשעת חירום. עם זאת, במידת הצורך, מנגנון זה מסוגל למחזר את התא למוות.
 
עד לאחרונה היה מקובל להניח, שהאפופטוזה והאוטופאגיה הן כמו שתי ערים נפרדות – לכל אחת מערכת כבישים עצמאית משלה. אבל מחקר חדש, שהתבצע במעבדה של פרופ' קמחי, חושף נוף "מודרני" יותר, בו כל שביל נכנס לטריטוריה של הצד השני, ומתחבר אליו במספר נקודות שונות.
 
כדי למפות את האזורים שבהם נפגשים השבילים, יצרו פרופ' קמחי ותלמיד המחקר יובל גלעד מערכת ניסיונית, שנועדה לבדוק את יחסי הגומלין בין החלבונים בשני השבילים. הניסוי התבצע באמצעות הכנסת חתיכות של חלבון בשם "לוציפראז" – המולקולה שגורמת לפלנקטון לפלוט אור – לחלבוני השבילים. במהלך הניסוי, הלוציפראז זהר כאשר נפגשו שני חלבונים עם חלקי לוציפראז תואמים, וכך התקבל דיווח על נקודות חיבור בין זוגות חלבונים. כל נקודה נרשמה ושורטטה במפה, שפורסמה באחרונה בכתב-העת המדעי Cell Reports.
 
לאחר שבדקו אלפי נקודות חיבור אפשריות, זיהו פרופ' קמחי וגלעד 46 חיבורים חדשים. בהמשך הם התמקדו באיזור מסוים אחד במפה - סביב חלבון הקרוי DAPK2. חלבון זה, אשר שייך למשפחת חלבונים שהתגלו במעבדתה של פרופ' קמחי לפני קרוב לשני עשורים, ממלא תפקיד מרכזי באפופטוזה. אבל שש נקודות החיבור המסומנות במפה, המובילות אל חלבון זה ויוצאות ממנו, מצביעות על כך שה-DAPK2 פעיל בשני השבילים. במבט קרוב יותר, בחנו המדענים את אחת מנקודות החיבור שלו עם חלבון בשם 14-3-3, וגילו שהוא נקשר לאיזור מסוים של ה-DAPK2, ומונע ממנו להפוך לפעיל. תגלית זו חושפת שכבה נוספת של ויסות בפעילות ה-DAPK2. "כיוון שהפעלתו עלולה לגרום מוות תאי", אומרת פרופ' קמחי, "מעניין יהיה לבדוק טיפולים שמפעילים את החלבון בתאים סרטניים, באמצעות ביטול התלות בחלבון 14-3-3".
 
המדענים מעריכים, שיחסי הגומלין בין השבילים נותנים לתא גיבוי במקרה שאחד השבילים מפסיק לפעול. גיבוי זה חשוב במיוחד כאשר תא סרטני צריך להשמיד את עצמו – כיוון שהתפתחות הסרטן קשורה, בדרך כלל, בכישלון מנגנון המוות התאי. פרופ' קמחי וגלעד אומרים שמפה זו – והשיטה בה השתמשו כדי ליצור אותה – עשויות לשמש ככלי רב-ערך, הן לחוקרי סרטן והן למפתחי תרופות. השיטה לא רק חשפה את נקודות החיבור בין החלבונים, אלא גם את השלבים המדויקים שבהם מתרחשים החיבורים. המפה החדשה עשויה להאיר מטרות טובות יותר בסריקת תרופות אנטי-סרטניות, תוך התמקדות בחלבונים מדווחים בעמדות מפתח, שהתגלו בעבודה זו.
יובל גלעד ופרופ' עדי קמחי. נקודת חיבור
מדעי החיים
עברית

טוב האחד מן השניים

עברית
נגיסה במקום מסוים בפטרייה שאוכלת גיבורת "עליסה וארץ הפלאות" גורמת לכך שהיא תתגמד ותתכווץ, אך נגיסה במקום אחר באותה פטרייה עצמה גורמת לכך שתגדל ותצמח. תופעה דומה קיימת גם בעולם החי: תאים מקיימים ביניהם תקשורת באמצעות הפרשה וקליטה של מולקולות איתות. במקרים רבים, לאותה מולקולת איתות אף עשויות להיות השפעות מנוגדות על אותם התאים. לדוגמה, מולקולת איתות יכולה לגרום האצה בקצב חלוקת התאים – ובכך להגדיל את מספרם, ובה בעת היא יכולה גם להגדיל את הסיכויים למוות תאי – ובכך לצמצם את מספר התאים. מדוע "בחר" הטבע להטיל שני תפקידים מנוגדים על אותו השליח? האם לשיטה זו יש יתרונות על פני פתרונות אפשריים אחרים – למשל, שימוש בשתי מולקולות שונות, ייחודיות, לכל מטרה?
 
תגובת תאי ה-T שבמערכת החיסונית לפלישת גורמי מחלות שונים היא דוגמה טובה: במצב זה מפרישים תאי T מולקולת איתות הקרויה אינטרלוקין 2 (IL-2). למולקולה זו אחריות כפולה: היא גם מגבירה את התפשטות תאי ה-T, אך גם מגדילה את הסיכוי למותם בתהליך של מוות תאי מתוכנת (אפופטוזיס). במחקר קודם, שהתבצע בשיתוף פעולה בין קבוצות המחקר של ד"ר ניר פרידמן מהמחלקה לאימונולוגיה, ושל פרופ' אורי אלון מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא במכון ויצמן למדע, פיתחו המדענים מודל מתמטי אשר חזה, כי המנגנון הפרדוקסלי של מולקולת ה-IL-2 יוביל ליציבות – כלומר, לשמירה על מספר קבוע של תאים. "האיזון במערכת מהסוג הזה נחוץ כדי למנוע תגובה חזקה מדי – שעשויה להתגלות כבזבזנית או מזיקה – מצד אחד, ותגובה חלשה מדי, ולא יעילה, מצד שני", אומר ד"ר פרידמן.
 
איור: עליסה וארץ הפלאות
 
במחקר חדש, גם הוא בשיתוף פעולה בין שתי קבוצות המחקר, בחנו המדענים את תחזיותיהם התיאורטיות בניסוי במעבדה. ד"ר שלומית רייך-זליגר, ותלמיד המחקר הבתר-דוקטוריאלי (דאז) במעבדתו של ד"ר פרידמן, ד"ר ירון ענתבי, בשיתוף עם ד"ר יובל הרט מקבוצת המחקר של פרופ' אלון, ביצעו את הניסוי. הם גידלו תאי T בתרבית, בכמויות התחלתיות שונות, ועקבו אחר שינויים בכמותם במשך שבוע. ממצאיהם, שהתפרסמו בכתב-העת המדעי Cell, תומכים בתיאוריה שמספר תאי ה-T מגיע ליציבות כתוצאה מפעולתו של המנגנון הכפול של מולקולת ה-IL-2. בדרך זו נשמרת כמות התאים באיזון כמעט מוחלט, ללא תלות בכמותם הראשונית. יחד עם זאת, כפי שחזה המודל התיאורטי, תופעה זו נכונה רק אם כמות התאים גבוהה מסף ראשוני וקבוע. מתחת לאותו סף מצטמקת אוכלוסיית תאי ה-T, ובסופו של דבר נכחדת. "ייתכן", אומר ד"ר פרידמן, "שתופעה זו משמשת כמעין מנגנון הגנה שנועד למנוע, לדוגמה, תגובה מוגזמת לתופעות חסרות משמעות".
 
תוצאות הניסוי מראות, כי איזון מספר התאים אכן תלוי במולקולת ה-IL-2, וכי תאי T יוצאים מאיזון אם אינם יכולים להפריש מולקולה זו. המדענים גם איששו את הסברה, כי רמות ה-IL-2 עולות בתחילת התהליך, יורדות בהמשך, ומגיעות לשיאים גבוהים יותר דווקא במקרים שמספר התאים ההתחלתי נמוך, ככל הנראה כדרך להגביר את עוצמת האיתות ולקדם את התפשטותם.
 
אבל השאלה המרכזית עדיין תלויה ועומדת: מדוע המולקולה עובדת בשיטת "שניים במחיר אחד"? כדי לבדוק אפשרויות אחרות בחנו המדענים, בעזרת המודל המתמטי, מה קורה אם מעורבות בתהליך כזה שתי המולקולות. ממצאיהם הראו, כי שתי מולקולות נפרדות – שלכל אחת מהן תפקיד משלה – מגבירות את רגישות התא להפרעות סביבתיות, ועלולות ליצור "הפרת איזון" בכל המערכת. מנגד, למולקולה אחת – שלה שני תפקידים – יש טווח פעולה רחב יותר, והיא מאפשרת למערכת לקבל ולשפוט באופן יציב יותר את האותות החיצוניים, בדומה לאופן שבו קובעת עליסה כיצד יפעלו עליה השפעות חיצוניות: כלומר כיצד תגרום נגיסה בפטרייה להתכווצותה, או דווקא להיפך – לצמיחתה לגובה.
 
במולקולת IL-2 אמנם נעשה שימוש בטיפול במיגוון מחלות, אך בשל השפעות לוואי מדובר בשימוש מוגבל. לכן, הבנה רחבה יותר של מנגנוני הפעולה המורכבים עשויה לסייע, בעתיד, בפיתוח שיטות טיפול יעילות יותר. לממצאי המחקר יש השלכה גם על הבנת מערכות ביולוגיות אחרות, שבהן מולקולה אחת מבצעת שני תפקידים מנוגדים (למשל, גלוקוז, המשפיע בדרכים שונות ומנוגדות על תאים המייצרים אינסולין בלבלב).
 
במחקר השתתפו ד"ר אירינה זרצקי מהמחלקה לאימונולוגיה, וד"ר אברהם מאיו מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא.
 
איור: עליסה וארץ הפלאות
מדעי החיים
עברית

מילים נרדפות

עברית
פרופ' יצחק פלפל וד"ר הילה גינגולד. קוד גנטי
 
 
 
להתחלק או לא להתחלק: זו אחת ההחלטות הגורליות ביותר בחיי התא. מדעני מכון ויצמן למדע, בשיתוף עם מדענים מדנמרק, גילו באחרונה מנגנון אשר עוזר לשלוט בהחלטה זו בתאים בריאים ובתאים סרטניים כאחד. הממצאים, שדווחו בכתב-העת המדעי Cell, מאפיינים בצורה חדשה לחלוטין את ההבדל בין תאים מתחלקים לבין אלה שאינם מתחלקים. תגלית זו עשויה לקדם בעתיד את אבחון מחלת הסרטן, ואולי אפילו את פיתוחן של שיטות ריפוי מתקדמות.
 
המחקר התמקד ב"מילים נרדפות" בשפת הדי-אן-אי: מיקבצי קוד גנטי המורכבים משלוש אותיות ומקודדים אותה חומצת אמינו, שהיא אבן הבניין של החלבונים. כך למשל, שתי "המילים" הגנטיות, GAA ו-GAG, אמנם שונות מבחינה כימית, אך מייצרות אותה חומצת אמינו. כאשר הקוד הגנטי מתורגם לחלבונים – כלומר, כאשר חומצות אמינו מיוצרות על בסיס קוד הדי-אן-אי – לכל "מלה נרדפת" יש מולקולת קשר משלה, הקרויה tRNA. מולקולה זו, המאפשרת את התרגום לחומצת אמינו, מתפקדת כמכונה מולקולרית בעלת שני ראשים – ראש אחד קורא את הקוד הגנטי, בעוד הראש השני מספק את חומצת האמינו לחלבון הנבנה.
 
עד עכשיו לא היה ידוע על קשר משמעותי בין חלוקת התאים לבין קיומן של למעלה מ-60 "מילים" גנטיות נרדפות ומולקולות ה-tRNA השייכות להן. התפיסה הייתה, שיחסי הגומלין בין מולקולות ה-tRN השונות הם קבועים לאורך חייו של התא, ובכל מקרה, מדענים לא חשבו שיש לתנודות אפשריות ביחסים אלה חשיבות ביולוגית מסוימת.
 
פרופ' יצחק פלפל, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, החליט לחקור את יחסי הגומלין בין כמויות ה-tRNA השונות בתא, כאשר נודע לו כי חוקרים בדנמרק אספו מידע גנומי מלמעלה מ-400 בני אדם, וביניהם כ-300 חולי סרטן. החוקרים הדנים הכינו מאגר מידע עצום, הכולל מידע רב על מולקולות ה-tRNA השונות. ד"ר הילה גינגולד, מתמחה בקבוצתו של פרופ' פלפל, ניתחה את המידע על ה-tRNA באמצעות שבבי די-אן-אי ותוכנות מתמטיות, יחד עם ד"ר דיסה טלר וחוקרים אחרים בקבוצתו של פרופ' אנדרס לונד מאוניברסיטת קופנהגן, ובשיתוף עם חוקרים נוספים מדנמרק, מהולנד, משווייץ ומארצות-הברית.
 
תוצאות הניתוח היו כל כך מובהקות, עד שהן הפתיעו אפילו את החוקרים. הם גילו, כי כל תא מכיל אחת משתי תת-קבוצות של מולקולות tRNA: קבוצה אחת המאפיינת תאים מתחלקים, וקבוצה שנייה המאפיינת תאים שאינם מתחלקים. לדוגמה, בתאים מתחלקים נמצאו כמויות גדולות של מולקולת ה-tRNA אשר מתרגמת את "המלה הנרדפת" GAG. לעומת זאת, בתאים שאינם מתחלקים נמצאו כמויות גדולות של מולקולת ה-tRNA שמתרגמת את "המלה הנרדפת" GAA. כתוצאה מכך, לכל תא יש "חתימה" אופיינית של tRNA, המתבטאת בכמויות ייחודיות של כל מולקולות ה-tRNA השונות. במילים אחרות, באמצעות מדידת כמויות ה-tRNA אפשר לקבוע האם מדובר בתא בריא – שהפסיק להתחלק והתמיין לסוג מסוים, כמו תא עצם, דם או עור, או שמא זהו תא מתחלק – כמו שקורה בתאים סרטניים, בתאי גזע עובריים, ובתאי גזע אחרים. למעשה, לכל התאים הסרטניים שנבדקו במחקר הייתה אותה "חתימת" tRNA, ולכל סוג סרטן הייתה גרסת חתימה ייחודית משלו.
 
 
כאשר המדענים בחנו את הקשר בין מולקולות ה-tRNA השונות לבין סוגי גנים מסוימים, הם מצאו כי מולקולות ה-tRNA האופייניות בדרך כלל לתאים מתחלקים נטו להיות מעורבות בתרגום גנים האחראים להתנהגות "אנוכית" של תאים – כגון צמיחה מהירה, שלעיתים אינה מביאה בחשבון תאים שכנים – שהיא תכונה האופיינית לסרטן. לעומת זאת, מולקולות ה-tRNA הנמצאות בתאים לא-מתחלקים היו מעורבות בתרגום גנים שאחראים להתנהגויות "חברתיות" יותר, כגון היצמדות תאים או תקשורת בין תאים, האופייניות לרקמות בריאות.
 
המדענים משערים, כי ייתכן ששתי חתימות ה-tRNA נוצרו במהלך האבולוציה, כאחת הדרכים שבעזרתן מנסה הטבע למנוע סרטן. חתימות אלה מהוות מנגנון המגביר את יציבות התא, בכך שהן מבדילות בין מצב חלוקה לבין מצב תקין של אי-חלוקה. כאשר תא בריא ולא-מתחלק עומד להפוך לסרטני, הוא צריך לשנות את מלאי ה-tRNA שלו. משימה זו מציבה מכשול בדרך לחלוקה בלתי-מרוסנת: עד שהמלאי לא ישתנה, התא יתרגם ביעילות פחותה את הגנים בעלי הפוטנציאל הסרטני.
 
יהיה ההסבר האבולוציוני אשר יהיה, ניתוח חתימות ה-tRNA עשוי בעתיד לשמש לגילוי, לאבחון או לחיזוי התפתחותה של מחלת הסרטן. שיפור היכולת להבדיל בין תאים סרטניים לבין תאים בריאים עשוי גם לעזור בפיתוח תרופות אשר יתמקדו בגידול, ללא פגיעה ברקמות בריאות.
 
השוואה ממוחשבת בין הגנומים של תאים מ-450 דגימות רקמה: ההשוואה חשפה דמיון רב בין דפוס ה-tRNA בתאים סרטניים ובתאים בריאים מתחלקים (באדום, המלבן למעלה מימין), ודמיון מסוים בתאים שאינם מתחלקים (באדום, למטה משמאל); לעומת זאת, לא נמצא דמיון כאשר נערכה השוואה בין תאים מתחלקים לבין תאים שאינם מתחלקים (בכחול)‎‏
 
 
 
 
 
פרופ' יצחק פלפל וד"ר הילה גינגולד
מדעי החיים
עברית

גלים על פני המים

עברית
 
פרופ' גרגורי פלקוביץ. מערבולות
 
 
גלים, בדרך הטבע, נוצרים כתוצאה מתנודה שמתחוללת במקום מסוים, והם מתפשטים מנקודה זו ומתרחקים ממנה במעין אדוות. בסדרת הטלוויזיה "מסע בין כוכבים" מתוארת טכנולוגיה מתקדמת המבוססת על יצירת גלים שנעים בכיוון ההפוך: מהמרחב, אל נקודת המוקד שמפעילה אותם. כך אפשר "לשלוח" אותם – כמו ששולחים כלבי ציד – להביא חפצים שונים מהמרחב. למשל, ה"אנטרפרייז" יכלה לשגר גלים שיסחפו ספינת אויב קטנה אל תוך מכלאה מיוחדת שהוכנה בבטנה. פרופ' גרגורי פלקוביץ, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, הראה, יחד עם קבוצת המחקר של פרופ' מיכאל שטס מהאוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה, בקנברה, שהרעיון הזה אינו כה מופרך כפי שהוא נשמע בשמיעה ראשונה.
 
חללית האנטרפרייז מ"מסע בין כוכבים"
 
הפיסיקאי האנגלי בן המאה ה-19, ג'ורג' סטוקס, בחן מקרוב את תנועת הגלים. הוא התמקד במעקב אחר חלקיק זעיר שנע עם תנועת הגל. התפיסה שרווחה באותו זמן אמרה, שכאשר מדובר בגל קטן מאוד, חלקיק כזה ינוע במעגל סגור. אבל סטוקס גילה שלמעשה, מסלול תנועתו של החלקיק הזעיר קרוב מאוד להיות מעגל סגור – אבל בפועל הוא אינו סגור, והוא יוצר מעין ספירלה מתכנסת. תופעה זו זכתה לכינוי "סחיפת סטוקס". באותו זמן רבים סברו שמדובר בתופעה תיאורטית, שאפשר אולי לבצעה במעבדה, אך בטבע קשה למצוא גלים כה קטנים שבהם מתבצעת סחיפת סטוקס.
 
שותפיו למחקר של פרופ' פלקוביץ, אשר נעזרו בשיטות תצפית מתקדמות, חזרו למעשה על תצפיתו של סטוקס, וגילו להפתעתם שהחלקיקים הזעירים, אשר נעים בגלים קטנים מאוד, נעים למעשה במסלול תלת-ממדי שנראה דומה למסלול הליכתו של שיכור. בכוחות משותפים הצליחו המדענים להראות שלא מדובר בתנועה אקראית, ושלמעשה אפשר לחזות, ואפילו לתכנן מראש, את מסלולי התנועה האלה.
 
יכולת זו איפשרה למדענים להדגים יצירה מכוּונת של שתי מערבולות, שביניהן זורם זרם אשר נע היישר אל המקום שבו מתבצעת התנודה שיוצרת את הגלים. כמה מדענים בצוות כבר הביעו תקווה, שיום אחד אפשר יהיה להשתמש בשיטת "הגל המושך" הזה כדי "לשאוב" ספינות של פיראטים ליד חופי סודן. רעיונות צנועים יותר (שגם הם בגדר חזון לעתיד), מתארים שימוש בגלים כאלה כדי לנקות משטחי מים מזיהומים, כגון דליפת נפט ממכלית ועוד.
 
 
 
 
פרופ' גרגורי פלקוביץ
חלל ופיסיקה
עברית

פירות, פטריות ומלחמות

עברית
 
 
 
כולנו כבר היינו במצב הזה: הולכים לחנות, קונים מנגו, אבוקדו או עגבנייה; הם קצת קשים, אבל לא נורא. הבעיה היא, שבדיוק כשהפרי מתרכך ומבשיל, הוא גם מפתח רקבונות, המתבטאים ככתמים רכים ושחורים, כך שאין ברירה אלא לזרוק לפחות את חלקו, ולתהות האם כדאי לעשות קניות במקום אחר. מחקר חדש שנערך במכון ויצמן למדע, בשיתוף עם מינהל המחקר החקלאי – מרכז וולקני, מצביע על פתרונות עתידיים למניעת הריקבון המושהה. פתרונות אלה עשויים להתממש בזכות חשיפת המאבק העיקש המתנהל בין הפרי לבין הפטרייה הגורמת רקבונות אלה.
 
 

הסיפור מתחיל הרבה לפני שהפרי מגיע לחנות. המחקר, שפורסם באחרונה בכתב-העת המדעי New Phytologist, עוסק בזיהום פטרייתי נפוץ הקרוי Colletotrichum gloeosporioides, שפוגע בפירות של כ-500 מיני צמחים. הפטרייה חודרת כאשר הפרי הירוק, הלא-בשל, גדל על העץ או על השיח. ברגע שנבגי הפטרייה נוחתים על פני הפרי, הם נובטים. תוך שעות ספורות, כל נבג נובט ומתמיין למבנה מיקרוסקופי, השולח שלוחה דמויית-חרב, אשר חודרת דרך קליפת הפרי המכוסה שעווה. השלוחה חודרת לאחד התאים החיצוניים, וגורמת לכך שתא זה יקדיש את עצמו לתמיכה בטפיל. באותו הזמן עוברת הפטרייה למצב רדום, אשר יכול להימשך חודשים. על מנת להגיע למצב זה, הטפיל משנה את מבנה הכרומוזומים שלו, משתיק מאות גנים, ומאט את חילוף החומרים למינימום הנדרש לצורך תחזוקה.

 
 
על אף שמתקפת הפטרייה ערמומית ביותר, קולטנים מולקולריים מיוחדים מאפשרים לצמח לגלות את הפלישה כבר בשלביה המוקדמים, עוד לפני חדירת הפטרייה לפרי, ולפתוח במתקפת-נגד. המתקפה כוללת הפעלת אלפי גנים, שחלקם מקודדים ליצירת תרכובות נגד פטריות. תרכובות אלה מיועדות להאט את צמיחתה של הפטרייה, מבלי לפגוע בתאי הצמח.
 
מימין: פרופ' רוברט פלור, ד"ר נועם אלקן, פרופ' דב פרוסקי, ד"ר גילגי פרידלנדר וד"ר דנה מנט. מאבק מתמיד
 
עם זאת, לפעמים הטפיל מצליח לחמוק מהמתקפה ההגנתית של הצמח. הוא ממשיך להסתתר, ומחכה עד שהפרי יבשיל, שכן בזמן הבשלת הפרי נעלמים אותם חומרים ביולוגיים הגנתיים. ברגע שהטפיל חש את ההבשלה, הוא מתעורר איפוא ויוצא להסתער: לאחר התעוררות מהמצב הרדום שבו היה שרוי, הוא מפריש אנזימים, שהורגים במהירות את תאי הצמח הסובבים אותו; התאים המתים מספקים לפטרייה חומרי מזון, אשר מאפשרים לה להתרבות ולהרוג רקמות פרי נוספות. כך נוצרים כתמי ריקבון רכים בפרי, שעד לא מזמן היה גאוות החקלאי והירקן גם יחד.
 
המחקר נעשה על פירות עגבנייה – צמח נוח למחקר, שהגנום שלו ידוע, והפרי שלו זמין לאורך כל השנה, אך הממצאים תקפים גם לגבי פירות אחרים הרגישים ל-Colletotrichum gloeosporioides. במהלך המחקר פיענחו המדענים את הגנום של הפטרייה, ובאמצעות ניתוחים מעמיקים הצליחו לקבוע אילו גנים מופעלים ומושתקים בפטרייה ובצמח, ואילו אנזימים וחומרים אחרים מופרשים בכל שלב של התבססות הפטרייה.
 
את המחקר ביצעו, במעבדתו של פרופ' רוברט פלור במכון ויצמן למדע, ד"ר נועם אלקן מהמכון וממרכז וולקני, פרופ' דב פרוסקי וד"ר דנה מנט ממרכז וולקני, וד"ר גילגי פרידלנדר מהמרכז הישראלי הלאומי לרפואה מותאמת אישית על-שם ננסי וסטיבן גרנד.
 
ממצאים אלה עשויים לשמש בסיס לתכנון שיטות מאבק בפטריות הגורמות רקבונות – באמצעות גילוי מוקדם של הפטריות, פיתוח זנים עמידים לפטריות, או יישום כימיקלים שיפגעו בפטריות, אך לא בפרי ולא בבריאות האדם. בינתיים, תוך שאנו משליכים את החלקים הרקובים של הפרי, נוכל לפחות להתפעל ממלחמת החורמה שהתחוללה בין שתי ממלכות: זו של הצמחים וזו של הפטריות.
 
שלבי הפלישה של הפטרייה Colletotrichum gloeosporioides לתוך הפרי: מימין לשמאל: 1. נביטה; 2. חדירה; 3. מצב רדום; 4. התפרצות

 

 
 
מימין: פרופ' רוברט פלור, ד"ר נועם אלקן, פרופ' דב פרוסקי, ד"ר גילגי פרידלנדר וד"ר דנה מנט.
מדעי הסביבה
עברית

מי מרסן את הסקרנות?

עברית
 
מימין: ד"ר אהוד פוניו, פרופ' אהוד אחישר וד"ר גורן גורדון. מודל התנהגותי

 

 
 
 
כשילדה צעירה מגיעה למגרש משחקים חדש, ייתכן שיידרש לה זמן עד שתתחיל לשחק – אולי היא תתקרב למגלשה, תרוץ בחזרה להוריה, ורק לאחר מכן תעלה, סוף סוף, על המגלשה. מודל התנהגותי חדש, שמציעים מדעני מכון ויצמן למדע, מבוסס על התובנה, שלא הפחד הוא בהכרח הגורם לילדה להתקדם במשנה בזהירות, אלא הצורך של המוח לווסת את כמות המידע החדש שהוא רכש. ד"ר גורן גורדון, ד"ר אהוד פוניו, ופרופ' אהוד אחישר, מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע, אשר חקרו את התופעה במכרסמים, הראו שמדובר בדפוס בסיסי השולט באופן הלימוד אצל חולדות ועכברים. המדענים פיתחו מודל מתמטי, המראה כי מנגנונים אשר פועלים במוח מרסנים את הסקרנות הטבועה בו, ומווסתים את יכולתו לקלוט חידושים.
 
במעבדתו של פרופ' אחישר חוקרים כיצד תופסים בעלי-חיים את סביבתם. במחקרים קודמים – אותם הוביל ד"ר פוניו, כשעבד במעבדתו של פרופ' אילן גולני באוניברסיטת תל-אביב – הראו המדענים, שכאשר נתקל עכבר במצבים חדשים, הוא מתקרב לאזורים הלא-מוּכרים, נסוג – ואז מתקרב שוב. המחקרים החדשים במכון ויצמן למדע הראו, שהדרך שבה משתמשים עכברים בשפמם כדי לחוש (לגשש) עצמים חדשים, מאופיינת בדפוס דומה: השפם נגע בעצם לא-מוּכר, התרחק, ואז נגע בו שנית. הדפוס היה כה עקבי, עד שהמדענים הגיעו למסקנה שאפשר לבנות מודל אשר יסביר כיצד חוקר עכבר – או יונקים אחרים – מרחבים חדשים.
 
המדענים הניחו כי מידת החידוש, אותה מודד המוח, עשויה להוות גורם מרכזי בעיצוב הדרך שבה ינוע העכבר בסביבה החדשה. ואכן, המודל שנבנה אישר את ההשערה, והראה שהגורם הקובע את תנועת העכבר בסביבה חדשה הוא מידת החידוש התפיסתי. נראה, כי התקרבות לעצם חדש והתרחקות ממנו הן למעשה דרך לשמור על קליטת המידע החדש ברמה ובקצב קבועים. כמו הילד במגרש המשחקים, קולט העכבר את כמות המידע החדש שהוא מסוגל לעבד, נסוג, וברגע שהמידע החדש נטמע במוחו והפך למוּכר – הוא מתקרב שוב ומחפש חידושים נוספים.
 
כדי לבדוק את המודל, בנו המדענים מתחם מיוחד בו נולדה וגדלה משפחה של עכברים. בשלב מסוים נפתח במתחם שער שהוביל לאיזור חדש, אותו יכלו גורי העכברים לחקור באופן חופשי, לפני שחזרו לסביבתם המוכרת. המודל חזה בהצלחה את האופן שבו חקרו העכברים את הסביבה החדשה – לא רק באמצעות תנועת גופם, אלא גם בתזוזת שפמם, שהוא איבר הגישוש הרגיש שלהם. מגעיהם הראשונים עם העצמים היו קצרים, והתארכו בהדרגה – בהתאם לניבוי קצב החידוש הקבוע של המודל. "העכברים לא קיבלו פרסים בעבור התנהגותם", אומר ד"ר גורדון. "בדומה לבני-אדם, סיפוק הסקרנות הוא פרס בפני עצמו בשבילם".
 
אומר ד"ר פוניו: "דפוס התנהגות זה מאפשר לעכברים לשלוט ברמת הגירויים החושיים שנקלטים במוח, באמצעות ויסות כמות החידושים וקצב החידושים שאליהם הם נחשפים". להצבת גבול לחשיפה לחידושים עשוי להיות יתרון אבולוציוני: על אף שהצורך לחקור סביבה חדשה או משתנה הוא חיוני להישרדות בטבע, הרי שעצירות לצורך בחינה איטית יותר של חידושים עשויות להיות אסטרטגיה יעילה ובטוחה. במילים אחרות: סקרנות היא ערך חשוב וחיוני, במיוחד כשהיא משולבת עם מעט זהירות.
 
האם מודל זה מתאים לבני-אדם? מחקר עתידי עשוי לענות על השאלה, האם תינוקות שלומדים לזחול, ילדים צעירים, וגם אנשים מבוגרים, חוקרים סביבות חדשות באותה הדרך. "אם התשובה תהיה חיובית", מסביר פרופ' אחישר, "מודל מתמטי כזה עשוי לסייע בפיתוח שיטות לימוד חדשות בבתי-ספר". ובינתיים, המודל יכול לסייע לבניית מערכות טכנולוגיות, שיוכלו ללמוד בעצמן כיצד להכיר מרחבים חדשים, למשל, על מנת למלא את מקומם של בני-אדם בבחינת סביבות מסוכנות.  
 
 
מימין: ד"ר אהוד פוניו, פרופ' אהוד אחישר וד"ר גורן גורדון. מודל התנהגותי
מדעי החיים
עברית

איך עושה אלמוג?

עברית

פעמים רבות אנו חושבים על אלמוגים כעל "אבנים חיות", התלויות לחלוטין בחסדי הזרמים שבים כדי להשיג חמצן וחומרי מזון. אך מה עושים האלמוגים כאשר נרגעים הזרמים, והים שקט? באמצעות שילוב בין שיטות מיקרוסקופיה רבות-עוצמה לצילום וידאו במהירות גבוהה גילו חברי קבוצות המחקר של ד"ר אסף ורדי, מהמחלקה למדעי הצמח והסביבה במכון ויצמן למדע, ושל פרופ' רומן סטוקר מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), היבט חדש ומפתיע באלמוגים בוני-השונית: מתברר כי אלמוגים אלה ממלאים תפקיד פעיל באיסוף מזון וחומרים אחרים הדרושים להם לחילוף חומרים.

 

פני השטח של אלמוג בונה-שונית הקרוי Pocillopora damicornis. כל תא אפידרמלי "מנופף" בריס יחיד. הקצב המסונכרן שבו זזים הריסים גורם ליצירת מערבולות סוערות. צילום: ד"ר אור שפירא, ד"ר ילנה קרטבלישוילי, ד"ר אסתי קרמרסקי-וינטר וד"ר אסף ורדי

 

שיתוף פעולה בין ד"ר אור שפירא ממעבדתו של ד"ר ורדי לבין ד"ר ויסנטה פרננדז ממעבדתו של פרופ' סטוקר הניב, לראשונה, צילום של ריסי האלמוג (שערות דקות המכסות את פני השטח של האלמוג) בפעולה. תצפיותיהם חשפו, כי האלמוג משתמש בריסיו כדי להאיץ את חילוף החומרים בינו לבין המים הסובבים אותו. הוא עושה זאת על-ידי כך שהוא יוצר מערבולות סוערות, אשר מאפשרות לו למשוך אליו חומרי מזון, ובה בעת להרחיק את הפסולת הרעילה המצטברת במושבה. באמצעות מעקב אחר חלקיקים מיקרוסקופיים בסביבת האלמוג הצליחו המדענים ללמוד את דפוסי זרימת מערבולות האלמוגים.

 

ממצאים אלה, שפורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי "רשומות האקדמיה הלאומית למדעים של ארה"ב" (PNAS), מסבירים כיצד הצליחו האלמוגים לבסס שוניות גדולות. עד כה היה נהוג לחשוב שמושבות אלמוגים השוכנות, לדוגמה, באזורים בעלי זרם חלש, נתונות בסכנה, כיוון שהן עלולות להיקלע למחסור חמור במזון ולהצטברות של פסולת. ובכל זאת, האלמוגים שורדים, ואף משגשגים. "ממצאינו חושפים כי האלמוגים בוני- השונית הם 'מהנדסים' פעילים", אומר ד"ר שפירא. "האלמוגים מתכננים בקפידה את סביבתם, ורק כך הם מצליחים להתמודד ולשרוד נוכח איתני הטבע". היבט נוסף של הישרדותם הוא הקשר השיתופי שהם מנהלים עם האצות שחיות בתוך רקמותיהם. אצות אלה מספקות לאלמוג פחמן וחומרי מזון אחרים הדרושים לו; בתמורה, מציע האלמוג לאצה "בית", וחומרים אחרים הנחוצים לה. מבחינת האלמוגים, החיסרון העיקרי הוא, שעל האלמוגים לנקות את הפסולת שיוצרים "הדיירים", בנוסף לפסולת שהם מייצרים בעצמם.

 

 

תנועת הריסים בין שני פוליפים בשונית האלמוגים Pocillopora damicornis, המראה חלבוני אלמוגים פלורסנטיים (בירוק), אצות סימביוטיות (באדום) ואת מסלולם של חלקיקי המעקב (בכחול). קנה מידה: 200 מיקרומטר. צולם בעזרת שיטה חדשנית, אותה פיתחה קבוצתו של ד"ר אסף ורדי. שיטה זו מאפשרת צילום מיקרוסקופי בזמן אמת של פוליפי האלמוגים. צילום: ד"ר אור שפירא, ד"ר אסתי קרמרסקי-וינטר וד"ר אסף ורדי

 

על אף הצלחת שוניות האלמוגים, השפעות ההתחממות הגלובלית ממשיכות לאיים על דרך חייהן: האלמוגים רגישים מאוד לשינויים בטמפרטורה, וכאשר הם נמצאים במצב עקה, הם מסלקים את האצות מהרקמה. תופעה זו קרויה "הלבנה" (bleaching), כיוון שבמהלכה מאבדים האלמוגים את פיגמנט הצבע של האצות, ושלדם הלבן נראה מבעד לרקמתם השקופה. כתוצאה מתהליך זה מאבדים האלמוגים את הקשר הסימביוטי החיוני לשגשוגם, שכן, גם אם הלבנתם לא בהכרח גורמת את מותם, העקה שהם נתונים בה מחריפה, ועקב כך הם נעשים פגיעים יותר למחלות. ואכן, בעקבות תופעת ההלבנה גוועו בעשורים האחרונים שוניות רבות. התובנות החדשות אליהן הגיעו המדענים עשויות לסייע להבין את מצבן הבריאותי של שוניות האלמוגים, ולחזות תהליכים המתחוללים בהן בעוד מועד.

 

המדענים עדיין אינם יכולים להוכיח שכל האלמוגים נוהגים באותה צורה, אבל הטבע מציג רמזים שאכן כך. "עצם העובדה שכל ששת הזנים שבדקנו הפגינו יכולת ליצור את המערבולות, והעובדה שהריסים נשמרו במשך 400 מיליון שנים של אבולוציה, הם בגדר ראיות לכך שייתכן כי לשוּניות אלמוגים אלה יש יתרון אבולוציוני מובהק", אומר ד"ר ורדי. מעבר לכך, על אף שאפשר למצוא ריסים דומים גם באורגניזמים מורכבים יותר, כמו דרכי הנשימה בבני-אדם, שם הם עוזרים "לטאטא" זיהומים שונים, הרי שמעצם היותם איברים פנימיים קשה לחקור אותם. לכן, ממצאים אלה עשויים לשמש מודל להבנת יחסי הגומלין של תחלואת המיקרו-אורגניזמים בעלי הריסים.

 

ייתכן שבעתיד אפשר יהיה ליישם את הממצאים האלה. ריסים מלאכותיים הם אחד הפתרונות המוצעים לקידום ערבוב נוזלים בשבבים מיקרו-נוזליים, בהם מעוצב אוסף של מיקרו-ערוצים לכדי חומרים שונים, כגון סיליקון. "אולי בעתיד נוכל ללמוד מאלמוגים כיצד לייעל את סידור הריסים, כך שנצליח למצוא דרך טובה יותר לערבוב נוזלים בהתקנים אלה", אומר ד"ר שפירא.

 

זרימת המערבולת מגבירה את תחלופת החמצן וחומרי המזון בין האלמוגים לסביבתם. מסלולי חלקיקי המעקב מסומנים בצבעים, המעידים על מהירות התנועה. צילום: ד"ר אור שפירא, ד"ר אסף ורדי, ד"ר ויסנטה פרננדז ופרופ' רומן סטוקר

 
תנועת הריסים בין שני פוליפים בשונית האלמוגים Pocillopora damicornis, המראה חלבוני אלמוגים פלורסנטיים (בירוק), אצות סימביוטיות (באדום) ואת מסלולם של חלקיקי המעקב (בכחול). קנה מידה: 200 מיקרומטר. צולם בעזרת שיטה חדשנית, אותה פיתחה קבוצתו של ד"ר אסף ורדי. שיטה זו מאפשרת צילום מיקרוסקופי בזמן אמת של פוליפי האלמוגים. צילום: ד"ר אור שפירא, ד"ר אסתי קרמרסקי-וינטר וד"ר אסף ורדי
מדעי הסביבה
עברית

סוף הפריחה

עברית
מימין: ד"ר אסף ורדי, ד"ר דניאלה שץ, ד"ר יואב להן ופרופ' אילן קורן. שינויי אקלים
 
 
פחמן דו-חמצני הוא אחד מ"גזי החממה" העיקריים שגורמים להתחממות האקלים בכדור-הארץ. במערכת הטבע מתקיים מחזור פחמן, כאשר פחמן דו-חמצני נצרך בתהליכי פוטוסינתזה, ליצירת חומר אורגני כמקור אנרגיה, ומשתחרר בתהליכי נשימה. מדענים בכל העולם בוחנים את המחזור הזה על מנת לשפר את יכולתנו לנטר ולחזות שינויי אקלים.
 
אחד הגורמים המרכזיים בתהליך "צריכת" הפחמן הדו-חמצני מהאטמוספרה הוא הפיטופלנקטון – אותן אצות ימיות חד-תאיות הנישאות במי האוקיינוסים, צורכות פחמן דו-חמצני, מבצעות פוטוסינתזה, ופולטות חמצן לאוויר העולם. למעשה, אצות אלה מפיקות חלק ניכר מהחמצן בעולם.
 
בתצלומי לוויין אפשר לעיתים להבחין בפריחת האצות הימיות, הנפרסת על שטח של אלפי קילומטרים וצובעת חלקים ניכרים מהאוקיינוס. לפעמים מופיעות פריחות אלה וגדלות במהירות – אך גם נעלמות בפתאומיות. כמה פחמן דו-חמצני צורכות האצות הפורחות מהאטמוספרה? ומה קורה לפחמן שמשתחרר כאשר הפריחה נעלמת? התשובה לשאלות אלו תלויה, בין השאר, בגורמים לסיום הפריחה. למשל, אם זואופלנקטון (מעין סרטנים מיקרוסקופיים) יטרפו את הפריחה, צפוי הפחמן שנצרך מהאטמוספרה לעבור במעלה שרשרת המזון. לעומת זאת, אם הפריחה תוגבל בזמינות חומרים מזינים, כמו חנקות וברזל, או תותקף על-ידי נגיפים, אזי עשוי הפחמן לשקוע לתחתית הים יחד עם האצות המתות.
 
צילום לווייני של פריחת פלנקטון מסוג קוקוליטופורים, הקרויים Emiliania huxleyi. צולם בים ברנטס, סמוך לצפון נורבגיה. צוות המדענים השתמש במידע מכמה לוויינים שונים במטרה לכמת את מחזור החיים המלא של פריחת הקוקוליטופורים, בקנה מידה של כ-100 ק"מ בצפון האוקיינוס האטלנטי. ממצאיהם, המתבססים על מדידות שנעשו בשטח בנוסף לצילומי הלוויין, מציעים כי נגיפים הם הכוח המניע את הקריסה המהירה של הפריחות ומשפיע במידה ניכרת על מחזור הפחמן באוקיינוסים. צילום: נורמן קיורינג, נאס"א‎‏
 
 
ארבעה ממדעני ממכון ויצמן למדע – ד"ר אסף ורדי וד"ר דניאלה שץ מהמחלקה למדעי הצמח והסביבה, ופרופ' אילן קורן וד"ר יואב להן מהמחלקה למדעי כדור-הארץ וכוכבי-הלכת – בחנו באחרונה את תפקידן של האצות הימיות במחזור הפחמן העולמי. בעקבות מחקר קודם של ד"ר ורדי, שבמסגרתו חקר את המנגנונים התאיים האחראים לקריסת פריחת אצות ימיות בעקבות הדבקה נגיפית, הן בתנאים טבעיים והן בתנאי מעבדה, ביקשו המדענים לבדוק האם אפשר לזהות ולמדוד את התופעה באמצעות לוויינים. במסגרת הפלגת מחקר ליד איסלנד, אליה יצאו יחד עם עמיתים מאוניברסיטת רטגרס ומהמכון האוקיינוגרפי בוודס הול, אספו המדענים נתונים על נגיפים התוקפים אצות ימיות, ובכך משפיעים על מחזורי הפחמן בעולם.
 
באמצעות הצלבת הנתונים שאספו לוויינים והממצאים שאספו בעת ההפלגה, הצליחו המדענים, לראשונה, להעריך את השפעת הנגיפים על פריחת אצות ימיות באזורים גדולים ופתוחים באוקיינוס. הדבר התאפשר באמצעות איפיון אזורים באוקיינוס שבהם הפריחות אינן מושפעות מתהליכים פיסיקליים (כגון זרמים), ותהליכים ביולוגיים שולטים באופן כמעט בלעדי על גורלן. בהמשך זיהו המדענים פריחה באחד מהאזורים הללו, ועקבו אחר כל מחזור חייה. באמצעות התצפית הם הצליחו לקבוע את תפקידם של הנגיפים בקריסת אותה פריחה. נתונים שנאספו במשלחת מחקר נפרדת לצפון האוקיינוס האטלנטי אישרו את מסקנותיהם.
 
המדענים מעריכים, כי פריחות של אצות ימיות אשר נפרסות על שטח בגודל של כ-1,000 קמ"ר מסוגלות לקבע 24,000 טונות פחמן ליצירת חומר אורגני, במהלך תקופה שנמשכת בין שבוע לשבועיים הספק דומה לזה של יער גשם באותו הגודל. כיוון שזיהום נגיפי עלול לחסל פריחה שלמה במהירות, היכולת לחזות ולמדוד את התהליך באמצעות לוויינים עשויה לתרום להבנת מחזור הפחמן העולמי, ורגישותו למצבי עקה סביבתיים, לרבות נגיפים ימיים.
 
מימין: ד"ר אסף ורדי, ד"ר דניאלה שץ, ד"ר יואב להן ופרופ' אילן קורן. שינויי אקלים
עברית

קוביות קטנות

עברית

ננו-קוביות אינן משחק ילדים. מדעני מכון ויצמן למדע השתמשו בקוביות אלה כדי ליצור מבנים דמויי-חוט: הם הראו, כי בתנאים הנכונים, ננו-חלקיקים בצורת קובייה מסוגלים להתארגן בעצמם וליצור בדרך זו מבנים סליליים. ממצאים אלה, אשר חושפים כיצד ננו-חומר מסוגל להתארגן וליצור מבנים מורכבים ויפהפיים באופן מפתיע, פורסמו באחרונה בכתב- העת המדעי Science.

סליל כפול הבנוי מננו-קוביות של מגנטיט. צולם באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ד"ר רפאל קליין ותלמיד המחקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר גורבינדר סינג, מהמחלקה לכימיה אורגנית במכון ויצמן למדע, בדקו את התופעה באמצעות ננו-קוביות המבוססות על מינרל תחמוצת ברזל הקרוי "מגנטיט". כפי ששמו מרמז, מדובר במינרל בעל תכונות מגנטיות טבעיות, שמצוי במקומות שונים – לרבות בחיידקים, החשים באמצעותו את השדה המגנטי של כדור-הארץ.

 

מגנטיות היא רק אחד הכוחות הפועלים על אותם ננו-חלקיקים. בשיתוף עם קבוצת המחקר של פרופ' פיטר קראל מאוניברסיטת אילינוי, שיקגו, פיתחו ד"ר קליין וד"ר סינג מודל תיאורטי על מנת להבין כיצד מסוגלים כוחות שונים לסדר מחדש את חלקיקי המגנטיט. "כוחות מסוגים שונים גורמים לננו-חלקיקים להתארגן בדרכים שונות", אומר ד"ר קליין. "כוחות אלה יכולים להתנגד זה לזה, כך שהרעיון הוא למצוא את האיזון הנכון ביניהם, שיכול לגרום להרכבה עצמית של החלקיקים למבנים של חומרים חדשים". על-פי המודלים שפיתחו, ישנה חשיבות לצורת הננו- חלקיקים. מתברר, כי רק קוביות יוצרות את האיזון הדרוש לכוחות המנוגדים על מנת ליצור מבנים סליליים.

 

החוקרים מצאו, כי שני הכוחות המנוגדים העיקריים אשר פועלים על החלקיקים הם הכוח המגנטי וכוח ואן דר ואלס. הכוח המגנטי גורם לחלקיקים המגנטיים למשוך ולדחות אחד את השני, ובכך הוא דוחף את החלקיקים דמויי הקובייה להתארגן פינה-מול-פינה. לעומת זאת, כוחות ואן דר ואלס מקרבים את פאות הקוביות, ו"משדלים" אותן להתארגן בשורה. כאשר כוחות אלה פועלים יחדיו על אותן קוביות קטנות, התוצאה היא סידורן העצמאי כמבנים בצורת סליל.

 

בניסוייהם נחשפו המדענים לשדה מגנטי בריכוז גבוה-יחסית של ננו-קוביות מבוססות-מגנטיט בתמיסה. השרשראות הסליליות הארוכות שנותרו לאחר שהתמיסה התאדתה היו מוצקות באופן מפתיע. הם חזרו על הניסוי עם ננו-חלקיקים בצורות שונות, אך כפי שציפו, הם גילו שרק קוביות מתאפיינות במבנה הנכון, שמאפשר להן להתארגן בסליל. בנוסף מצאו ד"ר קליין וד"ר סינג, שכאשר קיים ריכוז חלקיקים גבוה במיוחד, מתפתחים גדילים כיראליים, המעוקלים כולם באותו כיוון. ככל הנראה, כוחות מנוגדים מסוגלים "להביא בחשבון" את הדרך היעילה ביותר לדחוס את הגדילים בחלל נתון.

 

למרות המראה המרשים של גדילי הננו-קוביות, ד"ר קליין אומר שמוקדם מדי לחשוב על יישומים מסחריים. הערך המיידי של עבודתו, הוא מסביר, הוא ההמחשה הבסיסית של בנייה עצמית ברמת הננו. "על אף שחוקרים את המגנטיט לעומק – אפילו בצורתו הננו- חלקיקית – במשך עשורים רבים, אף אחד לא זכה לראות את המבנים האלה בעבר", אומר ד"ר קליין. "רק כאשר נבין כיצד משפיעים אותם כוחות על הננו-חלקיקים, נוכל להתחיל ליישם את הממצאים, ואולי לייצר חומרים חדשים המסוגלים להתארגן ולבנות את עצמם".

עומדים, מימין: ד"ר דבסיס מנה, ד"ר ג'יוונג לי, ד"ר מריה תרסה אוליבירה, ד"ר רפאל קליין, ד"ר סופיה בוחבוט-סיני, ד"ר טינו זדובינסקי,ד"ר אנה מריה מרטין לסנטה וד"ר ט. אודאיאבסקררו. יושבים, מימין: טום וקסלר, ד"ר הוי זאו וד"ר פינטו קומר קונדו. מבנה סלילי

 

 

 
עומדים, מימין: ד"ר דבסיס מנה, ד"ר ג'יוונג לי, ד"ר מריה תרסה אוליבירה, ד"ר רפאל קליין, ד"ר סופיה בוחבוט-סיני, ד"ר טינו זדובינסקי,ד"ר אנה מריה מרטין לסנטה וד"ר ט. אודאיאבסקררו. יושבים, מימין: טום וקסלר, ד"ר הוי זאו וד"ר פינטו קומר קונדו. מבנה סלילי
כימיה
עברית

מעקב צמוד

עברית
 
המוח החי רווי מולקולות קטנות: אלה הם המטבוליטים, אשר אחראים על אין-ספור תפקידים ביולוגיים חיוניים, כגון העברת מסרים, אספקת אנרגיה או הרכבת קרומים. אבל כאשר רוצים לבצע ניטור של המוח בפעולה, השיטה הלא-פולשנית הטובה ביותר, דימות תהודה מגנטית (MRI), מספקת מידע רק על המים בהם מומסים המטבוליטים, ולא על המטבוליטים עצמם. במחקר, שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Communications, פיתחו מדעני מכון ויצמן למדע, בשיתוף פעולה עם מדענים מהמעבדה הלאומית לשדות מגנטיים גבוהים שבארצות-הברית, שיטת תהודה מגנטית מתוחכמת למעקב אחר המטבוליטים.
 
הדמיה באמצעות תהודה מגנטית של מוח חולדה, בו נגרם שבץ בחלקו הימני (מסגרת שחורה); חלקו השמאלי לא נפגע (מסגרת ירוקה)
בשיטת ה-MRI מכניסים רקמה חיה לשדה מגנטי, ובאמצעות גלים אלקטרו-מגנטיים חלשים בתדר רדיו גורמים תנודה ברמת האטומים. תדירות התנודות של האטומים השונים נמדדת בעזרת ציוד תהודה מגנטית.
 
שיטה זו מאפשרת בדרך כלל מעקב רק אחר אטומים של מימן, אשר נפוצים בכל הרקמות החיות ומהווים מרכיב עיקרי במים. מעקב אחר המטבוליטים יכול לאפשר הצצה ייחודית לפעילותן של מערכות חיות, אך קשה לבצעו באמצעות תהודה מגנטית, מפני שנוכחות המטבוליטים ברקמות קטנה פי 10,000 מכמות המים. גם התהודה המגנטית שלהם נמוכה באותו היחס, והיא כמעט בלתי-מורגשת לצד התהודה המגנטית של המים כאשר משתמשים ב-MRI הסטנדרטי.
 
במחקר החדש, אשר בוצע בחולדות, הצליחו המדענים ליישם שיטות תהודה מגנטית מתקדמות למדידת מספר מטבוליטים במוח אשר מושפעים משבץ מוחי. הממצאים, אשר נאספו במהלך השבץ שעברו החולדות ובתקופת ההחלמה שלאחר מכן, תאמו את הדפוסים המוכרים ממחקרים פולשניים, כגון דגימת נוזלי המוח בעזרת מזרק. יתר על כן, המחקר גילה כי המבנים המיקרוסקופיים שמכילים את המטבוליטים עוּותו בעקבות השבץ, כנראה כתוצאה מנפיחות וממחסור בחמצן.
 
המחקר התאפשר בזכות השימוש במכשיר בעל מגנט חזק במיוחד, 21 טסלה, שקיים היום רק לצורך מחקר בחיות מעבדה, בזמן שרוב מערכות ה-MRI המסחריות מתבססות על מגנט שעוצמתו 3 טסלה. גורם מרכזי נוסף היה שיטת ה-MRI בה השתמשו המדענים. הם ביצעו את הסריקות באמצעות סדרה חדשנית של פעימות בתדר רדיו, אשר עוררו את המימן במטבוליטים אך כמעט לא השפיעו על מולקולות המים – דבר שאיפשר להם לקלוט את האותות החלשים של המטבוליטים, אבל לא את אותות המים, החזקים מהם במידה ניכרת. יתר על כן, השיטה איפשרה למדענים לנצל את העובדה, שבגישה בררנית זו חוזרים המימנים שבמטבוליטים לאיזון לאחר שמצבם עורער, הרבה יותר מהר מאשר אטומי המימן במים.
 
 
ביצעו את המחקר פרופ' לוסיו פרידמן, ד"ר נועם שמש, וד"ר ג'אן-ניקולס דומז מהמחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע; ופרופ' סמואל גרנט, ד"ר ג'נס רוזנברג, וחוזה מוניז מהמעבדה הלאומית לשדות מגנטיים גבוהים שבארצות הברית, בה ממוקמת המערכת בעוצמת 21 טסלה.
 
המחקר פותח אפשרויות חדשות לחקר המוח החי, באמצעות מעקב אחר המטבוליטים. בעתיד ייתכן שאפשר יהיה לפתח מעקב זה לכלל שיטה בטוחה ולא-פולשנית לאיבחון שבץ או לגילוי סימנים מוקדמים למחלות מוח שונות המשפיעות על רמות המטבוליטים, כגון מחלת פרקינסון, סכיזופרניה וסרטן.

מנעד התהודה המגנטית, המראה כיצד השתנו רמות המטבוליטים בצד המוח שהושפע מהשבץ (בשחור) לעומת הרמות בצד הבריא (בירוק)

 
 
 
 
 
 
הדמיה באמצעות תהודה מגנטית של מוח חולדה, בו נגרם שבץ בחלקו הימני (מסגרת שחורה); חלקו השמאלי לא נפגע (מסגרת ירוקה)
מדעי החיים
עברית

עמודים