כל כבאי מתחיל לומד עד מהרה, שכדי להזרים מים בצינור בעוצמה שתאפשר לזרם להגיע למרחוק, יש להשקיע אנרגיה לא מעטה. כשמדובר בשריפות שמתחוללות בבניינים רבי קומות, יכולתם של הכבאים להפעיל זרם מים שיגיע לגובה רב היא, לפעמים, קו הגבול שבין חיים למוות. אחד הגורמים שמקשים על הכבאים בתחום זה הוא תופעת הטורבולנטיות - היווצרות מערבולות גועשות וכאוטיות - המתחוללת במים שמוזרמים בצינור במהירות גבוהה. בשנת 1964 התגלה בדרך מקרה, שהוספת חומר פולימרי ארוך-שרשרת למים הגועשים שבצינור מפחיתה את ההפרעה שיוצרת הטורבולנטיות, ומאפשרת לזרם המים הפורץ מהצינור להגיע למרחקים ולגבהים גדולים יותר (חומר פולימרי בנוי כמעין שרשרת ארוכה של מולקולות קטנות יחסית).

 

כבאים בכל העולם משתמשים בתחבולה הזאת - הוספת חומר פולימרי ארוך-שרשרת למים - דרך קבע. השיטה מיושמת גם להפחתת האנרגיה הנדרשת להזרמת נפט בצינורות הובלה ארוכי טווח, אך פיתוחם של יישומים נוספים נעצר בשל אי-הבנת המנגנון הבסיסי של התופעה. ביחס לעובדה שהשיטה פועלת אין כיום ויכוח. אבל מדוע זה קורה? כיצד הוספת החומר הפולימרי למים מאפשרת לאותה כמות אנרגיה להזרים את המים הגועשים שבצינור במהירות ובעוצמה רבות יותר? מדענים רבים, במקומות שונים בעולם, ניסו לפתור את התעלומה הזאת, ללא הצלחה, במשך עשרות שנים. אלה היו פני הדברים עד שבאחרונה נפתרה התעלומה בידי קבוצת חוקרים שכללה את פרופ' איתמר פרוקצ'יה, ד"ר ויקטור לבוב, ד"ר אנה פומיאלוב, והחוקר הבתר-דוקטוריאלי וסיל טיברקביץ מהמחלקה לפיסיקה כימית של מכון ויצמן למדע.

 

למעשה, התעלומה הייתה גדולה עוד יותר, מכיוון שבאופן אינטואיטיבי נראה היה שהוספת החומר הפולימרי למים הגועשים שבצינור דווקא תגדיל את צמיגות המים, דבר שיאט את קצב הזרימה ויחייב השקעה של אנרגיה רבה יותר כדי להזרימם בעוצמה. מולקולת הפולימר מצויה בדרך כלל במצב מקופל ומפותל, אבל כשהיא מצויה במים שבצינור, הזרימה הטורבולנטית, שמתחוללת בכיוונים שונים ובעוצמות שונות במקומות שונים, גורמת ליישור של המולקולה, ה"נמתחת" ומתארגנת כמעין מחרוזת ארוכה של חרוזים. התארגנות זו של המולקולות הפולימריות אכן מגדילה את צמיגות המים, דבר שגורם להפסדי אנרגיה, אבל מדעני המכון גילו שבאותה עת, ההתארגנות הזאת מפחיתה במידה משמעותית את זרם התנע של המים, דבר שגורם להגדלה משמעותית של התנע עצמו. זרם התנע נע בזווית ישרה לכיוון התנועה של הזרימה, ולפיכך הוא מפריע לזרימה, מאט אותה, ומחייב השקעה של אנרגיה כדי להתגבר עליו. משמעות הדבר היא, שהחלשת זרם התנע מחזקת וממריצה את התנע של הזרימה.

 

המדענים חישבו ומצאו שבמאזן הכולל, הרווח של הגדלת התנע גדול בהרבה מההפסד שנוצר כתוצאה מהגדלת החיכוך, ולכן, כאשר מוסיפים למים חומר פולימרי ארוך-שרשרת, המים המוזרמים בצינור זורמים במהירת רבה יותר, וכשהם פורצים החוצה, הם מגיעים למרחקים ולגבהים גדולים יותר. באותה מידה, הוספת הפולימרים ארוכי-השרשרת לנפט המוזרם בצינורות מקטינה את כמות האנרגיה הדרושה להזרמה.

 

הבנת התהליך הבסיסי הגורם לתופעה תאפשר בהמשך לשפר את הביצועים, ולהרחיב את ניצול התופעה בכיוונים ובתחומים חדשים. לדוגמה, מדעני המכון בוחנים עכשי את האפשרות להחליף את הפולימרים ארוכי-השרשרת בבועות אוויר זעירות. פיזור בועות אוויר ליד הקוער של אוניות, למשל, עשוי להקטין את חיכוך קוער האוניה במים, דבר שעשוי לאפשר חיסכון ניכר בדלק.

 

 

מיליוני בני-אדם מתים ממחלות כליות, בעולם המערבי לבדו. אחד מכל 12 אנשים סובל בשלב זה או אחר של חייו מהפרעה בתיפקוד הכליות. הדרכים הידועות לבחינת תיפקודי הכליות מבוססות על בדיקות דם ושתן, אבל בדיקות עקיפות אלה אינן מספקות את הרופאים, השואפים למצוא דרכים לביצוע בדיקות ישירות ולא חודרניות, כגון אלה המבוצעות באמצעות דימות בתהודה מגנטית, MRI. הבעיה היא, שמכשירי ה- MRI המצויים בבתי-החולים עוקבים אחר תנועתן של מולקולות המים ברקמה, דבר שמפחית במידה רבה את התועלת שבדימות כליות, מכיוון שקשה להבחין בין המים שבתאי הכליה לבין המים שזורמים דרכה.

 

צוות של מדענים ממכון ויצמן למדע, בראשותה של פרופ' הדסה דגני, ראש המחלקה לבקרה ביולוגית, מציע עכשיו דרך להתגבר על הקושי הזה. השיטה החדשה מבוססת על דרך שפיתחו המדענים להשתמש במכשירי ה- MRI - לעיקוב אחר יוני נתרן, ולא אחר מולקולות מים. השיטה מתבססת על תכונה ייחודית של הכליות, המסננות את הדם ושומרות על רמות יציבות של חומרים חיוניים כמו נתרן ואשלגן בזרם הדם. למעשה, כדי שהכליה תוכל לבצע את תפקידה זה, צריך ריכוז הנתרן במרכז הכליה להישמר ברמה של עד פי חמישה בהשוואה לריכוזו בהיקף הכליה (השווה לריכוז הנתרן ברקמות הגוף האחרות).

 

פרופ' דגני, יחד עם ד"ר נמרוד מריל ורענן מרגלית מקבוצתה, ויחד עם ד"ר יואל מיספלטר ממכון קירי שבצרפת, פיתחו את האמצעים המאפשרים להבחין באמצעות MRI - וברזולוציה גבוהה במרחב ובזמן - בשינויים של ריכוזי נתרן בתוך רקמות שונות בדרך לא פולשנית. המדענים השתמשו באמצעים החדשים שפיתחו לבחינת השינויים ההדרגתיים של ריכוזי הנתרן בכליה בריאה ומתפקדת של חולדה. לאחר מכן בחנו כליות שתיפקודן פגום, וזיהו את ההבדלים בשינויי ריכוז הנתרן בין כליה בריאה לכליה פגומה. לאחר מכן הצליחו לאבחן שינויי תיפקוד שנגרמו כתוצאה משימוש בתרופות ידועות לפי השינויים בנתרן. באחרונה הצליחו המדענים להבחין בהבדלי תיפקוד בין אזורים שונים של אותה כליה. הישג זה עשוי לאפשר לרופאים, בעתיד, למפות בדייקנות את האיזור הפגום בכליה, להעריך במדויק את הנזק, לטפל בו באופן פרטני, ואף לזהות תהליכים העלולים להוביל להתפתחות מחלה, עוד לפני שמתחוללים הסימפטומים הראשונים.

 

 

 

תעלול חזותי ידוע מתחולל כאשר אנו מביטים בריבוע, שמתחלף לפתע במלבן מוארך. בפועל, הריבוע נמחק והמלבן מופיע, אבל לנו נראה שהריבוע מתארך בהדרגה עד שהוא הופך למלבן.

 

מדוע זה קורה? מה זה אומר על יכולתו של המוח לנתח, לעבד ולהבין את המציאות לאשורה, על פי הנתונים שמועברים אליו מאיברי החישה, כגון העין? פרופ' עמירם גרינולד וד"ר דריק ינקה, מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע, גילו באחרונה מה גורם למוח לטעות בהבנת המציאות של הריבוע המתחלף במלבן. ממצא זה, שיש לו השלכות מרחיקות לכת על אסטרטגיות עיבוד הנתונים במוח, פורסם באחרונה בכתב העת המדעי NATURE .

 

מחקר זה מהווה ציון דרך במאמץ מדעי מתמשך לפיענוח הצופן העצבי של המוח, דבר שיאפשר להבין את עקרונות הפעולה הבלתי-ידועים של "מערכת ההפעלה" של המוח. פרופ' גרינולד אומר, שפיענוח הצופן העצבי יביא לקפיצת מדרגה בחקר המוח, בדומה להתפתחות המהירה שחלה בביולוגיה המולקולרית בעקבות פיענוח הצופן הגנטי. הדימות האופטי תורם גם לפיתוח עידן חדש בתחום הרפואה.

 

בעבר גילו פרופ' גרינולד וחברי קבוצת המחקר שלו, כי קבוצות תאים המעבדות נתונים שונים במוח מאורגנות בהקשרים גיאומטריים קבועים, כלומר, שעיבוד המידע במוח מתבסס על חלוקה גיאומטרית-מודולרית של קבוצות תאים מוגדרות, החוזרת על עצמה שוב ושוב. כך, לדוגמה, קבוצת תאים העוסקת במטלה ייחודית יוצרת מבנה מרחבי אופייני, המשתלב - תוך שמירה על הקשר גיאומטרי קבוע - במבנה אחר, שנוצר על-ידי קבוצת תאים אחרת, המטפלת בעיבוד חלקים אחרים של המידע. למשל, כאשר המוח קולט מידע חזותי, קבוצות התאים המעבדות את ממד העומק משתלבות כמעין לבני משחק לגו, או תצרף (פאזל) בקבוצות תאים העוסקות בעיבוד צבע, ובקבוצות תאים אחרות המעבדות את נתוני הצורה. השילוב הגיאומטרי-מודולרי המדויק, החוזר ונשנה, של כל מרכיבי ה"תצרף" האלה, יוצר במוח מעין מערך אדיר של "מיקרו-מעבדים" זהים במבניהם ובצורתם. מעבדים כאלה מכסים את כל שדה הראייה, כשהם מפרקים את התמונה למרכיביה השונים (עומק, תנועה, צבע ותכונות חזותיות אחרות), מעבדים כל תכונה בנפרד, ולאחר מכן בונים את תפיסת הראייה באזורים עילאיים במוח.

 

תגלית זו, וכן תגליות נוספות, בוצעו באמצעות מערכת ייחודית לדימות אופטי שפיתח פרופ' גרינולד. המערכת מבוססת על מצלמה מהירה ורגישה במיוחד, ועל סדרה של צבעים שפותחה במעבדתו של גרינולד בידי הכימאית ד"ר רינה הילדסהיים. צבעים אלה, הנצמדים לקרום תאי המוח החיים, משנים את עוצמת זריחתם (פלואורסצנסיה) על פי רמת פעילותם של התאים. המצלמה המהירה מסוגלת להבחין בשינויי הצבע האלה, וכך יכולים החוקרים לדעת איזה תא "יורה" אות עצבי חשמלי, ומתי בדיוק הוא עושה זאת. היתרון העיקרי בשיטת צפייה זו מתבטא בכך, שהיא מאפשרת לקלוט את הפעילות החשמלית של מיליוני תאים יחד, בזמן אמת, במקום לבצע מעקב אחר כל תא עצב בודד באמצעות מגע חשמלי (אלקטרודה). עיבוד הנתונים הנאספים במערכת זו מאפשר לחוקרים למפות במדויק את פעילות המערכים התיפקודיים של רשתות העצבים במוח.

 

ייחוד חשוב נוסף של המערכת והשיטה שפיתח פרופ' גרינולד מתבטא בכך, שהיא מאפשרת להבחין בפעילויותיהם של תאי העצב במוח גם כשהם עוסקים ב"תיחול (PRIMING) של שיגור אותות עצביים. במילים אחרות, המערכת אינה מוגבלת להבחנה דו-ממדית צרה בין תא ש"יורה" אות עצבי (אות על-ספי) לתא שאינו "יורה" (מצב תת-ספי), אלא היא מסוגלת להבחין במצבי ביניים רבים המתחוללים מתחת לסף השיגור של האות העצבי. יכולת זו איפשרה לפרופ' גרינולד ולחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה לזהות מצבים שונים של תאים, שלכל אחד מהם חסרה כמות שונה של פעילות כדי להגיע לסף שממנו התא "יורה" ומשגר אות עצבי חשמלי אל חבריו ברשת. כך עלה בידם למפות מחדש את קבוצות התאים האחראיות לניתוח הנתונים של תופעות חזותיות שונות (תנועה אנכית, תנועה אופקית, צבע, ועוד).

 

כאן אפשר לחזור לתעלול החזותי שבו פתחנו. מה גורם למוח "לחשוב" שהעין צפתה באירוע של תנועה, שהריבוע מתארך בהדרגה והופך למלבן? החוקרים הבחינו בסף מדורג שתמונת הריבוע יוצרת בקליפת המוח, דבר שגורם לכך שהמרחק עד הסף הקריטי (לשיגור אותות עצביים) הולך וגדל בהדרגה, ככל שמתרחקים ממקום הפעילות העל-ספית של הריבוע עצמו. עם הופעת המלבן המוארך מופיעה פעילות נוספת שחוצה את הסף בהדרגה ככל שמתרחקים מהמוקד הראשוני. לכן נוצרת אשליה של תנועה. באיזו חוליית עיבוד במוח, בדיוק, מתחולל ה"כשל" הזה בעיבוד המידע? מדענים רבים סברו, שעיבוד תכונת התנועה נעשה בקבוצת תאים המצויה ב"עומק" מערכת עיבוד נתוני הראייה במוח, שעד כה התגלו בה לא פחות מ-36 תחנות עיבוד הפועלות בזו אחר זו. אבל הודות לשיטת הדימות האופטי הייחודית, המסוגלת למפות קלט תת-ספי, שפיתח פרופ' גרינולד, הצליחו המדענים לגלות שכשל שיכול לגרום לאשליית תנועה, מתחולל כבר בתחנת העיבוד הראשונה במוח.

 

מחקריו בתחום חקר המוח זיכו את פרופ' גרינולד באחרונה בפרס דן דוד. פרופ' גרינולד הוא הישראלי הראשון הזוכה בפרס בין-לאומי יוקרתי זה. פרס דן דוד, המנוהל ע"י אוניברסיטת תל-אביב, נחלק לתחומי העבר, ההווה והעתיד. פרופ' גרינולד, שזכה בפרס בתחום העתיד, קיבל אותו על מחקריו שבהם גילה הצטיינות בולטת ורבת הישגים, מקוריות, יצירתיות, פריצת תחומים ותרומה לאנושות. בתחום חקר המוח התחרו על הפרס השנה עשרות מועמדים מ-17 מדינות. בוועדת ההיגוי של הפרס, הנשענת על מומחים מהבכירים בתחומם, חברים, בין היתר, פרופ' איתמר רבינוביץ', נשיא אוניברסיטת תל- אביב, ד"ר ברוס אלברטס, נשיא האקדמיה הלאומית למדעים של ארה"ב, פרופ' יהושע יורטנר, לשעבר נשיא האקדמיה הישראלית למדעים, וד"ר הנרי א' קיסינג'ר, לשעבר מזכיר המדינה של ארצות הברית.

 

 

 

 

נגיפים הם יצורים יעילים וחסכניים במיוחד. העובדה שהם חסרי מנגנון לשיכפול עצמי אינה מפריעה להם להתרבות ביעילות רבה מאוד, שלעיתים מאיימת על מיני בעלי-חיים החיים בסביבתם. כדי להתרבות, הנגיפים פשוט חייבים לנצל מישהו אחר שיעשה בעבורם את המלאכה. במילים אחרות, כדי להתרבות, הנגיפים חייבים לחדור לתוך תא חי ולשלב את המטען הגנטי שלהם במטען של התא. כתוצאה מכך, התא ה"כבוש" וה"משועבד" מתחיל לייצר עוד ועוד נגיפים, כשהוא משקיע בפעילות זו את רוב המשאבים העומדים לרשותו.

 

השלב הראשון בתהליך ההשתלטות של נגיפים על תא חי מתחולל כאשר הנגיף מתקרב לתא, ומנסה לעגון על פניו. בתהליך העגינה, חלבון מסוים, המוצג על מעטפת הנגיף, מגשש את דרכו, עד שהוא מזהה קולטן ייחודי המוצג על קרום התא, ונצמד אליו. ההתאמה בין חלבון העגינה הנגיפי לבין הקולטן של התא החי מזכירה התאמה שבין מפתח למנעול. מדענים רבים, בכל העולם, מנסים לבלום מחלות נגיפיות בדרך של חיסון, שימנע את העגינה של הנגיפים על גבי התאים. הגישה המקובלת בתחום זה מבוססת על שימוש בגורם המחלה (הנגיף) כשהוא מת, או מוחלש. כאשר מחדירים נגיפים מתים או מוחלשים לזרם הדם, המערכת החיסונית, על מיגוון התאים המרכיבים אותה, לומדת להכיר את המאפיינים הצורניים של חלבוני המעטפת שלהם, ומייצרת כנגדם נוגדנים מעכבים. ואז, אם וכאשר מגיעים הנגיפים הפעילים, המערכת החיסונית כבר מכירה את צורת חלבוני המעטפת שלהם, מזהה אותם כגורמי מחלה, כפולשים זרים, ובולמת אותם.

 

אבל הנגיפים, גם הם לא טומנים את ידם בצלחת. בתהליך אבולוציוני מהיר הם משנים תכופות את צורת חלבוני המעטפת שלהם, ובכך הם מתחמקים מהמערכת החיסונית. במובן מסוים, המאבק בין הנגיפים למפתחי החיסונים מזכיר את המאבק המתמיד שבין יוצרי שיטות ההצפנה למפענחי הצפנים.

 

נגיף השפעת, למשל, משנה את צורת חלבוני המעטפת שלו כמעט מדי שנה, וכך, תרכיבי חיסון שהיו יעילים בשנה אחת, נעשים כמעט חסרי תועלת כעבור שנה. כאןנכנסות לתמונה פרופ' רות ארנון וד"ר תמר בן-ידידיה מהמחלקה לאימונולוגיה במכון ויצמן למדע. המדעניות התמקדו בחלבון המעטפת של נגיף השפעת, הקרוי המגלוטינין. חלבון זה בנוי משלוש שרשרות מולקולריות השלובות זו בזו בדומה לעלי גביע של פרח. במעקב מדוקדק אחר זנים שונים של נגיפי שפעת עלה בידן לגלות שלמעשה, השינויים במולקולת החלבון המגלוטינין מתחוללים בחלקים החיצוניים של החלבון בלבד, בעוד שהחלקים הפנימיים נותרים כמעט ללא שינוי. אחד הפפטידים המצויים באיזור הפנימי של החלבון נותר שמור באבולוציה, והוא זהה בזנים רבים של נגיף השפעת. תצפית נוספת הראתה, שכאשר הנגיפים תוקפים את התאים החיים,"עלי הגביע" נפתחים, ומגלים טפח מהפפטיד ה"חבוי". במילים אחרות, מבחינה חיסונית, הפפטיד החבוי הזה עשוי להיות מעין "עקב אכילס" של הנגיף.

 

בשלב מוקדם יותר, בשיתוף עם תלמיד המחקר דאז, ד"ר רפי לוי, השתמשה פרופ' ארנון בגרסה סינתטית של הפפטיד ה"חבוי" כבתרכיב חיסון שאיפשר למערכת החיסונית להכיר ולבלום זנים רבים של נגיפי שפעת. הפפטיד הסינתטי בוטא, בשיטות של הנדסה גנטית, בשוטונים של חיידקי סלמונלה. לאחר שהופק הפפטיד, נבחנה יעילותו בחיסון עכברים.

 

התוצאה: 50% מהעכברים שחוסנו בתרכיב שהכיל את הפפטיד גילו עמידות כנגד זנים שונים של נגיפי שפעת. שימוש בתרכיב חיסון שהורכב מתערובת של הפפטיד הזה עם שני פפטידים חבויים נוספים כבר הניב עמידות של 90% מהעכברים שחוסנו. יתר על כן: שבעה חודשיםלאחר החיסון עדיין היו 50% מהעכברים עמידים להדבקה בנגיף, ולא חלו.

 

בניסוי שבו הודבקו העכברים בכמות גדולה מאוד של נגיפים, שבדרך כלל הורגת את העכברים, הצליח תרכיב החיסון המבוסס על תערובת של שלושת הפפטידים למנוע לחלוטין את מקרי המוות.

 

מעודדות מהתוצאות האלה, החלו המדעניות לבחון תגובות חיסוניות בגופם של עכברים שבגופם הושתלה מערכת חיסון אנושית. לצורך זה הוכן תרכיב חיסון חדש, שהתבסס על תערובת של ארבעה סוגים של פפטידים "חבויים", שנועדה לעורר תגובה חיסונית בבני-אדם. התוצאה: העכברים גילו עמידות כנגד זנים שונים של נגיפי שפעת, וכמות הנגיפים שנמדדה בריאותיהם הייתה קטנה בשני סדרי גודל בהשוואה לעכברים לא מחוסנים. גם חיסון זה מנע את מותם של עוברים שהודבקו בכמות גדולה של נגיפים.

 

פרופ' ארנון אומרת, שבניגוד למחקרים שנועדו לגילוי או לפיתוח של תרכיב חיסון למחלה מסוימת, המחקר הנוכחי שלה ושל ד"ר בן-ידידיה נועד לפיתוח גישה חדשה ומקורית, שאפשר יהיה להשתמש בה לפיתוח תרכיבי חיסון כנגד מחלות רבות ושונות. יישום כזה יתבסס על זיהוי מרכיב חסוי של גורם המחלה, המעורר תגובה חיסונית יעילה וחזקה דיה כדי למנוע הדבקה או התפתחות של המחלה. באחרונה הוקמה חברת הזנק הקרויה "ביונדווקס", שתתמקד בפיתוח תרכיבי חיסון על בסיס הגישה החדשה שפיתחו פרופ' ארנון וחברי קבוצת המחקר שלה.

 

 

הופעות משותפות של הזוג המוזר הזה גרמו במשך שנים להרמת גבות. אבל עכשיו אותו זוג הוא הוא הדבר החם בעיר, טבעי ומוכר כאילו היה כאן מאז ומעולם. מדובר בשילוב בין מדעי המחשב לביולוגיה, שאמנם ייתכן שלא התחתנו כדת וכדין, אבל אין חולק על מעמדם כידועים בציבור. ד"ר יצחק (צחי) פלפל מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדעהוא מסוללי דרכו של המדע החדש הזה, הקרוי ביואינפורמטיקה.

 

כאשר בחר פלפל בשדה המחקר הזה, עתידו של התחום עוד היה לוט בערפל ומוטל בספק. מעט מאוד אנשים שמעו את המלה "ביואינפורמטיקה". "התפיסה המקובלת הייתה שמחקר ביולוגי עושים במבחנה, או בחיות ניסוי", הוא אומר. אבל בתקופת לימודיו לתואר ראשון באוניברסיטת תל-אביב התברר לפלפל, שתפארתו לא תהיה על דרך המדע ה"רטוב", המעשי. "בהתחלה מינו אותי, במעבדה, לאחראי על זבוב הדרוזופילה, אך לאחר זמן קצר הפרופסור לקח אותי הצידה ואמר: 'אני חושש שאין ברירה, אתה תהיה תיאורטיקאי'. נעלבתי וניסיתי למחות, אבל תוך זמן קצר נשביתי בקסמה של הביולוגיה החישובית".

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

לאחר שביצע עבודת דוקטורט במכון ויצמן בהנחייתם של פרופ' אפרים קציר מהמחלקה לכימיה ביולוגית, ופרופ' דורון לנצט (כיום במחלקה לגנטיקה מולקולרית), נסע ד"ר פלפל לבצע מחקר בתר-דוקטוריאלי במעבדתו של פרופ' ג'ורג' צ'רץ' באוניברסיטת הרווארד שבארה"ב.

 

הביואינפורמטיקה נולדה כפועל יוצא מהשלמת פרויקט המיפוי והפיענוח של גנום האדם, והפרויקטים שבאו בעקבותיו, .שבמסגרתם מופו ופוענחו הגנומים של בעלי-חיים נוספים, וכן גנומים של צמחים, פטריות וחיידקים. בגנום האדם, למשל, מצויים כ30,000- גנים. ד"ר פלפל: "אחת מהשאלות המרתקות במדעי החיים היא, כיצד תאים עובריים מוקדמים (הקרויים גם תאי גזע עובריים), בוחרים לעצמם 'קריירות' נפרדות, ומתמיינים ויוצרים תאים שונים זה מזה בתכלית, כמו תאי עצב, תאי שריר, תאי דם לבנים מסוגים שונים, ועוד. אנו יודעים שבאופן כללי, התהליך הזה נובע מהעובדה שלא כל הגנים המצויים ב'ארגז הכלים הגנטי' מתבטאים במידה שווה בכל התאים. כאשר גנים מסוימים מתבטאים וגנים מסוימים אחרים אינם באים לידי ביטוי, התא מתפתח להיות תא שריר. שינויים בזהות הגנים שמתבטאים ואלה שאינם עושים זאת יובילו את התא למסלול 'קריירה' אחר. הגורמים השולטים בתהליכי ההתבטאות של הגנים הם חלבוני בקרה מיוחדים הנצמדים אל המקטעים הגנטיים הסמוכים לגנים, ובכך 'מפעילים' ו'משתיקים' את הגנים השונים. חלבוני הבקרה עצמם פועלים על-פי אותות שונים שהם מקבלים מהסביבה. הפעלת גן היא תהליך מורכב המוכרע על-ידי שילוב של כמה גורמי קרה גנטיים - כמו דלת שיש לה יותר ממנעול אחד, ולצורך פתיחתה חייבים להזדמן יחד, בעת ובעונה אחת, מספר אנשים שכל אחד מהם יפעיל את המפתח שברשותו".

 

ד"ר פלפל, וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה, שואפים לחשוף את עקרונות הפעולה הבסיסיים של הרשתות המבקרות את התבטאות הגנים בתאים שונים, שמתחוללים בהם תהליכים שונים, למשל, תאים העוברים תהליך של התמיינות, וכן בתאים הנתונים לתנאי עקה, תאים העוברים תהליך של התחלקות, ועוד. לשם כך משתמשים מדענים העוסקים בביואינפורמטיקה, בין היתר, בטכנולוגיה המבוססת על שבבי די-אן-אי. שבבים אלה בנויים כמעין משטח שאליו צמודים מקטעים של די-אן-אי חד-גדילי המהווים מעין גלאי הנצמד ומזהה גן מסוים בלבד. על שבב אחד יכולים להצטופף עשרות אלפי גלאים מולקולריים כאלה, שבאמצעותם בוחנים המדענים את זהות הגנים המתבטאים בתאים שונים. כאמור, בגנום האדם השלם מצויים כ30,000- גנים, ועל כל שבב די-אן-אי מצויים עשרות אלפי גלאים. השילוב ביניהם יוצר כמות אדירה של נתונים כמותיים, העשויים להעיד על תבניות הפעולה של רשתות הבקרה של התבטאות הגנים. ד"ר פלפל וחברי קבוצת המחקר שלו מקבלים את שטף הנתונים הזה ממעבדות שונות בעולם, ומנתחים אותו במטרה למצוא בו תבניות משמעותיות שיוכלו ללמד על העקרונות הבסיסיים שלפיהם פועלות רשתות הבקרה. לשם כך הם יוצרים מודלים מתמטיים ממוחשבים המתארים רשתות בקרה אפשריות. השוואה בין המודלים האלה לממצאים הנאספים מניסויים שמבוצעים בפועל עשויה לחשוף את עקרונות הפעולה של רשתות הבקרה.

 

כאשר מדובר באיסוף מודיעין והתוויית תוכנית פעולה על-פי המידע המצטבר, התאים החיים הם אלופי העולם. ד"ר פלפל מצא, למשל, שבתהליך קבלת ההחלטות המורכב של התאים, קיימות "רמות החלטה" שונות שמתנהלות על-פי נוהלים שטוב היה אילו היו קיימים גם במערכות מימשל וארגונים אחרים מיסודם של בני-האדם. למשל, בעולמם של התאים החיים, ה"נוהל" הוא, שככל שההחלטה העומדת על הפרק גורלית יותר, גדל מספר מקורות המידע הנחוצים לקבלת ההחלטה.

 

כמובן, לא כל החלטה שמתקבלת בתא היא גורלית. למשל, החלטה לייצר אנרגיה ולפרק מולקולות מתקבלת על-ידי הגנים האחראיים ל"ניהול משק הבית" באופן שוטף, ללא התלבטויות רבות מדי. אך כאשר משהו משתבש - למשל, כשקרינת השמש, עשן, או חומרים מזיקים כלשהם פוגעים בדי-אן-אי שבתא - נדרש התא לבצע הערכת מצב ולקבל החלטות חיוניות, ולעיתים גורליות. ניתוח המידע על הנזק שנגרם עשוי להוביל להחלטה על הפעלת מנגנוני תיקון שונים הקיימים בתא. אבל אם הערכת המצב היא שנמוכים סיכויי ההצלחה של מאמצי התיקון האלה, דבר שמשמעותו עלולה להיות, למשל, סכנה ממשית להתחלת התפתחות של גידול סרטני, כי אז התא יכול לקבל החלטה לאבד את עצמו לדעת, ובמותו לצוות לגוף את החיים. זו, כמובן, החלטה לא כך כך פשוטה, וכדי לקבל אותה, ולפעול לפיה, התא צריך להיות בטוח שהמצב אכן חמור. לפיכך, החלטה כזאת תתקבל רק אם בתא נאסף מידע ממקורות רבים ושונים, שכולם יחד משתלבים, מתאימים זה לזה ומובילים למסקנה האחת והבלתי נמנעת.