תאי העצב היוצרים יחד סיבי עצבים, דוגמת אלה הפרוסים מבסיס עמוד השדרה לכל אורך הרגל, מגיעים לעיתים לאורך של מטר. במילים אחרות, שלוחותיהם של תאי העצב, האקסונים, יכולות להיות ארוכות פי 40,000 מרוחב גוף התא. כאשר אקסון כזה נפגע, הוא משגר אותות מצוקה מולקולריים אל עבר גרעין התא. בשביל המולקולה המעבירה את איתות המצוקה, המסע מאתר הפגיעה שלאורך האקסון אל גוף התא הוא שווה ערך למסע של שליח אנושי מקצה אחד של המדינה אל הקצה האחר.

פרופ' מיכאל פיינזילבר, מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, חוקר את מערכות התקשורת של איתות החירום בתאי עצב. בעבר עלה בידו להראות שאותות המצוקה מורכבים כמבנה מולקולרי הנע לכיוון הגרעין על מעין "מסילה" העשויה ממיקרוטובולות, המהוות חלק מהשלד התאי. החלבון דיינין מתפקד כמעין מנוע, שיחד עם "חלבוני יבוא" ("אימפורטינים") מעביר מולקולות שונות אל תוך גרעין התא, וממנו אל חלל התא. כך מגיעים אותות המצוקה מה"שטח" אל מוצב הבקרה והפיקוד של התא.

 

אבל כיצד פועל המנגנון השולט במערכת התקשורת הזאת לאחר פציעה? זו הייתה השאלה שהעסיקה את פרופ' פיינזילבר ואת תלמידי המחקר מקבוצתו, דימיטרי יודין ושלומית הנץ, שעבדו יחד עם חברי קבוצת המחקר של ד"ר ג'פרי טוויס במכון נימורס בדלאוור. הם השתמשו בעצבי הירך של חולדות כבמודל מחקרי, וחיפשו שינויים בהרכב המולקולרי של החומר התאי מסביב לאתר הפציעה בתאי עצב. להפתעתם, הם גילו באיזור הפציעה מולקולות שעד כה נחשבו כ"תושבות" של גרעין התא בלבד. המולקולות האלה, הידועות באופן קבוצתי כמערכת ה-Ran, מופיעות בשתי תצורות עיקריות: אחת שנמצאת בתוך הגרעין, והשנייה מצויה בעיקר מחוץ לגרעין, ומסייעת לחלבונים ה"אימפורטינים" להוביל מולקולות שונות אל תוך הגרעין, וממנו החוצה, דרך מעין שערים בקרום הגרעין. מתברר שמולקולת ה-Ran, המצויה בדרך-כלל בתוך הגרעין, משתלבת במבנה המולקולרי המהווה את אות המצוקה שאמור להישלח מאתר פגיעה בסיב העצב אל גוף התא. השתלבות מולקולת ה-Ran ה"גרעינית" במבנה מונעת מהחלבונים האימפורטינים להתחבר אל המבנה ולמשוך אותו לאורך מסילת השינוע. כאשר מתחוללת פציעה, מולקולת ה-Ran ה"גרעינית" הופכת ל"אחותה" החוץ-גרעינית, והיא מתנתקת מהמבנה המולקולרי. בשלב זה נקשר המבנה המשוחרר אל האימפורטינים, המתחילים למשוך אותו במעלה האקסון, בדרך הארוכה אל גוף התא.

 

המדענים סבורים שמערכת ה-Ran פועלת כמעין מנעול ביטחון שמונע הפעלה לא רצויה ולא נחוצה של מערכת האזעקה. במקרה של מצב חירום אמיתי, המערכת משחררת את המנעול בזריזות, ומאפשרת שיגור של אותות מצוקה. הבנה טובה יותר של המנגנון הזה עשויה להוביל לפיתוח שיטות טיפול שיסייעו בריפוי פגיעות בתאי עצב.

 

 

ויהי כל הארץ שפה אחת ודברים אחדים / ויאמרו: הבה נבנה לנו עיר ומגדל וראשו בשמים / ויאמר ה': הן עם אחד ושפה אחת לכולם, וזה החילם לעשות, ועתה לא יבצר מהם כל אשר יזמו לעשות: הבה נרדה ונבלה שם שפתם, אשר לא ישמעו איש שפת רעהו / על כן קרא שמה בבל, כי שם בלל ה' שפת כל הארץ.

התקשורת בין מדענים מבוססת על מאמרים מדעיים המתפרסמים בכתבי-עת מקצועיים. מדובר בטקסט שכותבים מדענים, והוא מיועד לקהילה המדעית, במטרה לחלוק תגליות, ולאפשר הרחבה ובדיקה של ממצאים חדשים. כמו כל שפה, המאמרים המדעיים כתובים על-פי חוקים וכללים מוגדרים - מוכרים ומובנים היטב לכל חברי הקהילה המדעית, אך בלתי-קריאים בעליל עבור כל מי שמצוי מחוץ לה. אם תימצא דרך לפענח את השפה הזו, ניתן יהיה להציץ לתוך תוכו של התהליך המדעי - לצפות מקרוב בעבודתו של מדען, להבין כיצד הוא חושב, ולהיות עד לגילוי תגליות מדעיות. כשמדובר בתלמידים, זו הזדמנות ללמוד, באופן חי ומעניין, "איך עושים מדע". אולם, כיצד ניתן להתגבר על מחסום השפה?

 

לפני מספר שנים הכינו מדעני המחלקה להוראת מדעים תוכנית לימודים לתלמידי בתי-ספר תיכוניים, העוסקת בהתפתחות העובר - תחום רחב ומורכב, אשר דורש הבנה של שפה מדעית שלמה, מושגי מפתח ותהליכים סבוכים. לימוד התורה כולה במסגרת הזמן המוקצב בבית-הספר הוא משימה בלתי-אפשרית. אולם, אז העלה פרופ' בני גיגר, דיקן הפקולטה לביולוגיה במכון ויצמן למדע, אשר כיהן כדיקן מדרשת פיינברג של המכון, רעיון אחר - להסביר לתלמידים כיצד עובד וחושב ביולוג התפתחותי, באמצעות שימוש במאמרים מדעיים. ד"ר ענת ירדן, שהיא בעלת רקע בתחום ההתפתחות העוברית, וקבוצת המחקר שלה במחלקה להוראת המדעים, אימצו את רעיון השימוש במאמרים מדעיים כאמצעי הוראה, ופיתחו תהליך ייחודי לעיבוד מאמרי מחקר לשימוש בבתי הספר.

 

בעקבות היוזמה הזאת - הראשונה מסוגה בעולם - נוצר ספר הלימוד "סוד ההתפתחות העוברית: קובץ מחקרים", הכולל שלושה מאמרים פורצי דרך, שנבחרו בהתייעצות  עם חוקרים מובילים בתחום הביולוגיה ההתפתחותית. מלבד התרגום ל"שפת בני-אדם", נעשו מאמצים נוספים כדי לשפר את ה"נגישות" של המאמרים: היתוספו להם חומר רקע, הסברים, תרשימים ופירושים. כל זאת, תוך שמירה קפדנית על אופיו של המאמר המדעי: הן מבחינת המבנה (אשר כולל תקציר, מבוא, שיטות וחומרים, תוצאות ודיון), והן מבחינת הסגנון (סוגה) והניסוח המאפיינים ספרות מדעית מקצועית.  תהליך זה יצר סוגה חדשה של כתיבה מדעית, שכונה על ידי ד"ר ירדן וקבוצתה APL (Adapted-Primary-Literature). בעקבות הספר הראשון יצרה קבוצתה של ענת ירדן ספר לימוד נוסף - "מאלפי הגנים: קובץ מחקרים בביוטכנולוגיה" - המאגד מאמרים מדעיים מעובדים בתחום הביוטכנולוגיה. כיום משמשים הספרים להוראת יחידת הבחירה של נושא מחקרי בבחינת הבגרות בביולוגיה, והפרויקט הייחודי מעורר התעניינות ויוזמות דומות ברחבי העולם.

 

במחקרים שנעשו בקבוצתה של ד"ר ירדן התגלה, כי הוראה המבוססת על מאמרים מדעיים מעובדים משפרת את רמת החשיבה של התלמידים. השוואת הלימוד באמצעות מאמר מדעי מעובד לשימוש בכתבה עיתונאית פופולרית הראתה, כי התלמידים אמנם מבינים טוב יותר את הטקסט הפופולרי,אולם השימוש במאמרים המדעיים מסייע להם לפתח מיומנויות חקר וחשיבה גבוהה. כלומר, התלמידים לומדים להעלות שאלות רלוונטיות ומתוחכמות יותר, להציג ביקורת, להבין הקשרים בין סיבה לתוצאה, וכדומה.

 

מחקר שביצעה תלמידת המחקר הדה פלק, בהנחייתה של ד"ר ירדן, שתוצאותיו פורסמו באחרונה במהדורה המקוונת של כתב-העת המדעי International Journal of Science Education, כלל בדיקה ראשונה מסוגה של השימוש בתוכנית בכיתה שלמה. מחקר זה התמקד באופן שבו המורים מתמודדים עם הוראת הטקסטים המעובדים.

במהלך המחקר נבדקו ארבע כיתות בבתי ספר שונים, והממצאים מבוססים הן על שיחות עם מורים ותלמידים, והן על תצפיות שנעשו בכיתות. "זה כל כך מעורר השראה, וממחיש את העומק של החשיבה, ואת צורת החשיבה הביולוגית", אומרת אחת המורות. "החומר לא היה כל-כך קשה, ולמעשה היה ממש מלהיב". תלמידים שהשתתפו בניסוי אמרו: "זה היה יותר מרגש, כי זה מה שהמדענים באמת עושים".

 

מלבד הגברת העניין והמוטיבציה - הן של התלמידים והן של המורים - השימוש במאמרים מעודד אינטגרציה של ידע, מקדם חשיבה, ועוזר לתלמידים לתפוס את טיבו של המדע. מבנה המאמר המדעי, הכולל חזרות רבות, מסייע בהבנת התכנים. במחקר נמצאו גם חסרונות: המבנה של המאמר, הבנוי כשרשרת לוגית של ממצאים, המעלים שאלות חדשות, אשר מובילות לניסויים, וחוזר חלילה, עשוי לתת מושג מוטעה על אופיו של המחקר המדעי - שהוא אקראי יותר על פי רוב, ומבוסס על ניסוי וטעייה. דוגמה נוספת היא הקושי של התלמידים להבין כיצד נגיפים, המוכרים להם כמחוללי מחלות, או נוגדנים המוכרים להם כמונעים מחלות, יכולים לשמש כמכשירים בניסויי הנדסה גנטית. קשיים נוספים נגעו לסגנון הספקני והביקורתי של הדיון, להבנת שיטות מחקר מולקולריות, וליישום הידע. בעתיד מתכננת ד"ר ירדן לנסות למצוא דרכים להתגבר על הקשיים ועל החסרונות - אם באמצעות פיתוח שיטות הוראה מתאימות ללימוד המאמרים ואם בדרך של יצירת עזרי לימוד משלימים, ושינויים בספרי הלימוד עצמם.

ד"ר ירדן מצביעה על יתרון נוסף של השימוש במאמרים: האפשרות לגוון את תוכניות הלימודים, ולהביא ביולוגיה עדכנית לבתי-הספר. "הייתי רוצה למצוא דרכים להרחיב את השימוש במאמרים בלימודי הביולוגיה, למשל באמצעות מאמרים קצרים יותר, כך שבכל נושא חובה לבגרות יהיה חלק דינמי המבוסס על מאמרים מדעיים עדכניים". רעיון נוסף, שעתיד לקרום עור וגידים במסגרת "תוכנית קיסריה" למורים מצטיינים, שתופעל במכון החל משנת הלימודים הקרובה, הוא להקים מועדון קריאה למורים. מטרת המועדון היא לעודד מורים למדעים לקרוא מאמרים מדעיים, לעבד אותם, ולהשתמש בהם בכיתות. באופן זה היא מקווה להרחיב את השימוש במאמרים לתחומים נוספים - כמו כימיה ופיסיקה.

 

 

לפעמים, תמונה אחת עושה מה שהרבה מילים אינן יכולות לבטא. במילים אחרות, לפעמים התבוננות בקנקן יכולה ללמד על מה שיש בתוכו. הדבר נכון במיוחד כשמדובר במדע הפרוטאומיקה המבנית - חקר מבנה החלבונים. "פיענוח המבנה המרחבי של חלבונים מספק למדענים מידע חשוב - שאי-אפשר לקבלו באמצעים אחרים - על תפקידם ותכונותיהם של החלבונים. מידע זה מעלה שאלות חדשות, ומסייע בתכנון ניסויים מדעיים מתקדמים ובפיתוח תרופות", אומר פרופ' יואל זוסמן, ראש המרכז הישראלי לפרוטאומיקה מבנית במכון ויצמן למדע. המרכז מציין בימים אלה חמש שנים להיווסדו, ואת המעבר למשכנו החדש בבניין מאייר. 

המרכז, הפועל בתמיכת משרד המדע הישראלי, קרן דיבדול, והאיחוד האירופי, מהווה צומת מרכזי ברשת אירופית, אשר נוצרה במטרה לספק למדענים תשתית מתקדמת בתחומי הביולוגיה המבנית. מייסדי המרכז, פרופ' יואל זוסמן, פרופ' גדעון שרייבר, פרופ' ישראל סילמן ופרופ' יגאל בורשטיין, נקטו  גישה חדשנית לזמנה, אשר מאומצת כיום במרכזים נוספים בעולם, המעמידה במוקד את המדען ואת השאלה המחקרית המעסיקה אותו. "העבודה המשותפת של הצוות הקבוע של המרכז - המומחים לקביעת מבנה מולקולות החלבון, עם המדענים החוקרים את תיפקוד החלבון, יוצרת שלם העולה על סכום חלקיו", אומר פרופ' זוסמן.

 

צוות המרכז, הכולל את ד"ר אורלי דים, ד"ר תמר אונגר, ד"ר שירה אלבק וד"ר יואב פלג, אחראי במשותף על הניהול השוטף של המרכז ועל כל שלבי העבודה - החל בתכנון הפרויקטים, דרך שיבוט הגן המקודד לחלבון, ביטוי החלבון (ייצורו), בידודו וניקויו, גיבושו לגבישים, פיענוח המבנה הגבישי שלו, וכלה בניתוח המבנה התלת-ממדי של מולקולות החלבון. קביעת המבנה נעשית באמצעות שיגור אלומות חזקות של קרני X ("רנטגן"). מדידת פיזור הקרינה, שנגרם על-ידי גבישי החלבון, מאפשר לפענח את מבנה הגביש. העבודה מתבצעת על פרויקטים רבים במקביל, ומתועדת ומבוקרת בעזרת תוכנה ייחודית שפותחה במיוחד לשם כך בשיתוף עם ד"ר חיים פרילוסקי, ראש היחידה לביואינפורמטיקה ורני ברבדו מהמחלקה לעיבוד נתונים. עם זאת, מדובר בתהליך התפור על-פי מידה: לכל חלבון "אישיות" משל עצמו - מבנה מרחבי וצורת קיפול אופיינית. לכן, פיענוח מבנה של כל חלבון מחייב תנאי עבודה ייחודיים. "תחום הפרוטאומיקה המבנית מרכז בימים אלה מאמצים עצומים ברחבי העולם. הודות לאנשי צוות המרכז, ניצב מכון ויצמן בחוד החנית של מאמצים אלה", אומר פרופ' גדעון שרייבר.

 

במהלך חמש שנות קיומו מקיים המרכז הישראלי לפרוטאומיקה מבנית שיתוף פעולה עם מדענים ממכון ויצמן למדע וממוסדות מחקר אחרים בארץ ובעולם, רופאים, וחוקרים מהתעשייה הביו-טכנולוגית והביו רפואית. חברי הצוות עבדו עד כה על מאות פרויקטים, ייצרו יותר ממאה חלבונים (מנוקים), ומתוכם הצליחו לפענח את המבנה המרחבי של כ-40. מלבד פיענוח מבנים של חלבונים, המרכז נותן סיוע וייעוץ לסטודנטים ולקבוצות מחקר בכל שלבי התהליך. בנוסף לכך, עקב הביקוש הגובר, מייצר המרכז חלבונים שונים, המשמשים מדענים לעריכת מחקרים ביוכימיים וביופיסיקליים.

עם המעבר למשכנו החדש, יציע המרכז לפרוטאומיקה מבנית אזורי לימוד ועבודה לאורחים, שיוכלו להשתלם בשיטות של הפקת חלבונים או פיענוח המבנה שלהם.

 

בשנה האחרונה הגיעו מספר פרויקטים שבוצעו במרכז לבשלות.

פוליאמינים הם מולקולות קטנות הנמצאות בכל סוגי היצורים החיים. הם משתתפים בתהליכים תאיים חיוניים רבים, כמו יצירת חלבונים וחומצות גרעין, קביעת מבנה הכרומוזומים וביטוי גנים. ריכוז נמוך מדי של פוליאמינים עוצר את חלוקת התאים, ואילו ריכוז גבוה הוא רעיל - ולכן כמותם מבוקרת בקפידה, באמצעות מערכת חלבונים. מערכת בקרה זו כוללת את האנזים האחראי על יצירת הפוליאמינים (וקובע את קצב ייצורם), וחלבונים נוספים  מחקר של צוות המרכז הישראלי לפרוטאומיקה בשיתוף עם פרופ' חיים כהנא, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, חשף את פרטי המבנה ומנגנון הפעולה של מנגנון הבקרה הזה. מחקר זה פורסם בכתב-העת המדעי Protein Science.

קבוצתו של פרופ' אלכסנדר ברשדסקי, מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא במכון ויצמן למדע, חוקרת את פעילותו של חלבון הקרוי p120, הממוקם על-פני קרומי תאים, ואחראי על ייצוב "צומתי המגע" ביניהם. חברי צוות המרכז לפרוטאומיקה מבנית הצליחו לייצר ולנקות את החלבון הזה וחלבון נוסף, קורטקטין, המעודד יצירת סיבים חלבוניים. באמצעות חלבונים אלה הוכיחו חברי קבוצת המחקר של פרופ' ברשדסקי, כי p120 נקשר לקורטקטין, וכך מבקר באופן ישיר את פעילותו. תוצאות המחקר פורסמו בכתב העת PNAS.

אנזימים הם חלבונים המסוגלים להאיץ את הקצב של תגובות כימיות מסוימות פי מיליארדים ויותר. צוות מדענים מארה"ב, בשיתוף מדעני מכון ויצמן למדע, הצליח לשחזר את עקרונות הפעולה של מכונות משוכללות אלה, וליצור אנזים חדש, מסוג שאינו קיים בטבע. קבוצת המחקר של פרופ' דוד בקר מאוניברסיטת וושינגטון, ופרופ' דן תופיק מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, השתמשה בשיטות ממוחשבות כדי לתכנן את המבנה הרצוי של האנזים החדש. צוות המרכז לפרוטאומיקה מבנית במכון פיענח את מבנה האנזים שנוצר בפועל, והוכיח כי הוא זהה כמעט לחלוטין לזה שתוכנן. בשלב זה השתמש פרופ' דן תופיק בשיטה של אבולוציה מזורזת שפיתח, כדי לשפר את יעילות האנזים באמצעות ברירת מוטציות. המבנה המרחבי של מספר אנזימים מוטנטיים, שנקבע על-ידי המרכז לפרוטאומיקה, סיפק תובנות הנוגעות ליעילותם המשופרת, אשר יסייעו לתכנון אנזימים יעילים יותר בעתיד. מחקר זה פורסם בכתב-העת המדעי  Nature (ראו "המכון" מספר 51).

חיידקי Bacillus thuringiensis מייצרים חלבונים רעילים אשר קוטלים חרקים באמצעות הרס קרומי התאים. פיענוח המבנה של חלבונים אלה יכול להוביל לשימוש בהם כבמדבירי חרקים טבעיים, וגם כבתרופה המשמידה תאים סרטניים. במחקר משותף של צוות המרכז הישראלי לפרוטאומיקה מבנית של מכון ויצמן למדע, ושל פרופ' אריה זריצקי ותלמיד המחקר שמוליק כהן מהמחלקה למדעי החיים באוניברסיטת בן-גוריון, פוענח המבנה המרחבי של אחד מחלבוני החיידק. ממצאים אלה מעלים  השערות לגבי מנגנון הפעילות של הרעלן ולגבי הסיבות לרמת רעילותו הגבוהה. ממצאי המחקר פורסמו באחרונה בכתב העת JMB.

תאים הנקלעים למצב מצוקה מפסיקים את הייצור השוטף של חלבונים לא-חיוניים, ומפעילים "מסלול חירום" בו מיוצרים רק החלבונים הדרושים לצורך התמודדות עם המשבר. פרופ' עדי קמחי מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון זיהתה את הגן DAP5, המקודד לחלבון אשר מבקר את הפעלתו של מסלול החירום, וגילתה כי הפעלתו של DAP5 כרוכה בחיתוכו לשני מקטעים. צוות המכון לפרוטאומיקה פיענח את המבנה של המקטע הנושא את אתר החיתוך, והצליח לספק הסבר מבני לתהליך. על-פי ממצאים אלה, שפורסמו בכתב העת JMB, מציעים המדענים הסבר לתכונותיו הייחודיות של DAP5. 

 

 

* בתמונה: עומדים, מימין: ענת כץ, ד"ר יואב פלג, ד"ר אורלי דים, ד"ר תמר אונגר, פרופ' ישראל סילמן, פרופ' יגאל בורשטיין, ד"ר חיים פרילוסקי, ד"ר צבי מאיר גרינבלט. בשורה האמצעית, מימין: עדה דנטס, מיטל רובין-יונה, פרופ' גדעון שרייבר, ראש המרכז, פרופ' יואל זוסמן, אנה ברנזבורג-מועלם, דוד מועלם. בשורה הקדמית, מימין: ברכה וקנין, משה בן-דוד, רעות רותם-ברנהיים, רני ברבדו, ד"ר שירה אלבק

 

המתח בין שני קטבים מנוגדים לחלוטין הוא יסוד מוסד בתרבות האנושית על גוניה וזרמיה השונים. היהדות מציבה את הסיטרא אחרא (הדרך האחרת) למולו של האל הטוב המוחלט, הקדוש-ברוך-הוא. בנצרות ובאיסלאם מתקיים הניגוד בדרג נמוך יותר, דרגת המשיח, נציג האל. כך, מול ישו ניצב ה"אנטי-כריסט", ומול המהדי של המוסלמים, "המונחה בידי האל", ניצב דג'אל הדומה לו בצורתו אך הפוך ממנו בתכונותיו המוסריות. ב"עליסה בארץ המראה" מתקיים עולם שהוא היפוכו המוחלט של העולםשבו אנו חיים.

ייתכן שהמבנה הדו-קוטבי הזה, החוזר על עצמו, נובע, או לפחות מושפע, מתופעות טבע. בעולמן של המולקולות אנו מכירים מולקולות זהות מבחינת הרכבן, הבנויות בכיוונים הפוכים לחלוטין, כמו שיד ימין ויד שמאל חופפות זו לזו והפוכות לחלוטין זו מזו. בעולמם של החלקיקים היסודיים, מול כל חלקיק חומר מתקיים חלקיק של אנטי-חומר השווה לו בכל, אך נושא מטען חשמלי הפוך. ובכל זאת, פרופ' דן שחר, מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, הופתע כשגילה תופעה שאיש לא ראה לפניו. הוא חקר את תופעת מוליכות-העל, המתחוללת כאשר חומר מוליך חשמל (מתכת  או חומר קרמי) מקורר לטמפרטורות נמוכות מאוד, וכתוצאה מכך ההתנגדות שלו להולכת זרם חשמלי פוחתת ומגיעה לאפס, כלומר, החומר אינו מתנגד כלל לזרם חשמלי העובר דרכו. או, אם רוצים לבטא זאת באופן חיובי, החומר מאפשר זרימה מתמדת של זרם חשמלי, ללא "גביית עמלה" כלשהי. לכן, חומר כזה מכונה "מוליך-על".

מוליכי-על עשויים לשמש בין היתר להולכה של זרם גבוה למרחקים גדולים, לבניית מגנטים שמייצרים שדה מגנטי חזק במיוחד (הנחוצים, למשל, לבניית רכבות מהירות מאוד ומאיצי חלקיקים רבי עוצמה), ליצירת חישנים לשדות מגנטיים זעירים, לפיתוח רכיבים שונים במחשבים, ועוד. אבל, תופעת מוליכות-העל מתחוללת בתנאים מוגדרים של טמפרטורה וסדר, וה"הגעה" לתכונה הזאת ואיבודה צופנים תופעות שבחלקן אינן מובנות כל צורכן. לדוגמא, כאשר יוצרים מוליך-על מחומר מוליך, שהוא בעל רמת סדר נמוכה יחסית, ואז גורמים לו לאבד את תכונת מוליכות-העל (באמצעות חימום, למשל), החומר אינו חוזר למצבו המקורי (מוליך רגיל), אלא הופך למבודד. התופעה הזאת תלויה במידת אי-הסדר המקורית של החומר. היא מתחוללת רק מעבר לרמה מסוימת של אי-סדר. 

 

פרופ' שחר, תלמיד המחקר מעוז עובדיה וחברי קבוצת המחקר, בחרו "לקלקל"  את תכונת מוליכות-העל בדרך אחרת - באמצעות הפעלה של שדה מגנטי חזק. הם יצרו מוליך-על מחומר בעל רמת סדר נמוכה  אך לא כזו הגורמת למוליך-העל להפוך למבודד כתוצאה מחימום), והפעילו עליו שדה מגנטי חזק. כשבחנו את התלות של הזרם במתח, תוך כדי שינוי אטי של עוצמת השדה המגנטי והטמפרטורה, הם גילו להפתעתם, שבשילוב מסוים מאבד החומר את תכונת הולכת-העל, אבל לא הופך, לא למוליך רגיל (מצבו המקורי), ולא למבודד רגיל (התופעה המוכרת בחומרים לא מסודרים). במקום זה הם צפו, לראשונה בעולם, בחומר שאיבד לחלוטין את היכולת להוליך זרם חשמלי. במילים אחרות, הם גילו תופעה שזכתה מיד לכינוי בידוד-על, הקוטב הנגדי המוחלט לתופעת מוליכות-העל.

המדענים עדיין אינם מבינים את תופעת בידוד-העל, שהתגלתה בינתיים במספר חומרים ונצפתה במקומות נוספים בעולם. ייתכן שהיא קשורה בדרך כלשהי לעובדה ששדות מגנטיים חזקים חודרים למוליך-על ויוצרים בו מעין "מערבולות מגנטיות" המקלקלות את תכונת מוליכות-העל. מדענים מסוימים מציעים להתייחס למערבולות אלה כאל מעין חלקיקים, שבתנאים מסוימים מגיבים לזרם ביצירה של מתח רב, דבר שמשמעותו היווצרות של תכונת בידוד-העל. כך או אחרת, ברור שבשלב זה רב הנסתר על הנגלה, ועוד צפויות תגליות רבות בשדה המחקר הזה.

 

תופעת בידוד-העל מתחוללת כיום בטמפרטורות של 40 אלפיות של מעלת קלווין אחת (קרוב מאוד לאפס המוחלט). אבל מבודדי-על שיפעלו בטמפרטורת החדר - אם אכן נצליח לפתחם - יוכלו להוות פתרון לבעיית ההתחממות של רכיבים אלקטרוניים, ולאפשר ייצור של טרנזיסטורים שאינם מאבדים חשמל, וסוללות ומצברים חשמליים שיוכלו לפעול זמן רב מאוד, בהשוואה לאלה העומדים לרשותנו כיום.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

הגודל אכן קובע. בעולם המדע והטכנולוגיה, קטן יותר הוא יעיל יותר, ולכן נחשק יותר. המושג "ננו-טכנולוגיה" שגור כיום בפיהם של רבים, אבל אחת הננו-מכונות המעניינות והנחקרות ביותר פותחה דווקא על-ידי חיידק. מדובר במנוע אשר מניע את השוטון - איבר התנועה של החיידק. באמצעות שינוי כיוון הסיבוב של המנוע משנה החיידק את כיוון השחייה שלו בהתאם לגירויים המתקבלים מהסביבה, וכך, למשל, הוא נע לעבר מקורות מזון, או מתרחק מחומר רעיל. אחת משאלות המפתח היא, כיצד נעשה שינוי כיוון הסיבוב של השוטון. תיבת ההילוכים שעושה זאת היא מתג בבסיסו של המנוע, אולם מנגנון פעולתו עדיין אינו ידוע.

 

מחקר של פרופ' מיכאל אייזנבך וחברי קבוצת המחקר שלו, מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, מגלה שחקן חדש ומפתיע אשר משתתף בפעולת המתג. מתברר כי אנזים מסוים, אשר מוכר בשל תפקידו בתהליכי הנשימה התאיים בתנאי חוסר חמצן, הוא גורם חיוני בהיווצרות השוטון וביכולת התנועה של החיידק. ממצאי המחקר פורסמו באחרונה בכתב-העת של הארגון האירופי לביולוגיה מולקולרית (EMBO Journal).

 

בחיידקים מסוג E.Coli, ובחיידקים דומים לו, המתג עשוי להמצא באחד משני מצבים, המאפשרים סיבוב עם כיוון השעון או נגדו. באופן רגיל מסתובבים כל השוטונים (כששה בכל חיידק) באלומה אחת נגד כיוון השעון, כך שהחיידק שוחה קדימה. הסטה של ידית ההילוכים גורמת להיפוך כיוון הסיבוב של השוטונים, וכתוצאה מכך החיידק מבצע פנייה. הסטה כזו נעשית בתגובה לגירויים חיצוניים. אולם כיצד בדיוק היא נעשית?

 

מחקרים קודמים במעבדתו של פרופ' אייזנבך זיהו מולקולה מסוימת, הקרויה פומראט, כגורם המאפשר את הסטת המתג. בעבודה הנוכחית ניסו החוקרים לזהות את הרכיב במתג אליו נקשר פומראט. לאחר שלא מצאו כל עדות לקישור כזה בחלבוני המתג המוכרים, גילו החוקרים כי קיים מרכיב נוסף שנקשר למתג, וכי רכיב זה - האנזים פומראט רדוקטאז - הוא הקושר את מולקולת הפומראט ומאפשר את הסטת המתג. מדובר בגילוי מפתיע - עד כה היה ידוע שהאנזים הזה ממלא תפקיד בתהליכי הנשימה התאיים, בתנאים של חוסר חמצן. ממצאים אלה חושפים תפקיד חדש ובלתי מוכר של אותו אנזים, דווקא בנוכחות חמצן, כאשר נוכחות האנזים בתא היא נמוכה.

 

ההפתעה גדלה כאשר החוקרים מצאו, כי כאשר הם מוציאים מהחיידקים את הגן המאפשר את ייצור האנזים, נפגעת לא רק יכולתם של החיידקים להסיט את המתג, אלא גם יכולתם ליצור שוטונים.

 

פרופ' אייזנבך סבור כי ממצאים אלה הם רק קצה הקרחון, וכי חלבונים נוספים עשויים להיות קשורים ודרושים לפעילות המתג. הגילויים לא רק שופכים אור על אחת מהתעלומות הוותיקות בתחום, אלא גם פותחים מספר שאלות - האם ייתכן כי קיים קשר בין שני תפקידיו של האנזים? כיצד בדיוק גורם הקישור בין מולקולת הפומראט לבין האנזים להסטת המתג? וגם - עד כמה נפוץ המנגנון שהתגלה בחיידקי E.Coli, בחיידקים נוספים? לשאלות אלה מקווה פרופ' אייזנבך למצוא מענה במחקריו העתידיים.

 

המחקר בוצע על-ידי תלמידת המחקר גלית כהן בן-לולו. תרמו לו גם ד"ר יעקב דוידוב ותלמידי המחקר קרישנה פרשד ויעל שגיא מקבוצתו של פרופ' אייזנבך; ד"ר אייל שמעוני מהיחידה למיקרוסקופיית אלקטרונים וד"ר דרור נוי מהמחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן למדע; כן השתתפו במחקר פרופ' רוז ג'ונסטון, מדענית אורחת מאוניברסיטת מק'גיל במונטריאול, ותרמו לו גם ד"ר נורין פרנסיס מאוניברסיטת ברנדייס, ופרופ' גארי צ'קיני מאוניברסיטת קליפורניה בסן-פרנסיסקו.