<div>
Science Feature Articles</div>

קשרי משפחה

עברית
 
 
מימין: פרופ' אהוד שפירא, פרופ' נאוה דקל, פרופ' שלו איצקוביץ, ד"ר רבקה אדר. עומדים: יצחק רייזל וד"ר נועה צ'פאל-אילני. קירבה משפחתית
 
מקורן של הביציות בגוף האשה הוא נושא שאינו מובן לחלוטין ונתון במחלוקת. בשנים האחרונות הועלתה אפשרות, כי יצירת הביציות נמשכת גם בנקבה הבוגרת – בניגוד לתיאוריה המקובלת עד כה, הגורסת כי הנקבה נולדת עם מלאי ביציות סופי. מחקר מאוחר יותר טען, כי המקור של ביציות מתחדשות אלה הוא תאי גזע שמקורם בלשד העצם. מדענים ממכון ויצמן למדע הצליחו להפריך את הטענה שביציות נוצרות בלשד העצם, ולהצביע על כיווני מחקר חדשים, שיאפשרו לבדוק אם אכן מתרחשת אספקת ביציות חדשות בבגרות. ממצאיהם, המבוססים על שיטה מקורית לשיחזור "שושלות יוחסין" של תאים, התפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי המקוון PLoS Genetics.
 
השיטה לקביעת שושלות יוחסין של תאים, שפותחה במהלך השנים האחרונות במעבדתו של פרופ' אהוד שפירא, מהמחלקה לכימיה ביולוגית ומהמחלקה למתמטיקה שימושית ומדעי המחשב במכון ויצמן למדע, מבוססת על העובדה שהחומר הגנטי שבכל התאים עובר מוטציות, ומוטציות אלה מועברות לתאי הבת בזמן חלוקת התא. אפשר להשתמש במוטציות האלה כדי לבדוק אם קיימת קירבה בין תאים, ואף לקבוע את מידת הקירבה (כלומר – מספר הדורות עד לתא אב משותף), וכך לייצר "עץ משפחה" תאי. פרופ' שפירא, ביחד עם חברי קבוצתו, ד"ר שלו איצקוביץ וד"ר רבקה אדר, בשיתוף עם פרופ' נאוה דקל מהמחלקה לבקרה ביולוגית, ותלמיד המחקר מקבוצתה יצחק רייזל, השתמשו בשיטה זו כדי לקבוע האם ייתכן, שמקורם של תאי ביצית הוא בתאי גזע שבלשד העצם. ממצאי המחקר מראים, כי התאים מרוחקים מאוד זה מזה מבחינה גנטית, ולכן לא ייתכן כי אחד מהם הוא האב של התא האחר.
 
המדענים גם הופתעו לגלות, כי הביציות שבעכברות בוגרות עברו חלוקות תאים רבות יותר מאלו שבעכברות צעירות. ייתכן כי הסיבה לכך היא שמלאי הביציות אכן מתחדש במהלך הבגרות, אך קיימת גם אפשרות שהביציות נוצרו כולן לפני הלידה, אבל עברו מספר שונה של חלוקות, וכי ביציות שמקורן במספר חלוקות מועט יותר, עוברות ביוץ בשלב מוקדם יותר. כדי להכריע בין שתי אפשרויות אלו יידרש מחקר נוסף.
 
"שאלות מרכזיות רבות בביולוגיה וברפואה הן למעשה שאלות על 'שושלות יוחסין' של תאים", אומר פרופ' שפירא. ואכן, סדרת מחקרים שביצעו בחודשים האחרונים פרופ' שפירא וחברי קבוצתו, בשיתוף עמיתים נוספים, הוכיחו את יעילותה ואת גמישותה של השיטה. כך, לדוגמה, בדקו המדענים את תיאורית "הגדיל הנצחי" (immortal strand), הטוענת כי במהלך חלוקת תא הגזע (בה נוצר תא גזע חדש ותא ממוין), מועבר גדיל הדי-אן-איי הזקן יותר לתא הגזע. המחקר גילה, כי תאי הגזע המצויים במעי אינם מכילים "גדיל נצחי", ואישר ממצאים קודמים בנושא זה.
 
מחקר נוסף נועד לתת מענה לשאלה בדבר הקשר בין שני סוגי תאים המצויים ברקמת שריר מתפתחת: תאים מיוגניים, שמהם נוצרים סיבי השריר, ותאים לא-מיוגניים, שאינם יוצרים סיבי שריר. שושלת היוחסין הראתה, כי מידת הקירבה בין שני סוגי התאים, המצויים ברקמת שריר אחת, היא גדולה יותר מהקירבה שבין תאים השייכים לאותו סוג – אך מצויים בשרירים שונים.
 
אחד היתרונות המיידיים של המערכת שפיתח הצוות של פרופ' שפירא הוא, שמדובר בסקירה לא פולשנית, ולכן אפשר ליישם אותה על תאים אנושיים. מרבית המחקרים האחרים בתחום ההתפתחות מבוססים על חיות מעבדה מהונדסות גנטית, שתאי הגזע שלהן מסומנים באמצעות סמנים פלואורסצנטיים. בנוסף להיותה כלי מחקרי יעיל ורב-עוצמה, פרופ' שפירא סבור כי יום אחד אפשר יהיה להשתמש בשיטה החדשה גם לצורך אבחון. כך, לדוגמה, רופאים יוכלו לגלות באמצעותה את ההיסטוריה של תאים סרטניים בודדים, ולקבוע את שיטת הטיפול הטובה ביותר בגידול.
 
במחקרים השתתפו גם נועה צ'פל-אילני, אדריאן יניק, ד"ר אלעד שגב, פרופ' ערן סגל וד"ר יוסף מרובקה מהמחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית; ציפורה מרקס, אינה הורוביץ ואדם וסרשטרום מהמחלקה לכימיה ביולוגית; ד"ר יהודית אלבז וד"ר נאוה נבו מהמחלקה לבקרה ביולוגית; ד"ר אבי מאיו מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא במכון ויצמן למדע; וכן ד"ר גבי שפר, ד"ר אירנה שור ופרופ' דפנה בניהו מאוניברסיטת תל אביב, ופרופ' קרל סקורקי וד"ר לירן שלוש מהטכניון ומהמרכז הרפואי רמב"ם.
 
קביעת עץ המשפחה של תאי עכבר מראה, כי תאי הביציות (באדום) מרוחקים מבחינה גנטית משני סוגים של תאי גזע בלשד העצם (בצהוב ובכחול)
 
 
מימין: פרופ' אהוד שפירא, פרופ' נאוה דקל, פרופ' שלו איצקוביץ, ד"ר רבקה אדר. עומדים: יצחק רייזל וד"ר נועה צ'פאל-אילני. קירבה משפחתית
מתמטיקה ומדעי המחשב
עברית

חיקוי עם שיניים

עברית
 

 

מימין: פרופ' דניאל וגנר וד"ר בני בר-און. ארגון עצמי

 
כשזה מגיע לתחכום, הטבע מביס אותנו פעם אחר פעם. לדוגמה, במה שקשור לתכנון חומרים, אנחנו לא מפסיקים להעתיק ממנו. כנפי מטוסים, לוויינים, ואולי גם פגושים של מכוניות – הם רק חלק מההתקנים אשר יעוצבו, אולי, בעתיד על בסיס חומרים ביולוגיים שהטבע העניק להם חוזק בלתי-רגיל: הם מסודרים כמבנה בתוך מבנה – בדומה לבובות "בבושקה" רוסיות.
 
כדי לייצר חומרים סינתטיים עמידים כאלה, יש לחקור את המבנה הטבעי לפרטי פרטים. מדעני מכון ויצמן למדע עשו באחרונה צעד חשוב בכיוון זה. פרופ' דניאל וגנר והחוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר בני בר-און, מהמחלקה לחומרים ופני שטח שבפקולטה לכימיה, בנו מודל מתמטי חדש, אשר מבהיר את התכונות המכניות של חומרים ביולוגיים חזקים רבים – כמו שיניים, עצמות, צדפות, קשקשי דגים, קרני איילים, שריונות צבים, ועוד.
 
כל אלה מכונים "חומרים מרוכבים", מפני שהם בנויים משני רכיבים: אלמנטים מינרליים קשיחים הנעוצים בתוך מצע אורגני רך, כמו חלבון. השילוב בין השניים יוצר מבנה דומה לזה של לבנים וטיח, המקנה לחומרים מרוכבים את עמידותם. פרופ' וגנר וד"ר בר-און הביאו בחשבון עובדה נוספת: בחלק מהחומרים המרוכבים, הלבנים והטיח הם בעצמם חומרים מרוכבים, הבנויים מאותם רכיבים, אך בסדר גודל קטן פי 100, או פי 1,000. זווית ראייה זו הוסיפה רמה חדשה של מורכבות, אשר מסבירה, למשל, כיצד השיניים שלנו משרתות אותנו היטב, במשך עשרות שנים.
 
דנטין, החומר הפנימי של השן, הוא חומר מרוכב הבנוי מצינוריות מינרליות דקות ה"מודבקות" יחד על-ידי "טיח" קולגן. המינרל עצמו הוא שביר, אך בשילוב עם הקולגן הוא הופך להיות חזק במידה יוצאת דופן. המודל החדש של פרופ' וגנר וד"ר בר-און מביא בחשבון, כי "טיח" הקולגן אשר עוטף את צינוריות המינרל של הדנטין, שרוחבן הוא מספר מיקרומטרים (מספר מיליוניות המטר), מכיל לא רק קולגן. מתברר, כי הוא בעצמו חומר מרוכב, אשר בנוי מגבישי מינרל בגודל מספר ננו-מטרים (מיליארדיות המטר), עטופים בחלבון – גם הוא בגודל ננו. "המבנה מזכיר בובה רוסית – פתחנו 'בובה' אחת, ואנחנו מגלים בפנים עוד מבנה מרוכב", אומר ד"ר בר-און. המודל מביא בחשבון, כי ה"לבנים" של המינרל בדנטין מונחות לא רק בצורה מוסטת זו ביחס לזו, כמו בקיר לבנים, אלא גם בפריסה מרחבית שונה: הלבנים הגדולות, היוצרות את המבנה, מונחות בצורת מניפה, והלבנים הקטנות יותר פונות לכיוונים שונים – דבר המוסיף לדנטין קשיחות ועמידות בכיוונים רבים, וצפיפות משתנה בעומקים שונים של השן.
 
המודל מספק הסבר לממצאים ממחקרים קודמים של פרופ' וגנר, לפיהם הדנטין רך יותר בחלקה העליון של השן, וקשה יותר בבסיסה, קרוב לחניכיים. ההבדלים בצפיפות מבטיחים ספיגת זעזועים, ומונעים התפשטות הסדקים באמייל השן. בנוסף, ההתייחסות לשינויים בצפיפות פותרת מחלוקת ששררה עד כה סביב הדנטין: עד כה נמדדו ערכים שונים מאוד עבור הקשיחות של הדנטין, אך לא נמצא הסבר לתופעה. כעת ברור, שהמדידות נעשו בשכבות שונות של הדנטין, מבלי לדעת כי הצפיפות שלו, וכתוצאה מכך גם קשיחותו, משתנה משכבה אחת לשנייה. העיצוב הטבעי של הדנטין יכול להוות השראה למבנים סינתטיים בעלי רכיבים מרוכבים, הניתנים ל"כיוונון מכני".
 
הדנטין, כמו חומרים ביולוגיים נוספים מרובי-סקאלות, נוצר בטבע בדרך מופלאה - באמצעות ארגון עצמי. המודל החדש של פרופ' וגנר וד"ר בר-און עשוי להוביל לייצור חומרים מרוכבים כאלה בדרך סינתטית. המודל תואר בשנה וחצי האחרונה בארבעה מאמרים מדעיים, בכתבי-העת Journal of the Mechanics and Physics of Solids ו-Journal of Biomechanics. המודל הוכיח את עצמו כאמין ביותר, הן כאשר נבחן כנגד סימולציות מספריות, והן כנגד מדידות פיסיקליות של דנטין וחומרים ביולוגיים אחרים, שנעשו במעבדות שונות בעולם - כולל במעבדתו של פרופ' וגנר במכון ויצמן. המודל הנוכחי מהווה קפיצת מדרגה משמעותית בהשוואה למודלים קודמים המתארים מבנה ומכניקה של עצמות, שפיתח פרופ' וגנר בשנות ה-90 של המאה הקודמת, בשיתוף עם פרופ' סטיב ויינר מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון ויצמן למדע.
 
בנוסף לחלקי מטוסים, לוויינים ומכוניות, עשויים חומרים הבנויים בהשראת הטבע לתרום לשיפורם של התקנים רבים, שעבורם העמידות לפגיעה היא תכונה חיונית. אלה כוללים למשל שכפ"צים, מכוניות משוריינות, ודלתות עמידות במיוחד. חומרי העתיד המבוססים על חומרים בעלי מבנים בסדרי גודל רבים צפויים להיות עמידים גם בפני שחיקה.
 
מימין: פרופ' דניאל וגנר וד"ר בני בר-און. ארגון עצמי
כימיה
עברית

הפיסיקה שמעבר לפינה

עברית
 

מימין: פרופ' אלכסנדר זמולודצ'יקוב, פרופ' אדם שווימר וד"ר זוהר קומרגודסקי. שדות קוונטיים

מאיץ החלקיקים LHC, הפועל במעבדה האירופית לחקר פיסיקת החלקיקים שליד ז'נבה, CERN, מאותת לפיסיקאים שדבר מה גדול עשוי להתחולל בקרוב. המאיץ מסוגל לגלות כוחות וחלקיקים שעד כה לא יכולנו לגלותם. מדובר, למשל, בחלקיקים קטנים בהרבה מהניטרונים ומהפרוטונים שבגרעין האטום (שגודלם הוא מיליונית מיליארדית המטר). המאיץ החדש עשוי לגלות חלקיקים שגודלם הוא כמיליארדית מיליארדית המטר – אטו-מטר. ואם לא די בזה, הוא יוכל להפיק אירועים שבהם יפעלו אנרגיות גבוהות מאוד על החלקיקים הזעירים האלה. מדובר, בפשטות, במחוזות שלא יכולנו להגיע אליהם עד עתה. מה נגלה שם?
 
האמת היא, שהפיסיקאים אינם יודעים למה לצפות. אבל מטבע הדברים הם מנסים להתכונן לבאות, ולהכין כלים שבאמצעותם יוכלו להתמודד עם תופעות, חלקיקים וכוחות חדשים. השאלה הגדולה היא, האם תורת השדות הקוונטית תוכל לתאר את התחום החדש הזה של הפיסיקה, שבו החלקיקים קטנים כל כך, המרחקים זעירים כל כך, והאנרגיות גבוהות כל כך. תורת השדות הקוונטית היא התורה המדעית המוכחת ביותר והמדויקת ביותר עד כה, ובמובן מסויים, היא הבסיס לכל מה שאנחנו יודעים על העולם. למעשה, היא תוצאה בלתי-נמנעת של הניסיון לישב את תורת הקוונטים, מיסודם של בוהר והייזנברג, עם תורת היחסות הפרטית של איינשטיין.
 
אחד מהניסיונות האלה מתבטא במאמץ להוכיח השערה שטבע לראשונה הפיסיקאי האנגלי ג'ון קארדי בשנת 1988. לפי השערה זאת, קיים אי-שוויון מסוים, שהוא האחראי לתופעות שבהן מערכות בעלות "חוקי משחק" ידועים, שבהן משתתפים גורמים רבים מאוד, מגיעות למצבים שאין אפשרות להסבירם באמצעות החוקים והשחקנים בלבד; למשל, התנהגות של מניות ומדדים בבורסה, או עומסי תנועה, או מזג האוויר. מדובר באי-שוויון בין כמות דרגות החופש שמתקיימות במרחקים קצרים מאוד (כמו אלה שיכולים להתקיים בין החלקיקים הזעירים החדשים שאולי יתגלו בניסויים במאיץ החלקיקים LHC), לבין כמות דרגות החופש במרחקים גדולים יותר (כמו אלה שמתקיימים בין חלקיקי החומר המוכרים לנו כיום).
 
אם השערת קארדי נכונה, כי אז ייתכן שאפשר יהיה להסביר באמצעותה, כיצד ממערכת שבה פועלים חלקיקים קטנים בהרבה מהפרוטונים ומהניטרונים, במרחקים זעירים ובאנרגיות גבוהות מאוד, מתקבל, ככל שהמערכת מתקררת, המודל הסטנדרטי שהוא התיאוריה הפיסיקלית הידועה, המוכרת והמקובלת. במילים אחרות, אם ההשערה נכונה, נוכל להסביר ולהבין כיצד מהעולם המסובך מאוד של החלקיקים התת-אטומיים הזעירים, ובאנרגיות העצומות שפועלות ביניהם, התפתח ונוצר העולם שאנחנו מכירים.
 
כשנתיים לפני שקארדי הציג את השערתו, בשנת 1986, הצליח הפיסיקאי אלכסנדר זמולודצ'יקוב להוכיח, שאי-שוויון בין דרגות החופש במרחקים קצרים לבין דרגות החופש במרחקים ארוכים, קיים במערכות דו-ממדיות (בעלות מימד אחד של מרחב ומימד אחד של זמן). יש הסוברים, שעבודתו של זמולודצ'יקוב דירבנה את קארדי להציג את השערתו בדבר אי-שוויון דומה שמתקיים במערכות בעלות 4 ממדים (3 ממדי מרחב ומימד אחד של זמן). אבל השאלה האם ההשערה עומדת במבחן המציאות, נותרה פתוחה, עד שערב אחד, לפני כמה חודשים, לחופו של אי בים האגאי, שוחחו שני פיסיקאים תיאורטיקאים ממכון ויצמן למדע - פרופ' אדם שווימר מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות, וד"ר זוהר קומרגודסקי שהיה תלמיד מחקר במכון, יצא למחקר בתר-דוקטוריאלי במכון ללימודים מתקדמים בפרינסטון, וחזר והצטרף באחרונה לסגל המדעי של המחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה.
 
פרופ' שווימר וד"ר קומרגודסקי ניסו, במשך כמה שנים, למצוא דרך להוכיח את השערת קארדי, ולהופכה למשפט מן המניין. הם חלקו את רעיונותיהם מעת לעת, ובאמתחתם היו מספר כיווני פעולה אפשריים, אך אף אחד מהם לא הבשיל לכדי הוכחה של ממש. באותו אחר צהריים, על חופו של אי בים האגאי, בהפסקה בין הרצאות של כנס מדעי שהתקיים במקום, ישבו השניים, מול השמש הצונחת לאיטה אל המים הכחולים, ושוחחו על הבעיה הוותיקה. לפתע, עלה הפתרון וצף: אמנם, אף אחת מהדרכים שניסו בדרך לפתרון לא הפיקה את ההוכחה המיוחלת, אבל שילוב מסוים של 4 או 5 התחלות יצר את המסגרת שעליה התבססה ההוכחה.
 
עד כה נבחנה ההוכחה בידי פיסיקאים רבים, שהודיעו כי היא אכן עומדת באתגרים שונים. עם זאת, מדעני המכון אומרים שלפני שהיא תתקבל ממש, יהיה עליה לעמוד באתגרים נוספים.
 
מימין: פרופ' אלכסנדר זמולודצ'יקוב, פרופ' אדם שווימר וד"ר זוהר קומרגודסקי. שדות קוונטיים
חלל ופיסיקה
עברית

חוק וסדר

עברית
 
 
מימין: דוד צביון, פרופ' ארנסטו יוסלביץ וד"ר מרק שוורצמן. גדילה אופקית
 
 
למרות יתרונותיהם הבולטים כמוליכים למחצה, ננו-חוטים הם יצורים לא ממושמעים ולא מסודרים, ולכן קשה לממש את מלוא הפוטנציאל שלהם בתעשיית האלקטרוניקה והאלקטרו-אופטיקה. פרופ' ארנסטו יוסלביץ וחברי קבוצת המחקר שלו במכון ויצמן למדע גילו דרך לגדל ננו-חוטים של חומר מוליך למחצה באופן אופקי על משטח, והצליחו לראשונה לכוון אותם לגדול במבנים מסודרים באורך מילימטר – ארוכים פי 100 מננו-חוטים המתקבלים בשיטות אחרות. מוליכים-למחצה בעלי מבנים מסודרים עומדים בבסיס מרבית הטכנולוגיות המתקדמות, ומחקר זה עשוי להוביל לפיתוח מוליכים למחצה בעלי תכונות חשמליות ואופטיות משופרות, המתאימים למיגוון רחב של שימושים, כמו טרנזיסטורים, התקני LED, לייזרים, תאים פוטו-וולטאיים ועוד.
 
תמונה במיקרוסקופ אלקטרונים סורק של ננו-חוטים עשויים גליום-ניטריד, הגדלים במסודר על גביש ספירתוצאות המחקר, שהתפרסמו בכתב העת המדעי Science, מראות כי כאשר הננו-חוטים גדלים במאוזן על משטח מדורג או מחורץ, יש לפני השטח השפעה מכוונת חזקה על היווצרותם. כתוצאה מכך נוצרים מבנים מסודרים וארוכים. בניגוד לכך, השיטות הנהוגות כיום לייצור ננו-חוטים במאונך על פני שטח מובילות ליצירת ננו-חוטים קצרים יותר ובעלי צורה לא מסודרת, שאיכותם נופלת בהרבה מאלה הנוצרים בשיטה החדשה.
 
פרופ' יוסלביץ, תלמיד המחקר דוד צביון, והחוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר מרק שוורצמן מהמחלקה לחומרים ופני שטח שבפקולטה לכימיה, לקחו גביש של ספיר – החומר המשמש מצע לגידול המוליך למחצה – וחתכו אותו בזוויות שונות ביחס למישור הגביש. כך נוצרו על פני השטח מספר תבניות: חלקה, מדורגת, או מחורצת כמו אקורדיון. לאחר מכן הם גידלו על משטחים אלה – במאוזן – ננו-חוטים של מוליך למחצה הקרוי גליום ניטריד, כשהם משתמשים בשיטה המשמשת בדרך כלל לגידול ננו-חוטים במאונך למשטח. למעשה, הגורם שהגביל את יעילות השימוש בשיטה זו עד כה הוא הקושי של הננו-חוטים להתארגן במבנים מסודרים, והצורך "לקצור" את הננו-חוטים המאונכים כדי לסדר אותם לאחר מכן במאוזן.
 
פרופ' יוסלביץ: "הופתענו לגלות, כי התכונות האופטיות והחשמליות של הננו- חוטים שגידלנו היו טובות לפחות כמו אלו של ננו-חוטים שגדלים במאונך – ואף עלו עליהן, משום שגידול מוליכים למחצה על פני השטח גורם בדרך כלל פגמים שפוגעים באיכותם".
 
למרות שעדיין לא ברור בדיוק כיצד מתרחשת גדילתם האופקית של הננו-חוטים, פרופ' יוסלביץ וחברי צוותו סבורים כי היכולת לשלוט בעת ובעונה אחת על ייצורם של ננו-חוטים איכותיים ועל סידורם עשויה לפתוח פתח למיגוון יישומים טכנולוגיים.

 

ננו-עוגה

חברי קבוצת המחקר של פרופ' ארנסטו יוסלביץ חיכו בסבלנות לשמוע מדוע קרא להם לפגישה דחופה, ובסופו של דבר נכנס יוסלביץ לחדר, ובידיו עוגה ובקבוק שמפניה. כעבור כמה רגעים בהם בהו בקישוטים המוזרים שעל העוגה, הם הבינו כי המאמר שכתבו על הננו- חוטים התקבל לכתב העת Science. את עוגת הננו-חוטים – על בסיס טורט תפוזים שאפתה אשתו – עיצב יוסלביץ בעצמו. כדי לדמות את פני השטח של גביש הספיר הוא חרץ חריצים בעוגה, וכיסה אותם בשוקולד לבן מומס. הננו-חוטים עוצבו מבצק סוכר בצבע צהוב. ו"הדובדבן שבקצפת" – שקדים מסוכרים בצבע כסף, בקצהו של כל ננו-חוט צהוב, הזכירו את ננו-חלקיקי הניקל המשמשים כזרזים ליצירת הננו-חוטים.
 
תמונה במיקרוסקופ אלקטרונים סורק של ננו-חוטים עשויים גליום-ניטריד, הגדלים במסודר על גביש ספיר
כימיה
עברית

תפקיד חדש להורמון האהבה

עברית
 

מימין : ד"ר ז'אנה בלכמן, ד"ר ליאת אמיר-זילברשטיין, עמוס גוטניק וד"ר גיל לבקוביץ. דיאלוג

האמירה המקובלת ש"הכל בראש" אינה רק משפט קליט, אלא תיאור די מדויק של תיפקוד גוף האדם: החל בלחץ הדם וכלה בתיאבון ובחילוףהחומרים, חלק נכבד מכימיית הגוף נשלט על-ידי המוח. במחקר שהתפרסם לאחרונה בכתב העת המדעי Developmental Cell גילתה קבוצת מדענים, בראשות ד"ר גיל לבקוביץ, כיצד בדיוק בנוי איזור חיוני במוח, שדרכו מעביר המוח פקודות ביוכימיות מסוימות אל מחזור הדם, וממנו לכל הגוף.
 
האיזור הזה, הקרוי נוירו-היפופיזה, נמצא בתחתית בסיס המוח, ומהווה ממשק למעבר מידע בין סיבי עצב לבין כלי הדם. כאן מתרחש חלק מהדיאלוג החשוב בין המוח לגוף: תאי העצב מפרישים לדם את ההורמונים השולטים במספר תהליכים מרכזיים, בהם, בין היתר, בקרת מאזן הנוזלים בגוף וכיווצי הרחם בזמן לידה.
 
הנוירו-היפופיזה נחקרת כבר למעלה ממאה שנה. כעת, באמצעות כלים גנטיים חדשים שפיתחו מדעני מכון ויצמן למדע, התאפשרה בחינה מחודשת של המבנה התלת-ממדי שלה, והובהרו התהליכים המולקולריים המובילים להיווצרותו של איזור זה במהלך ההתפתחות העוברית.
 
מכיוון שהנוירו-היפופיזה של האדם מורכבת מעשרות אלפי תאים, ערכו המדענים את המחקר בעוברים חיים של דגי זברה, שמוחם פשוט יותר. עוברי דגי הזברה הם מודל מוצלח במיוחד לחקר מוחם של בעלי חוליות הודות לכך שהם שקופים לגמרי, ואפשר לעשות בהם שינויים גנטיים בקלות יחסית. כל זה איפשר למדענים לצפות, באמצעות מיקרוסקופ ובזמן אמת, באופן היווצרות הנוירו-היפופיזה של הדג. ממצאים אלה תקפים לבני אדם מפני שחלק זה של המוח בנוי בצורה דומה בכל בעלי החוליות. המחקר נעשה במעבדתו של ד"ר לבקוביץ במחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא על-ידי תלמיד המחקר עמוס גוטניק וד"ר ז'אנה בלכמן. מדעני המכון עבדו בשיתוף עם ד"ר יאן קסלין מאוניברסיטת מונאש שבאוסטרליה, ד"ר לוקאס הרוויג, ד"ר היינץ-ג'ורג בלטינג וד"ר מרקוס אפולטר מאוניברסיטת בזל שבשוייץ, וד"ר ג'ושוע בונקובסקי מאוניברסיטת יוטה שבארה"ב.
מבנה תלת-ממדי של הנוירו-היפופיזה בעובר דג זברה. האזור משמש כממשק בין סיבי עצב (ירוק), עורקים (אדום) וורידים (כחול)
במחקר התגלה תפקיד חדש ומפתיע להורמון האוקסיטוקצין, שזכה לכינוי "הורמון האהבה", מפני שבנוסף לתרומתו לשליטה בתיאבון (ראו מסגרת) ולתיפקודי רבייה בנשים, כמו הנקה, הוא תורם גם לרגש האימהי ולתחושת קירבה בין בני זוג. מדעני המכון הראו, כי אוקסיטוצין, אחד משני ההורמונים העיקריים המופרשים מהנוירו-היפופיזה בעת הבגרות, משתתף בהתפתחות איזור מוחי זה כבר בשלב העוברי. בעובר מסייע האוקסיטוצין, המופרש על-ידי תאי עצב, ליצור כלי דם חדשים. "בעצם, שליח הורמונלי זה עוזר לבנות את הצינורות שדרכם יועברו בעתיד המסרים שלו עצמו", אומר ד"ר לבקוביץ.
 
כתב העת Developmental Cell פירסם קדימון על ממצאים אלה תחת הכותרת "הורמון האהבה מושך שותף לחיים".
 
ממצאים אלה הם הישג חשוב למדע הבסיסי, מפני שהם שופכים אור על תהליכים יסודיים ביותר במוח, אך בעתיד עשויה להיות להם גם תרומה לטיפול במחלות. הנוירו-היפופיזה היא מהאזורים הבודדים במוח שמתרחש בהם שיקום לאחר פגיעה. לכן, הבנת אופן היווצרותה עשויה בעתיד לפתח שיטות לשיקום אזורים פגועים אחרים במוח.
 

ענייני תיאבון

אחד מתפקידיו הרבים של ההורמון אוקסיטוצין הוא דיכוי התיאבון. מכך עשוי להשתמע, שאוקסיטוצין יכול לשמש כגלולת הרזיה נפלאה: אם רק נגרום לגוף לייצר יותר אוקסיטוצין, הרעב ייעלם. אך בחיים כמו בחיים, הדברים אינם פשוטים כל כך.
 
מדעני מכון ויצמן למדע גילו, כי חלבון הקרוי PCG-1 אלפא, אשר מדרבן את צריכת האנרגיה של הגוף בעקבות צום, פעילות גופנית או חשיפה לקור, מדרבן גם את היווצרותו של האוקסיטוצין. במילים אחרות, אותו חלבון גורם שני תהליכים ביוכימיים בעלי השפעה הפוכה: האחד מגביר את התיאבון באמצעות הגברת צריכת אנרגיה, ואילו השני מדכא את התיאבון. מחקר זה התפרסם באחרונה בכתב העת Journal of Neuroscience. הוא התבצע במעבדתו של ד"ר לבקוביץ על-ידי ד"ר ז'אנה בלכמן, ביחד עם ד"ר ליאת אמיר-זילברשטיין ותלמיד המחקר עמוס גוטניק, ועם ד"ר שפרה בן דור מהיחידה לשירותים ביולוגיים. המדענים השתמשו בדגי זברה כמודל, ופיתחו שיטה גנטית ייחודית שאיפשרה להם להבהיר כיצד משפיע PCG-1 אלפא על הפרשת האוקסיטוצין מתאי העצב במוח.
 
אם יתברר כי הממצאים האלה תקפים לגבי בני אדם, כי אז נראה שכדי לשלוט בתיאבון בעזרת אוקסיטוצין, יש להביא בחשבון את המורכבות של המנגנונים השולטים בתיאבון. כך, לדוגמה, יש צורך להפריד בין שתי הפעולות ההפוכות של PCG-1 אלפא, ולהגביר רק את הפעולה אשר מדכאת את התיאבון.
 

צירי לידה

בחודש אפריל השנה בילה תלמיד המחקר עמוס גוטניק מספר לילות ללא שינה כדי להכין את הסמינר המחלקתי על נושא הדוקטורט שלו, ההורמון אוקסיטוצין. כמה שעות לאחר הסמינר, בדיוק כשהתכונן ללכת סוף-סוף לנוח, גילה גוטניק שאוקסיטוצין – אשר אחראי, בין היתר, לצירי לידה ולקשר בין האם לתינוק – עומד שוב להפריע לו לישון, אך הפעם מחוץ למעבדה: אשתו שרון נכנסה לחדר לידה עם צירים. למחרת, ב-13 באפריל, ילדה את ילדם הראשון, הבן עומרי. עמוס ושרון, שהיום עושה דוקטורט בחקר המוח באוניברסיטת תל-אביב, הכירו ביום הראשון כתלמידים לתואר שני במכון ויצמן למדע.
 
מימין : ד"ר ז'אנה בלכמן, ד"ר ליאת אמיר-זילברשטיין, עמוס גוטניק וד"ר גיל לבקוביץ. דיאלוג
מדעי החיים
עברית

הרשת החברתית

עברית
 
ד"ר עופר פיינרמן. מאמץ משותף
נמלים, המאכלסות את כדור-הארץ כבר 100 מיליון שנה, הן אחת הדוגמאות המופלאות לשיתוף פעולה ביולוגי מהסוג שאליו התכוון דארווין כשאמר: "פרטים שלמדו לאלתר ולשתף פעולה, הצליחו לשרוד". אלפי נמלים נקבות לוקחות חלק בפעילות מתואמת ומשותפת, במטרה לענות על כל הצרכים הנדרשים לחייה התקינים של המושבה כולה (בניגוד לכך, הנמלים הזכרים אינם שותפים למאמץ. כל תפקידם הוא להזדווג עם המלכה, ולאחר שביצעו משימה זו – הם מתים). חלק מהנמלים יוצאות להביא מזון, בעוד אחרות נשארות כדי לטפל בצאצאים, לבנות את הקן, לבצע עבודות "תחזוקה", ולהגן על המושבה, ויש אף נמלים שתפקידן לקבור את המתים. עובדה הראויה לציון מיוחד היא, שהפעילות המשותפת הזאת מתנהלת ללא מנהיג – במושבה אין שום "בוס" או "גוף שלטוני" שמארגן את המשימות הרבות. ללא מנגנונים שלטוניים, מרבית החברות ייצאו מאיזון וייכחדו. כיצד מצליחות איפוא הנמלים לשתף פעולה, ולחלק את העבודה בצורה כל כך מוצלחת ו"מתחשבת"?
 
במעבדתו החדשה במחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, מקווים ד"ר עופר פיינרמן וחברי קבוצת המחקר שלו לחשוף חלק מסודות הנמלים באמצעות מאמץ משותף ומתואם משל עצמם, המבוסס על שיטות מחקר הלקוחות מתחומים כמו תורת האינפורמציה, סטטיסטיקה ופיסיקה תיאורטית, מדעי המחשב, ביולוגיה של מערכות, מדעי המוח, וכמובן, ביולוגיה. "הביולוגיה מבוססת על מערכות מורכבות, אשר בנויות מרכיבים בודדים – חלבונים, תאים או יצורים חיים. היצורים עצמם מאורגנים ברשתות שמתאמות את הפעילות שלהם. אך בעוד מדע הביולוגיה מסוגל לזהות ולאפיין את המרכיבים הבודדים, יחסי הגומלין ביניהם הם מורכבים ביותר, וניתוח הנתונים האלה בשיטות ביולוגיות הוא בלתי-אפשרי. באמצעות 'שאילת' כלים מתחום הפיסיקה והמתמטיקה אפשר להכניס לתמונה מדידות כמותיות, ובאמצעותן להגדיר את החוקים השולטים בהתנהגות הקולקטיבית המורכבת המאפיינת רשת ביולוגית", אומר ד"ר פיינרמן.
 

דבר אל הנמלים

נמלים "מדברות" זו עם זו בעיקר בשפת הכימיקלים. כך, לדוגמה, כאשר נמלה מוצאת מקור מזון עשיר, היא משאירה מאחוריה נתיב של פרומונים, אשר מסמנים לנמלים האחרות את הדרך. אבל ד"ר פיינרמן רוצה להבין יותר לעומק את הרשתות החברתיות שנוצרות בין הנמלים בזמן העברת מידע מסוג זה.
 
לתוך מתקן, המזכיר את בית האח הגדול, הכניס ד"ר פיינרמן מספר נמלים. המבנה המלאכותי דמוי הקן מרושת במצלמות, המאפשרות למדענים לצותת ל"שיחות" בין הנמלים. בנוסף, באמצעות סימון ברקוד אישי לכל נמלה, המדענים מסוגלים לעקוב ולהקליט את הפעילויות של כל נמלה. כך הם מקווים לענות על שאלות כמו: מי מדברת עם מי? האם קיימות קבוצות חברתיות שונות, או שכל הנמלים מתקשרות זו עם זו, ללא "אפליה"? האם העברת המסרים נעשית כשהנמלים נשארות במקומן – בדומה למשחק "טלפון שבור", או שמדובר ב"שירות שליחים", שבמסגרתו הנמלים מעבירות מסרים לטווחים רחוקים?
 
ד"ר פיינרמן: "נמלים משתמשות באסטרטגיות תקשורת מגוונות הנעות מקיצוניות אחת לשנייה, כתלות בסביבה ובהקשר. דוגמה אחת לכך היא שיטת ה'שק קמח', שבה נמלה אחת רוכבת על גבה של נמלה אחרת. שיטה זו איטית, אך היא אמינה וישירה, ויכולה לשרת אותן במצבים שונים, כמו, למשל, כדי לוודא שנמלה מסוימת מגיעה בדיוק למקור המזון, ללא סכנה שתאבד את דרכה. מצבים אחרים מחייבים שיטות תקשורת ממוקדות פחות אך מהירות יותר. לדוגמה, אם המושבה מותקפת, הנמלים מפרישות פרומונים המתפזרים באוויר. דבר זה פועל כמערכת אזעקה, אשר מזהירה במהירות את המושבות השכנות".
 
נמלה מסומנת בברקוד במעבדתו של ד"ר פיינרמן
מטרת המחקר היא לא רק לחשוף את עקרונות הפעולה הסבוכים של מושבת הנמלים. בטווח הרחוק יותר, המדענים מקווים להשתמש בעקרונות של המערכת השיתופית המפוארת הזו כדי לפתח תורה לעיבוד אינפורמציה קולקטיבית. מטרה נוספת היא פיתוח כלים שיסייעו לענות על שאלות יסוד בנוגע לפעילותן של מערכות ביולוגיות מורכבות אחרות – כמו, לדוגמה, כיצד תאי המערכת החיסונית פועלים יחד כדי להילחם בזיהום. לתורה זו עשויים גם להיות שימושים בתכנון מערכות מבוזרות, כמו אנטנות לתקשורת סלולרית, רשתות של סנסורים אלחוטיים, ואף קבוצות רובוטים הממלאים תפקידי חילוץ והצלה.
 
 

מלכת הכיתה

בראש כל מושבת נמלים נמצאת המלכה, אולם היא אינה שולטת או מפעילה כל סוג של שליטה על הנמלים הפועלות. תפקידה היחיד הוא להטיל ביצים. ללא שליט, כיצד מחלקות הנמלים את העבודה ביניהן? האם מדובר בארגון היררכי שבו לכל נמלה יש תפקיד מוגדר, או שכולן שוות?
 
במחקריו הקודמים חקר ד"ר פיינרמן אם תכונות מסוימות, כמו ניסיון קודם, גיל, משקל הגוף ומיקום במרחב, קובעים את חלוקת התפקידים בקן. כדי לבחון זאת, הוא בדק כיצד מגיבות הנמלים לדרישות הולכות וגוברות במשימה מסוימת. הנמלים מוקמו בקן מלאכותי, והמדענים ביצעו שינויים במשימות באמצעות הפסקת אספקת המזון, או הוספת זחלים חדשים במפתיע – כדי לבדוק אילו נמלים מתגייסות כדי לטפל במצב החדש.
 
המחקר גילה, כי הנמלים הרזות ביותר הן אלה שנחלצות לחפש מזון, והן גם אלה שמתגייסות להעביר את הצאצאים החדשים ש"הושתלו" בקן לאיזור בו מטפלים בזחלים, אך הן אינן לוקחות חלק בטיפול בזחלים החדשים לאחר מכן. למעשה, משימת הטיפול בצאצאים מוטלת באופן אקראי על הנמלים שהזדמנו לסביבה, ללא קשר לגיל הנמלה, לניסיון או למשקל גוף.
 
"שליחת הנמלים הרזות לחיפוש מזון עשויה להיות אסטרטגיה טובה להישרדות המושבה, משום שאובדנן של הנמלים יהיה יקר פחות למושבה כולה. נמלים אלה מושכות פחות טורפים, והודות לקלות התנועה שלהן הן יעילות יותר בביצוע המשימה. העובדה שמשימת הטיפול בצאצאים אינה תלויה בתכונות הנמלה מרמזת, כי הגמישות בחלוקת התפקידים, ושיתוף פעולה כללי, הן תכונות חשובות להישרדות המושבה יותר מאשר, לדוגמה, מומחיות או ניסיון בביצוע משימה מסוימת, משום שהן מאפשרות תגובה מהירה לתנאים משתנים", אומר ד"ר פיינרמן.
 

 אישי

עופר פיינרמן נולד ברחובות. הוא קיבל תואר ראשון בפיסיקה ובמתמטיקה (1996) ותואר שני בפיסיקה (1999) מהאוניברסיטה העברית. כתלמיד מחקר לתואר שלישי במכון ויצמן למדע היה הראשון ליצור, בהדרכתו של פרופ' אלישע מוזס, מעגל לוגי מלאכותי עשוי מתאי עצב, וקיבל דוקטורט בשנת 2006. לאחר מכן יצא למחקר בתר-דוקטוריאלי במרכז לחקר הסרטן על-שם סלואן קטרינג בניו-יורק, שם חקר כיצד תאי ה-T המווסתים של מערכת החיסון משתפים פעולה כדי להילחם בזיהומים. הוא הקדיש שנה לחקר נמלים באוניברסיטת רוקפלר, ובאוקטובר 2010 הצטרף למחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע. "החזרה למכון הייתה עבורי התגשמות חלום. היא נתנה לי לא רק את ההזדמנות לחזור לישראל, אלא גם את החופש לעסוק במחקר בנושא לא קונבנציונלי ומרתק".
 
עופר פיינרמן נשוי למיקה, אמנית פסיפס, ואב לשלושה ילדים: מתן בן התשע, שי בת השבע, ונומי בת ארבע.
 
חלל ופיסיקה
עברית

חדר מיון

עברית
הטבע ייעד לתאי הגזע העובריים פוטנציאל עצום, כמעט בלתי-נתפס – יצירת יצור חי שלם, על כל איבריו ותיפקודיו. כיום, מייעדים מדענים לתאים אלה תפקיד חשוב נוסף: להוות כלי רפואי שישחזר תאים מנוונים ורקמות פגועות, וישמש לריפוי מחלות גנטיות קשות – כמו מחלות אוטו-אימוניות ומחלות ניווניות של מערכת העצבים. "המכשול העיקרי המונע כיום את השימוש בתאי גזע ברפואה, הוא הקושי לגרום לתא הגזע להתמיין לתא הרצוי בצורה יעילה ומספקת; אנחנו עדיין לא יודעים לשחזר את התהליך הזה במדויק", אומר ד"ר יעקוב חנא, שהצטרף באחרונה למחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון. במעבדתו החדשה מנסים הוא וחברי קבוצתו להבין את הביולוגיה של תאים מיוחדים אלה, במטרה לענות על שאלות בסיסיות הנוגעות למנגנוני התפתחות והתמיינות, ולקדם את השימוש בהם ככלי רפואי רב-עוצמה.
 
מימין, עומדים: מירי זרביב, ד"ר איתי מזאה, סרגי ויוקוב, ד"ר יעקוב חנא, ד"ר נועה נוברשטרן, ד"ר עבד אל-פתאח מנסור, ליהי ויינברגר, יואח ראיס. יושבים: שי גאולה, אוהד גפני, גלעד בק, ולאדיסלאב קרופאלניק, ד"ר אריאל פריבלודה. בקרה עדינה
תאי הגזע העובריים הם תאים לא ממוינים, הנושאים בחובם את הפוטנציאל להפוך לכל תא בגוף החי. במהלך ההתפתחות העוברית הם עוברים רצף שלבי התפתחות, הנתונים תחת בקרה הדוקה ועדינה, כאשר ההחלטות בנוגע לעתידם צריכות להתקבל במהירות ובדייקנות מופתית – כל טעות מובילה לאסון. עבור המדענים מדובר באוצר, שכן תאים אלה מאפשרים להם לשחזר תהליכי התפתחות מלאים – בצלחת מעבדה. התאים "קפואים" למעשה בזמן, במצב לא ממוין. ד"ר חנא מגדל אותם בתנאים שונים, ומבצע בהם מניפולציות גנטיות ואחרות, כדי לנסות לענות על שאלות שונות: כיצד שומרים תאי הגזע העובריים על הפוטנציאל ההתפתחותי? כיצד נעשית הבקרה העדינה והמורכבת על ההתמיינות שלהם? כיצד מתקבלת במהירות ההחלטה הגורלית האם להתמיין או לא להתמיין? וגם: מה אפשר ללמוד מהניסויים האלה – המתבצעים בצלחת – על המתרחש בעובר, ובפרט בעובר האנושי?
 

 

מסע לעבר

מושבה של תאי גזע (במרכז, בירוק), מוקפת בתאי עצב (באדום)

היבט נוסף של חקר תאי גזע שמעניין את ד"ר חנא קשור בפריצת דרך מדעית בת שנים ספורות, שהתרחשה כשמדענים הצליחו לקחת תא עור בוגר וממוין, ולתכנת אותו מחדש כך שיחזור להיות תא עוברי מושלם; מעין "מסע לעבר" במונחים התפתחותיים. באופן מפתיע, החזרתם של התאים לשלב התפתחותי ראשוני מתאפשרת כתוצאה מהחדרה של ארבעה גנים בלבד לתוך הגנום של התא הבוגר. האפשרות לייצר תאי גזע במעבדה פותרת את הבעיות האתיות הכרוכות בשימוש בתאי גזע עובריים – שמקורם בביציות או בביציות מופרות. הבטחה נוספת הטמונה בשיטה, היא שבדרך זאת אפשר יהיה לטפל בחולים במחלות גנטיות ללא צורך במציאת תורם מתאים: התאים יילקחו מהחולה עצמו, ויעברו תיכנות מחדש לתאי גזע. לאחר מכן אפשר יהיה, באמצעות הנדסה גנטית, לתקן את הגנים הפגומים. תאי הגזע המתוקנים יעברו התמיינות לסוג התאים הרצוי, ויושתלו בחזרה בחולה.
 
במחקרו הבתר-דוקטוריאלי היו ד"ר חנא ושותפיו למחקר הראשונים שהוכיחו את היתכנותה של השיטה, כאשר הצליחו לרפא באמצעותה עכבר החולה באנמיה חרמשית. במחקר נוסף – שמטרתו היה לבדוק מדוע רק אחוז קטן מהתאים הבוגרים עוברים בהצלחה את התיכנות מחדש – הוא גילה כי קיימים מספר "מתגים" עיקריים, וכי התהליך מושלם רק אם כולם מופעלים. בהמשך לגילויים אלה הוא מעוניין כעת להבין טוב יותר כיצד הופך תא אחד לתא אחר, מה הם הגנים והמנגנונים המעורבים בתהליך התיכנות מחדש, וכן מהו תפקידם המדויק של המתגים – ומדוע הם חיוניים כל כך. נקודה מעניינת נוספת היא, שבעוד המדענים נאבקים לתכנת מחדש תאים בוגרים, בשיעורי הצלחה קטנים יחסית, הביצית דווקא יודעת לבצע את התהליך בהצלחה מושלמת. במחקריו מתכנן ד"ר חנא לנסות להבין כיצד היא עושה את זה.
 
מלבד השאיפה להבין מנגנונים בסיסיים של התמיינות ותהליכי התפתחות, וההבטחה שהם נושאים בתחום הרפואה השיקומית, מחקר תאי הגזע יוכל לספק כלי מודרני ויעיל לחקר מחלות גנטיות בבני אדם. מחלות אלה – כמו סוכרת מסוג 1, פרקינסון, אלצהיימר ועוד – גורמות בדרך כלל להרס ולניוון של התאים הפגועים, דבר שמקשה לחקור את המחלה. ד"ר חנא מתכנן להשתמש בתהליך התיכנות מחדש כדי לייצר תאי גזע שמקורם בתאים בוגרים של חולים במחלות גנטיות. על תאים אלה אפשר יהיה להפעיל את מיגוון שיטות המחקר של ההנדסה הגנטית: החדרה או מחיקה של גנים, החדרת סמנים,ועוד. באופן זה יתקבל מודל יעיל לחקר מחלות גנטיות – שיאפשר גם לחפש שיטות ריפוי למחלות קשות אלה.
 
     
 

אישי

מושבה של תאי גזע של עכבר (צבועים בירוק ובכחול)
יעקוב חנא נולד וגדל בכפר ראמה שבגליל למשפחת רופאים – סבו, אביו ושלושת אחיותיו הם רופאים. נאמן למסורת המשפחתית, הוא למד רפואה באוניברסיטה העברית בירושלים, אך מצא את עצמו נמשך דווקא למחקר, והעדיף את השהייה במעבדה על טיפול בחולים. "דוד שלי, שהוא מדען ומנהל חברת תרופות, ועמד מאחורי פיתוח הנוגדן הראשון שמאושר לטיפול בלימפומה בבני-אדם, הוא שהשפיע ונתן את ההשראה". בשנת 2007 סיים בהצטיינות את הלימודים במסלול משולב של רופאים-חוקרים (PhD/MD). לאחר מכן יצא למחקר בתר-דוקטוריאלי בקבוצתו של פרופ' רודולף יאניש, במכון וייטהד למחקר ביו-רפואי שבמכון לטכנולוגיה של מסצ'וסטס (MIT). מחקריו זיכו אותו בפרסים רבים, ובהם, בשנת 2010, פרס לממציאים צעירים (מתחת גיל 35), שמוענק מטעם כתב-העת Technology Review של ה-MIT. בשנת 2011 הצטרף לסגל המחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע.
 
יעקוב חנא מתגורר בתל-אביב. את זמנו הפנוי הוא מקדיש לתחביב המועדף עליו – מחקר מדעי. אבל בנוסף לכך הוא מנהל בר תל-אביבי, ביחד עם שלושה חברים טובים.
 
מדעי החיים
עברית

חישוב בעיניים עצומות

עברית
 
 
 
ד"ר צביקה ברקרסקי ופרופ' שפי גולדווסר. קידוד
 
בימינו, כאשר מכשירים ניידים כמו טלפונים סלולריים חכמים ומחשבי לוח משמשים כמחשבים זמינים בכל עת, השימוש במחשבים שולחניים הולך ופוחת. במקביל, השימוש במיחשוב ענן, שבו הפעולות החישוביות מתבצעות על רשת של שרתים מרוחקים, הולך וגדל, וצפוי לגדול עוד יותר, עם התגברות הדרישה לכוח חישובי. מגמות אלה מעלות מספר שאלות חשובות הנוגעות לביטחון מידע. האם נוכל, לדוגמה, לבצע חישובים על נתונים השמורים ברשת האינטרנט, מבלי לאפשר לאף אדם אחר לראות את המידע?
 
 
השימוש באמצעי מיחשוב אינטרנטיים, המבוססים על מיחשוב ענן, יוצרים פתח חדש לגניבת מידע, ועד כה לא פותחה שיטה יעילה וישימה להגנה על הנתונים. "עד לפני מספר שנים אף לא ידעו בוודאות אם ההצפנה הנדרשת לסוג כזה של אבטחת מידע אפשרית בכלל", אומר ד"ר צביקה ברקרסקי, שסיים באחרונה את לימודי הדוקטורט בהנחיית פרופ' שפי גולדווסר, במחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית במכון.
 
הניסיון לבצע חישובים על מידע רגיש אשר מאוחסן על שרתים מרוחקים משאיר את המידע חשוף, כך ששיטות ההצפנה המסורתיות אינן יכולות להגן עליו. הבעיה העיקרית היא, שביצוע פעולות שונות על הנתונים מחייב לפענח את הקידוד שלהם. הפתרון שהוצע לבעיה זו הוא למצוא דרך להצפין את המידע, כך שהשרת יוכל לבצע את הפעולות הנדרשות כשהמידע עדיין מוצפן. השרת לא יוכל "לראות" את הנתונים האמיתיים, אבל צריכים להיות לו האמצעים כדי לבצע עליהם פעולות חישוב ולהחזיר תוצאה מוצפנת – אותה אפשר יהיה לפענח מאוחר יותר, במקום בטוח. גישה זו מכונה "הצפנה הומומורפית מלאה" (FHE – fully homomorphic encryption).
 
ההוכחה הראשונה להיתכנותה של הגישה הזו התקבלה בשנת 2009, כאשר קרייג ג'נטרי, תלמיד מחקר באוניברסיטת סטנפורד, פירסם את עבודת הדוקטורט שלו. השיטה שפיתח ג'נטרי היא ההדגמה הראשונה של הצפנה הומומורפית מלאה, אבל היא מסורבלת ודורשת זמן רב, ולכן קשה ליישמה. ג'נטרי בנה את המערכת שלו באמצעות מתמטיקה מתוחכמת יחסית, המבוססת על מה שמכונה "סריגים אידיאליים" (ideal lattices), דבר שדרש ממנו להניח הנחות סיבוכיות חדשות ולא מוכרות, כדי להוכיח את ביטחון המידע. הבחירה של ג'נטרי, שימוש ב"סריגים אידיאליים" להצפנה הומומרפית, נראתה בלתי-נמנעת, ומדענים הניחו כי היא נחוצה לשרתים כדי לבצע פעולות בסיסיות, כמו חיבור וכפל של נתונים מוצפנים.
 
ד"ר ברקרסקי, ביחד ד"ר וינוד וייקונטנטן (גם הוא תלמיד של פרופ' גולדווסר, מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס - MIT), הצליחו להפתיע את קהילת המדענים העוסקת באבטחת מידע, כאשר פירסמו השנה שני מאמרים, המתארים מספר שיטות חדשות אשר יאפשרו לייעל במידה ניכרת את ההצפנה ההומומורפית המלאה. ראשית, הם הצליחו ליצור מערכת העובדת בשיטות אריתמטיות פשוטות, אשר מקצרות את הזמן הנדרש לעיבוד המידע. בנוסף, השיטה המשופרת שלהם אינה דורשת שימוש בסריגים אידיאליים, או בקביעת הנחות סיבוכיות חדשות, כדי להוכיח את בטיחות המידע.
 
"ג'נטרי השתמש ב'טריקים' שונים כדי לבצע מניפולציות בחומר המוצפן", אומר ד"ר ברקרסקי, "אבל הם בעייתיים". כך, לדוגמה, באחד מהטריקים, המדומה לפעילות המעגלית של אדם המושך את עצמו למעלה באמצעות שרוכי הנעליים, ומכונה bootstrapping, המידע עובר "פיענוח וירטואלי", ומוצפן מחדש בכל שלב של החישוב. הדרישה מ"פיענוח וירטואלי" שכזה היא שהפיענוח האמיתי יהיה פשוט – דבר שאפשר להשיג באמצעות "טריק" אחר, המכונה "מעיכה" (squashing). אבל כך הופכת ההצפנה בה בעת למסובכת יותר ולבטוחה פחות.
 
"המאמר הראשון שכתבנו", מסביר ד"ר ברקרסקי, "עדיין התבסס על 'bootstrapping' ועל מעיכה, אבל בנוסף השתמשנו במספר 'טריקים' כדי לשלוט טוב יותר בגודל. חלק מהתהליכים של ג'נטרי מבוססים על גיאומטריה מסובכת, ואילו אנחנו הצלחנו לבצע את אותם תהליכים באמצעות אלגברה פשוטה".
 
במאמר השני הראו המדענים, כי למעשה אפשר לוותר לחלוטין על המעיכה. ממצאים אלה התקבלו בעקבות תגלית מפתיעה: אפשר לפשט את המבנה המתמטי המשמש ליצירת מפתח הצפנה מבלי להתפשר על בטיחות המידע המוצפן. הסריגים האידיאליים, בהם השתמש ג'נטרי, מורכבים מאוסף של נקודות שאותן אפשר לחבר זו לזו – כפי שקורה בסריגים רגילים (לא אידיאליים) – אבל אפשר גם להכפיל זו בזו. המחקר הראה, כי אין הכרח להשתמש דווקא בסריגים אידיאליים, דבר שמפשט את המבנה המתמטי עד למצב שבו "מעיכה" אינה נדרשת כלל. "העובדה שמבנה כזה עובד הייתה בגדר קסם, והיא איתגרה את ההנחה המוקדמת שלנו בדבר הצורך בסריג אידיאלי בהצפנה הומומורפית", אומר ד"ר ברקרסקי.
 
תוצאות אלה עשויות לסלול את הדרך לשימוש מעשי בהצפנה הומומורפית. גרסאות משופרות של המערכת החדשה עשויות להיות מהירות עשרות מונים – ואף אלפי מונים – מהמערכת הראשונית שפיתח ג'נטרי. ואכן, בהמשך, הצליחו ד"ר ברקרסקי וד"ר וייקונטנטן לפתח את התיאוריה שעומדת בבסיס שיטת ההצפנה ההומומורפית שלהם עד לנקודה ממנה יוכלו מהנדסי מחשבים לפתח יישומים.
 
בנוסף לשמירת מידע המצוי ברשת האינטרנט, או בענן מיחשוב, מעיניים לא רצויות, עשויה הצפנה הומומורפית מלאה לאפשר פעולות חדשות במידע, שהיו בלתי-אפשריות עד כה, כמו, לדוגמה, עיבוד בטוח של מידע רפואי רגיש. חולים יוכלו "לחשוף" מידע רפואי כשהוא מוצפן, וכך אפשר יהיה לבצע מחקרים רפואיים נרחבים לגבי הנתונים בצורה מוצפנת, מבלי לאפשר גישה למידע הרפואי של אנשים בודדים.
 
ד"ר צביקה ברקרסקי ופרופ' שפי גולדווסר. קידוד
מתמטיקה ומדעי המחשב
עברית

תבניות ריח

עברית
 
יכולתם של ריחות מסוימים לגרום לנו תחושת הנאה – או גועל – עשויה להיראות כעניין פעוט של טעם, אבלמחקר חדש של מדעני מכון ויצמן מראה, כי מידת הנעימות של ריחות היא ה"סולם" הבסיסי שעל-פיו מאורגנת תפיסת הריח. ממצאי המחקר, שהתפרסם באחרונה בכתב העת Nature Neuroscience מראים כי קיים מיתאם בין התגובה העצבית לריח מסוים לבין מידת הנעימות של אותו ריח. מיתאם זה איפשר לחוקרים לקבוע אם ריח מסוים נעים או לא נעים לאדם הנבדק – על-פי מדידות שנעשו באמצעות אלקטרודה אשר הוחדרה לחלל האף.
מימין: ד"ר אלעד שניידמן, ד"ר אנטון פלוטקין, פרופ' נועם סובל, ד"ר שגית שושן וד"ר הדס לפיד. העולם האמיתי
 
איברי החישה התפתחו במהלך האבולוציה כך שיקודדו בצורה הטובה ביותר את המידע החושי, ולכן המבנה שלהם משקף "סולם" מארגן. כך, לדוגמה, ראייה היא חוש מרחבי בעיקרו, ולכן ארגון הרשתית מייצג קואורדינטות הממפות את המרחב הנראה. השמיעה, לעומת זאת, היא טונאלית, ולכן המבנה של האוזן הפנימית מייצג סולם טונים. בתחום הריח, המצב שונה: הסולם התפיסתי אשר על-פיו מאורגן חוש הריח אינו ידוע, ומדענים אינם יודעים להצביע על הקשר שבין מבנה הקרום האחראי על ההרחה, המצוי בחלל האף, לבין האופן בו אנו תופסים ריח.
 
הניסיון לפענח את הקשר הזה הוא שעמד במוקד המחקר של צוות המדענים בראשותו של פרופ' נועם סובל, מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע. האפשרות שמדובר בארגון המבוסס על נעימותם של ריחות עלתה מממצאים של קבוצות מחקר ברחבי העולם, וכן ממחקרים קודמים של פרופ' סובל, שהראו כי קיים קשר בין המבנה הכימי של חומר ריח מסוים לבין מידת הנעימות שלו. בעקבות זאת עלתה השערה, כי הקולטנים האחראים על חישת הריח בחלל האף – אשר כוללים כ-400 תת-סוגים שונים – מסודרים על גבי הקרום על-פי עיקרון מארגן כלשהו, המייצג את מידת הנעימות של הריח. השערה זו עומדת בניגוד תיאוריה מקובלת, הגורסת כי הקולטנים מפוזרים על הקרום באופן אקראי ואחיד.
 
 
כדי לבדוק את ההשערה, החדירו המדענים אלקטרודה דרך הנחיר אל חלל האף של הנבדקים, ומדדו את התגובה העצבית הנוצרת בתגובה לריחות שונים, במיקומים שונים על גבי הקרום. בגלל צפיפותם הרבה של קולטני הריח, מהווה למעשה האות העצבי שנמדד את סכום הפעילות של אלפי קולטנים שונים. ממצאי המדידות הראו, כי עוצמתו של האות העצבי משתנה במיקומים שונים על פני הקרום. מסקנת החוקרים הייתה,שהקולטנים השונים אינם מפוזרים באופן אחיד ואקראי, אלא מקובצים במתחמים בחוקיות מסוימת, וכל מתחם מגיב במידה החזקה ביותר לריח אחר. בהמשך התגלה, כי מיקום שהגיב במידה מקסימלית לריח נעים, נטה להגיב במידה חזקה גם לריחות נעימים אחרים, ולהיפך: מיקומים בהם נמדדה תגובה חזקה לריח לא נעים כלשהו, הגיבו בעוצמה גם ליתר הריחות הלא נעימים. כלומר, החוקיות שעל-פיה מחולקים הקולטנים למתחמים השונים הוא מידת הנעימות של ריחות.
 
 
מתקן הניסוי, באמצעותו מדדו החוקרים את הפעילות העצבית המתחוללת בקולטני הריח הממוקמים על קרום הריח בחלל האף. לנחיר השמאלי של הנבדק מוחדרת אלקטרודה, וכן שפופרת, שדרכה מוזרמים חומרי הריח. צילום: מרטין קולר
האם ממצאי המחקר אכן משקפים את הנעשה בעולם האמיתי? פרופ' סובל אומר, כי למרות העובדה שהריח בטבע מורכב מאוסף גדול של מולקולות נדיפות – פרחי ורדים, לדוגמה, משחררים 172 מולקולות כאלה, הדומיננטית מביניהן תקבע איזה איזור עיקרי בקרום הריח יגיב לגירוי. יתר החומרים יתרמו במידה משנית.
 
"גילינו מיתאם ברור בין תבנית התגובה העצבית לריח לבין מידת הנעימות של הריחות. כמו בראייה ובשמיעה, גם בחוש הריח, ארגון הקולטנים על-פני השטח משקף ציר תפיסתי בסיסי", אומר פרופ' סובל. מסקנה נוספת של ממצאי המחקר היא, שההנאה מריחות מוטבעת בנו מראש, ואינה אינדיבידואלית. "עם זאת, ייתכן שמתחמי הריח יכולים לעבור ארגון מחודש, בעקבות הקשרים אישיים ותרבותיים או ניסיון חיים. שינויים כאלה בארגון הקרום, וכמובן שגם תהליכי עיבוד המידע החישתי אשר מתחוללים לאחר מכן, יוצרים את החוויה האישית שלנו בתגובה לריח".
 
המחקר בוצע על-ידי ד"ר הדס לפיד, ד"ר שגית שושן וד"ר אנטון פלוטקין מקבוצתו של פרופ' סובל, בשיתוף עם ד"ר אלעד שניידמן מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע, ד"ר יהודה רוט מבית החולים וולפסון בחולון, פרופ' הילרי פוט מהאוניברסיטה העברית בירושלים, ופרופ' תומס הומל מאוניברסיטת דרזדן בגרמניה.
 
 
מימין: ד"ר אלעד שניידמן, ד"ר אנטון פלוטקין, פרופ' נועם סובל, ד"ר שגית שושן וד"ר הדס לפיד. העולם האמיתי
מדעי החיים
עברית

סרוגים - בין המרחב לזמן

עברית
במוח מצויה קבוצת תאים ייחודית, אשר יורה אותות חשמליים במערכים משושים מושלמים במרחב. מאז גילוי "תאי הסריג" האלה בחולדות בשנת 2005, מדענים מנסים להבין מה גורם לתופעת תבנית הירי המשושה יוצאת הדופן. מחקר חדש במכון ויצמן למדע מרמז על התשובה: ממצאי המחקר מוכיחים, כי אחד מתוך שני המודלים המרכזיים שהוצעו לפעילות תאי הסריג בחולדות אינו תקף לגבי יונק אחר – העטלף. המחקר פורסם באחרונה בכתב העת המדעי Nature.
 
תאי סריג נמצאים באיזור הקרוי" קליפת המוח האנטוריינלית", והם יורים אותות חשמליים כאשר בעל החיים נע במרחב. בנוסף, מדענים סבורים כי תאי הסריג מתקשרים עם תאים באיזור הסמוך הנקראים "תאי מקום" – סוג אחר של תאי עצב הממוקמים באיזור במוח הקרוי היפוקמפוס, שיחסי הגומלין שלהם עם תאי הסריג אחראים לקביעת מיקום במרחב: תאי הסריג יוצרים מעין רשת משושים, שבאמצעותה ממפה המוח את הסביבה החיצונית, ואילו "תאי המקום" אחראים לקביעת מיקומים ספציפיים.
 
המודל, שבדקו ד"ר נחום אולנובסקי ותלמיד המחקר מיכאל ירצב מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע, יחד עם פרופ' מנו וויטר מהאוניברסיטה למדע וטכנולוגיה של נורווגיה, בטרונדהיים, גורס שתנודות מחזוריות בפעילות תאי העצב הן שיוצרות את תבנית הרשת המרחבית. תנודות כאלה, שיוצרות גלים רציפים של פעילות חשמלית, נצפו בקליפת המוח האנטוריינלית של חולדות בזמן ירי תאי הסריג. המודל טוען, כי התנודות הללו, שהן למעשה תבנית מחזורית בזמן, עוברות המרה במוח לתבנית מחזורית במרחב – מבנה של סריג משושה.
 
האם העובדה ששתי התבניות האלה קיימות תמיד ביחד במוח החולדה מאפשרת להסיק כי אחת מהן גורמת את השנייה? ההתאמה המושלמת בין התבניות בחולדות מרמזת, כי התשובה היא חיובית, אך מקשה לחקור את השאלה. ד"ר אולנובסקי חשב, כי ייתכן שבעטלפי פרי מצריים – חיית המודל שהוא חוקר – ההתאמה בין התבניות אינה הדוקה כל כך. במחקר קודם שעשה על תאי מקום בעטלפים הוא גילה תנודות שונות מאוד מאלה הנוצרות בחולדות. עובדה זו הובילה אותו לשער, כי גם בפעילות תאי הסריג יימצאו דפוסים שונים.
 

המבנה המשושה של תאי הסריג

כדי לבדוק את הנושא, החוקרים נדרשו לאתר את קליפת המוח האנטוריינלית בעטלפים, ואת המיקום המדויק של תאי הסריג – תהליך ארוך שבוצע בשיתוף עם פרופ' וויטר בנורווגיה. לאחר מכן החדירו ד"ר אולנובסקי ומיכאל ירצב אלקטרודות זעירות לתוך איזור תאי הסריג, ורשמו את פעילותם בזמן שהעטלפים זחלו על רצפת קופסה. כך הם שיחזרו – במידת האפשר – את תנאי הניסויים בחולדות.
 
הממצאים שלהם הראו, שתאי הסריג של העטלפים ירו במערך משושה בעל תכונות זהות כמעט לזה של החולדות. לעומת זאת, תבנית התנודות בזמן הייתה שונה לחלוטין: במקום גלים רציפים נראו במוחות העטלפים מקטעים קצרים של פעילות חשמלית, וביניהם תקופות ארוכות יותר של שקט – ממצאים שסתרו את המודל שמבוסס על תנודות.
 
ניתוח מתמטי נוסף הראה, שאכן תבניות הסריג נשמרו ללא שינוי, אפילו כאשר זיהו החוקרים את התנודות והסירו אותן מהאנליזה. במילים אחרות, אין התאמה בין תנודות בזמן ובין הופעת צורת הסריג המרחבי המשושה. לכן, התנודות אינן גורמות את התבניות המסודרות הייחודיות של ירי תאי הסריג.
 
ההפרכה של המודל מעניקה תמיכה משמעותית למודל השני, החלופי, הגורס שהתבנית המשושה נוצרת כי תאי הסריג פועלים ביחד כרשת. רשת הפעילות מסודרת במשושים, כי זהו המבנה היחיד שבו כל נקודות הפעילות נמצאות במרחק שווה אחת מהשנייה – דבר שמוביל למבנה החסכוני ביותר מבחינת אנרגיה, וליציבות מיטבית של פעילות הרשת. העיקרון הזה כבר ידוע בטבע, לדוגמה בחלות דבש, שבהן צורת המשושה מעניקה מבנה חזק ותצורה יציבה, במינימום אנרגיה.
 
המבנה המשושה של תאי הסריג
מדעי החיים
עברית

עמודים