<div>
Science Feature Articles</div>

מסלול כפול

עברית
 
ד"ר איילת ארז
בזמן מחקרה הבתר-דוקטוריאלי של ד"ר איילת ארז, ב"ביילור קולג'" לרפואה, הגיע לבית-החולים ילד במצב קשה עקב לחץ דם גבוה, שלא הגיב לטיפול תרופתי. הילד סבל ממחלה גנטית הנגרמת מחסר באנזים האחראי לייצור חומצת האמינו ארגינין. אולם הקשר בין החסר באנזים, הקרויASL, לבין תסמיני המחלה נותר בגדר תעלומה, והרופאים היו חסרי אונים. מה שהתרחש בהמשך מהווה דוגמה טובה לכוח של הדו-שיח בין מדע לרפואה: ד"ר ארז, שעברה מסלול הכשרה כפול, הן כרופאת ילדים והן כמדענית בתחום הגנטיקה של הסרטן, הצליחה ליצור מודל של המחלה בעכברים. כך גילתה כי האנזים ממלא תפקיד משמעותי נוסף, שהיה בלתי ידוע עד אז: הוא מעורב בייצור חנקן חמצני (NO) – "שליח ביולוגי" הממלא תפקיד במיגוון תהליכים פיסיולוגיים, ביניהם הרחבת כלי הדם ופעילות מערכת העצבים. בהמשך הוכיחה כי חסר באנזים זה מוביל לירידה בייצור החנקן החמצני בגוף, ובעקבות כך נגרמים חלק התסמינים האופייניים למחלה ממנה סבל הילד. הדרך משולחן המעבדה למיטת החולה הייתה קצרה: החולה טופל באמצעות תוסף מזון פשוט המכיל NO, אשר הוריד מיידית את לחץ הדם שלו לערכים תקינים (שנשמרו מאז בטווח הנורמה – כבר מעל שלוש שנים). בטווח הארוך יותר חל גם שיפור ביכולותיו הקוגניטיביות. על מחקר זה קיבלה פרס מטעם בית-הספר לרפואה של הרווארד. "השילוב בין הקליניקה למחקר הוא שהביא להצלחה והקנה לי אישית סיפוק גדול – כרופאה, כמדענית וכאם", היא אומרת.
 
שורשי מחקר החנקן החמצני מרחיקים עד שנת 1846, אז ייצר לראשונה הכימאי האיטלקי את חומר הנפץ ניטרוגליצרין. 100 שנים מאוחר יותר גילו פריד מוראד, לואיס איגנארו ורוברט פורצ'גוט כי ניתן לפרק את הניטרוגליצרין למולקולות NO, וכי חומר זה מרחיב את כלי הדם בגוף, וזכו על תגליתם בפרס נובל לרפואה לשנת 1998. מאז מצטברות העדויות לתפקיד החשוב שממלאת המולקולה בכלי הדם ובמערכת העצבים, אולם מנגנוני הפעילות שלה ואופני הבקרה עליה אינם ידועים. המחקר בתחום זה נתקל בקשיים, בין היתר, משום שבגוף קיימים שלושה אנזימים המייצרים חנקן חמצני. ניסיונות להשפיע על רמת ה-NO באמצעות מניפולציות גנטיות בשלושה אנזימים אלה, במטרה ליצור מודלים של מחלות, לא היו חד משמעיים.
 
ד"ר ארז מתמודדת עם הקשיים האלה באמצעות התמקדות בשלב מוקדם יותר במסלול המטבולי של החנקן החמצני בגוף, שלב עליו אחראי האנזים ASL אותו חקרה ב"ביילור קולג'". ASL מייצר את חומצת האמינו ארגינין – חומר הגלם בו משתמשים שלושת האנזימים המייצרים ממנו NO. בנוסף, כפי שגילתה ד"ר ארז, ASL הוא מרכיב הכרחי בצבר החלבונים שאחראי לייצור ה-NO. תכונות אלה הופכות אותו לגורם בקרה עליון, השולט ברמות ה-NO בגוף.
 
במעבדתה במחלקה לבקרה ביולוגית במכון מתכננת ד"ר ארז, בין היתר, להעמיק בחקר האנזים ASL ובגלגולים המטבוליים של ארגינין וחנקן חמצני, וזאת במטרה להבין טוב יותר את גורמים למחלות מערכתיות הנגרמות משיבושים במסלולים מטבוליים אלה, ובהן מחלות ניווניות של מערכת העצבים, חוסר תיפקוד של הכליות וסרטן, ולנסות לתרום לפיתוח דרכים חדשות לטיפול במחלות אלה.
 
במקביל לעבודתה במכון ויצמן למדע תחל ד"ר ארז לעבוד חצי יום בשבוע כגנטיקאית ילדים בבית-החולים על-שם שיבא בתל השומר, שם תטפל במשפחות עם ילדים החולים בסרטן שמקורו גנטי. עבודתה שם מתקשרת לסוג נוסף של שינויים מטבוליים שהיא מתכננת לחקור – אלה שמתחוללים בתא הבריא בזמן שהוא הופך לתא סרטני. היא מקווה ששתי הגישות – הקלינית והמחקרית – יחזקו זו את זו, כך שגם הרפואה וגם המדע יצאו נשכרים. בהמשך ישיר לתפיסה זו, החלה, ביחד עם ד"ר ערן אלינב, בקיום מפגשי רופאים-חוקרים במכון. "נקודת המוצא שלי כרופאה-חוקרת היא האדם ולכן חשובה לי רלבנטיות השאלה המחקרית לחולים; בסופו של דבר המדע מעוניין, מעבר לסיפוק הסקרנות, לעזור לרפא מחלות".
 

אישי

איילת ארז נולדה בחיפה, השלימה לימודי רפואה בטכניון, והתמחתה ברפואת ילדים בבית-החולים על-שם שיבא בתל השומר. את עבודת הדוקטורט בתחום הגנטיקה של הסרטן באוניברסיטת תל-אביב עשתה במקביל לעבודה במרפאת ילדים. לאחר מכן חיפשה תת-התמחות בגנטיקה קלינית שמשלבת מחקר בתר-דוקטוריאלי, ומצאה את מבוקשה בביילור קולג' ביוסטון, טקסס. בשנת 2012 הצטרפה לסגל המחלקה לבקרה ביולוגית במכון.

איילת ארז, בעלה הווטרינר ושתי בנותיהם מתגוררים במושב בני ציון.
 
 
מדעי החיים
עברית

בעקבות המחשבות

עברית

גלי פעילות עצבית במוח מספקים מידע על אירועים קוגניטיביים שהתרחשו בו בעבר

 
כמה טוב היה לו יכולנו "לחפור" בקליפת המוח, כמו ארכיאולוגים, ולגלות שם ממצאים שיחשפו את כישרונותינו, את התנסויות העבר שלנו, דברים שלמדנו – לקבל תמונה ייחודית ומלאה של האישיות. מחקר חדש רומז, כי משאלה זו עשויה, יום אחד, להתגשם. המחקר מגלה, כי גלי פעילות ספונטניים במוח האדם מבטאים את ה"עקבות" של דברים 
מימין: טל הרמלך, ד"ר סון פרמינגר ופרופ' רפי מלאך. גלים ספונטניים
חשובים שהתרחשו במוח – גם כעבור יממה מזמן התרחשותם. ייתכן, כי גלי מוח אלה פותחים חלון שיאפשר לנו להציץ בהיסטוריה של תהליכי הקוגניציה במוח, וגם לאבחן תיפקוד מוחי לא תקין, המאפיין, לדוגמה, פיגור שכלי, אוטיזם והפרעות נפשיות.
 
מקור התגלית הנוכחית הוא בממצא שהתגלה במערכת הראייה האנושית לפני מספר שנים בקבוצתו של פרופ' רפי מלאך, מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע, ובאזורי מוח אחרים על-ידי קבוצות מחקר נוספות: המוח אינו נח לרגע – גם במצבים בהם האדם עצמו נמצא במנוחה. התברר, כי גם כשהאדם נח ועיניו עצומות, כך שאינו חשוף לכל גירוי, אמיתי או מדומיין, מופיעים במוח גלים איטיים של פעילות עצבית – שונים מאוד מההתפרצויות הקצרות והמהירות המאפיינות את עיבוד המידע הרגיל במוח. גלים איטיים אלה, המכונים "גלים ספונטניים" או "גלי מצב מנוחה", נעים באופן מאורגן להפליא בין חלקי קליפת המוח, ויוצרים תבניות מורכבות חוזרות וסימטריות. השאלה המסקרנת היא: מה אפשר ללמוד מתבניות מורכבות אלה, ומה משמעותן?
 
 

 

המחקר יצא לדרכו בהתבסס על ההשערה, שתבניות הגלים הספונטניים מהוות מעין "ארכיון היסטורי" של הפרט. השערת החוקרים הייתה, שהתנסויות שונות לאורך חיינו יוצרות תבניות מוח מוטמעות, המהוות מעין "ציפיות מוקדמות". ציפיות מוקדמות אלה, הנמצאות במוח עוד לפני ביצוע משימה מנטלית כלשהי, ממלאות תפקיד חיוני, למשל, ביכולת שלנו ליצור תמונה בעלת משמעות מהמידע החלקי המגיע מהעיניים, לאפשר את היכולת המרשימה שלנו לזהות תווי פנים, וכן לבצע תנועות מורכבות בדיוק ובמהירות. אוסף כל הציפיות המוקדמות האלה מובנה לתוך הקשרים בין תאי העצב, וקשרים אלה מתבטאים בתבנית גלי המנוחה.
 
במוח שמאחור נראית תבנית גלי המנוחה הספונטניים לפני האימון בקבלת החלטת, ואילו במוח הקדמי נראית תבנית גלי המנוחה ביום שלאחר לאחר האימון – המדגימה את ההשפעה ארוכת הטווח של האימון
בניסוי שהובילה תלמידת המחקר טל הרמלך, בהנחייתם של ד"ר סון פרמינגר ופרופ' רפי מלאך, נבדקה ההשערה באמצעות ניסוי שבו ביצעו הנבדקים מטלה אשר יוצרת הפעלה ממוקדת של רשת עצבית. המדענים שיערו, שכתוצאה מהפעלה זו יתחזקו הקשרים בין חלקי הרשת, וכי ניתן יהיה לזהות את עקבותיה של התחזקות זו בתבניות הגלים הספונטניים. המתנדבים הוכנסו למכשיר דימות בתהודה מגנטית (fMRI), שם התבקשו לדמיין את עצמם במצב של צורך בקבלת החלטה במהירות. כך הפעילו באופן ממוקד אזור מסוים באונה הקדמית, האחראי על תהליכי קבלת החלטות. הנבדקים קיבלו משוב מיידי על מידת הצלחתם בהפעלת האזור: הפעילות המוחית באזור זה תורגמה לצליל, וככל שהפעילות המוחית התגברה, התחזק הצליל. תהליך זה סייע לנבדקים להפעיל בצורה חזקה ומתמשכת את האזורים הקשורים לקבלת החלטות.
 
הגלים הספונטניים של הנבדקים נסרקו באמצעות fMRI לפני ההפעלה הממוקדת, מיד לאחריה, וביום שלמחרת. הממצאים, שהתפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Journal of Neuroscience, הראו כי ההפעלה אכן עיצבה מחדש את מבנה הקשרים העצביים במוח, ובנייה חדשה זו השאירה את חותמה בתבנית הגלים הספונטניים. באופן מפתיע התברר, שהעיצוב המחודש של הגלים הספונטניים המשיך והתחזק אף יותר למחרת האימון. השינויים שעברו תבניות הפעילות המוחית התאימו לתיאוריות של למידה מוחית: לפי התיאוריה הקלאסית של דונלד הב, מאמצע המאה ה-20, כאשר שני תאי עצב הקשורים זה לזה פועלים בעת ובעונה אחת, הקשרים ביניהם מתחזקים. לעומת זאת, במצב של פעילות לא מתואמת, הקשרים בין שני תאי העצב נחלשים. באופן דומה, תבניות הגלים הספונטניים לאחר האימון הראו חיזוק בתיאום בין אזורי מוח שהופעלו ביחד בזמן האימון, וירידה בתיאום בין אזורים שעברו דיכוי בזמן האימון.
 
המחקר פותח אפשרות להשתמש בגלי המנוחה של המוח ככלי למיפוי "אירועים קוגניטיביים" אשר התרחשו במוח האדם בעבר הקרוב. מעבר לכך, בהיבט רחב יותר, הוא רומז כי פעילות המנוחה במוח האדם מהווה תיעוד מפורט של ההיסטוריה הקוגניטיבית של הפרט. כלומר, ייתכן כי כל הפרופיל האישיותי שלנו – כל כישרון, מגבלה, נטייה ולמידה – משאיר את חותמו בתבנית גלי המנוחה במוחנו, ותורם לעיצובה. "כיום אנחנו יודעים יותר ויותר על העקרונות הכלליים לפיהם פועל המוח, אבל איננו יודעים מה גורם להבדלים בין אנשים", אומר פרופ' מלאך. "ייתכן שפעילות המוח בזמן מנוחה תאפשר לנו בעתיד לקבל ביטוי אובייקטיבי לפרופיל הייחודי של כל פרט". אפשרות זו עשויה להיות חשובה במיוחד כשמדובר בפתולוגיות של המוח, כמו אוטיזם, סכיזופרניה, או איבוד הכרה: ייתכן שמיפוי פעילות המוח במצב מנוחה יספק תובנות נוספות לגבי השיבושים אשר נגרמים למוח במצבים אלה.
 
 
 
מימין: טל הרמלך, ד"ר סון פרמינגר ופרופ' רפי מלאך. גלים ספונטניים
מדעי החיים
עברית

מלך‭ ‬עכברוש‬

עברית

מדעני‭ ‬המכון‭ ‬פיתחו‭ ‬מערכת‭ ‬דמויית "בית‭ ‬האח‭ ‬הגדול", וחקרו‭ ‬התפתחות‭ ‬מנהיגות‭ ‬ומדרג‭ ‬חברתי‭ ‬בעכברים

 
מימין‭: ‬אהרון‭ ‬וייסברוד‭, ‬ד‭"‬ר‭ ‬מולי‭ ‬דיין‭, ‬ד‭"‬ר‭ ‬אלכס‭ ‬שפירו‭ ‬וד‭"‬ר‭ ‬טלי‭ ‬קמחי‭. ‬התנהגות‭ ‬חברתיתברומן‭" ‬מלך‭ ‬עכברוש‭ "‬מתאר‭ ‬ג‭'‬יימס‭ ‬קלאוול‭ ‬כיצד‭ ‬צומח‭ ‬ומתפתח (‬שלא‭ ‬לומר‭ ‬מתנפח) במערכת‭ ‬סגורה‭ ‬של‭ ‬מחנה‭ ‬שבויים‭ ‬אמריקאיים‭ ‬ואנגליים‭ ‬ביפן, במלחמת‭ ‬העולם‭ ‬השנייה "מלך". "המלך" היה‭ ‬עד‭ ‬נפילתו‭ ‬בשבי‭ ‬רב‭"‬ט‭ ‬פשוט, אבל‭ ‬בתנאי‭ ‬השבי‭ ‬מאפשרים‭ ‬לו‭ ‬כישוריו‭ ‬הפוליטיים‭ ‬והאחרים‭ ‬להשתלט‭ ‬על‭ ‬השבויים‭ ‬והשובים‭ ‬גם‭ ‬יחד. כיצד‭ ‬מצליח‭ ‬פרט‭ ‬יחיד‭ ‬להפוך‭ ‬למנהיג‭ ‬דומיננטי? כיצד‭ ‬משתנה‭ ‬הדינמיקה‭ ‬החברתית‭ ‬של‭ ‬קבוצה‭ ‬לאורך‭ ‬זמן? ‬ניסוי‭ ‬ייחודי‭ ‬איפשר‭ ‬לד‭"‬ר‭ ‬טלי‭ ‬קמחי, מהמחלקה‭ ‬לנוירוביולוגיה‭ ‬במכון‭ ‬ויצמן‭ ‬למדע, לבחון‭ ‬שאלות‭ ‬אלו‭.‬

ד‭"‬ר‭ ‬קמחי‭ ‬וחברי‭ ‬קבוצת‭ ‬המחקר‭ ‬שלה, אהרון‭ ‬וייסברוד, גנדי‭ ‬וסרמן‭ ‬ואלכס‭ ‬שפירו, בשיתוף‭ ‬פעולה‭ ‬עם‭ ‬ד‭"‬ר‭ ‬עופר‭ ‬פינרמן‭ ‬מהמחלקה‭ ‬לפיסיקה‭ ‬של‭ ‬מערכות‭ ‬מורכבות‭ ‬במכון‭ ‬ויצמן‭ ‬למדע, פיתחו‭ ‬שיטה‭ ‬ייחודית‭ ‬לעיקוב‭ ‬אחר‭ ‬קבוצה‭ ‬של‭ ‬בעלי‭-‬חיים, אשר‭ ‬מאפשרת‭ ‬לחקור‭ ‬את‭ ‬התנהגותם‭ ‬בסביבה‭ ‬טבעית‭ ‬למחצה. הניסוי‭ ‬שבמסגרתו‭ ‬פותחה‭ ‬השיטה‭ ‬בוצע‭ ‬במערכת‭ ‬דמויית "בית‭ ‬האח‭ ‬הגדול", שהותאמה‭ ‬במיוחד‭ ‬לחייה‭ ‬של‭ ‬קהילת‭ ‬עכברים‭ ‬(מזנים‭ ‬שונים). ‬העכברים‭ ‬ב‭"‬בית" ‬ניהלו‭ ‬חיים‭ ‬עצמאיים‭ ‬ללא‭ ‬הפרעה‭ ‬או‭ ‬התערבות‭ ‬של‭ ‬בני‭-‬אדם. בכל‭ ‬עכבר‭ ‬הושתל‭ ‬שבב‭) ‬בדומה‭ ‬לשבבים‭ ‬המוחדרים‭ ‬אל‭ ‬מתחת‭ ‬לעורן‭ ‬של‭ ‬חיות‭ ‬מחמד)‬. ‬ה‭"‬בית" ‬כולו‭ ‬רושת‭ ‬במצלמות‭ ‬וידאו‭ ‬ובתאורת‭ ‬אינפרא‭-‬אדום‭,‬ המאפשרת‭ ‬צילום‭ ‬בחושך‭ ‬מוחלט. ‬השילוב‭ ‬של‭ ‬עיקוב‭ ‬הווידאו‭ ‬והמעקב‭ ‬האלקטרוני‭ ‬אחר‭ ‬השבבים‭ ‬סיפק‭ ‬מידע‭ ‬שוטף‭ ‬על‭ ‬מיקומו‭ ‬של‭ ‬כל‭ ‬עכבר, ‬בדיוק‭ ‬של‭ ‬חצי‭ ‬סנטימטר, ‬בקצב‭ ‬של ‭ ‬30‭ ‬מדידות‭ ‬בשנייה, ‬בשטח‭ ‬של‭ ‬כארבעה‭ ‬מטרים‭ ‬רבועים, ‬ובמשך‭ ‬פרק‭ ‬זמן‭ ‬של‭ ‬ימים, ‬ שבועות, ‬ואף‭ ‬מספר‭ ‬חודשים, ביום‭ ‬ובלילה‭. ‬
 
 
הדיוק‭ ‬הרב‭ ‬של‭ ‬המערכת‭ ‬איפשר‭ ‬לזהות‭ ‬עשרות‭ ‬התנהגויות‭ ‬של‭ ‬פרטים‭ ‬בודדים, כגון‭ ‬אכילה, שתייה, ריצה, שינה, הסתתרות‭ ‬ועוד, וכן‭ ‬מאפיינים‭ ‬חברתיים‭ ‬בקבוצה, כגון‭: ‬עם‭ ‬מי‭ ‬מעדיף‭ ‬כל‭ ‬פרט‭ ‬להיות‭ ‬בעת‭ ‬הפעילות‭ ‬ובשעות‭ ‬המנוחה, ‬ממי‭ ‬הוא‭ ‬מעדיף‭ ‬להתרחק, ‬את‭ ‬מי‭ ‬הוא‭ ‬תוקף, ‬ועוד. ‬כך‭ ‬אפשר‭ ‬לבודד‭ ‬ולזהות‭ ‬מאפייני‭ ‬התנהגות‭ ‬של‭ ‬פרט‭ ‬בודד, ‬של‭ ‬זוגות, ‬ושל‭ ‬הקבוצה‭ ‬כולה. ‬כך‭ ‬התברר‭ ‬שהמערכת‭ ‬מסוגלת, ‬באופן‭ ‬אוטומטי, ‬לזהות‭ ‬ולחזות‭ ‬את‭ ‬הזן‭ ‬הגנטי‭ ‬("נורמלי‭"/ "‬אוטיסטי"), ‬את‭ ‬הזוויג (‬זכר‭/‬נקבה), ‬ואת‭ ‬הדירוג‭ ‬החברתי (‬דומיננטי‭/‬נחות) ‬של‭ ‬כל‭ ‬עכבר‭ ‬בדיוק‭ ‬העולה‭ ‬על‭ ‬.90%‭ ‬תופעה‭ ‬נוספת‭ ‬שנצפתה‭ ‬היא‭ ‬זו: ‬אחד‭ ‬הפרטים‭ ‬מבסס‭ ‬לעצמו‭ ‬דומיננטיות, ‬ושולט‭ ‬כ‭"‬מלך‭" ‬בקבוצה‭ ‬כולה (‬זכרים‭ ‬ונקבות).
תרשים מערכת המעקב האוטומטית. לעכברים הושתל שבב המזוהה על-ידי מערך אנטנות מתחת לרצפת הכלוב. בכלוב שטח מרכזי גדול, ובו מיתקנים כמו קופסאות מחסה, גשרים, מזון ושתייה, וכן שמונה כלובי שינה, והוא מואר בתאורת אינפרה-אדום. התנהגות העכברים מנוטרת על-ידי מצלמות וידאו המותקנות על התקרה. שילוב הנתונים המגיעים ממצלמות הווידאו עם המעקב האלקטרוני אחר השבבים, מספק מידע שוטף על מיקומו של כל עכבר
 
בניסוי‭ ‬המשך‭ ‬אוכלסה‭ ‬המערכת‭ ‬בעכברים‭ ‬משני‭ ‬זנים, ‬זן "‬חברתי", ‬וזן‭ ‬שנחשב‭ ‬ל‭"‬אוטיסטי" (‬הפרטים‭ ‬בו‭ ‬נמנעים‭ ‬מפעילות‭ ‬חברתית‭, ‬ומתאפיינים‭ ‬בכפייתיות‭ ‬ובקושי‭ ‬לשנות‭ ‬הרגלים). ‬המערכת‭ ‬הצליחה‭, ‬בתוך‭ ‬זמן‭ ‬קצר, ‬לזהות‭ ‬באופן‭ ‬אוטומטי‭ ‬את‭ ‬ה‭"‬אוטיסטים" ‬על‭-‬פי‭ ‬תבניות‭ ‬תנועתיות‭ ‬או‭ ‬מאפיינים‭ ‬חברתיים‭. ‬
 
בניסוי, ‬שהתפרסם‭ ‬באחרונה‭ ‬בכתב‭-‬העת‭ ‬המדעי‭ ‬המקוון‭ ‬,Nature Communications‭ ‬עקבו‭ ‬המדענים‭ ‬אחר‭ ‬התפתחות‭ ‬של‭ ‬מנהיג‭ ‬דומיננטי‭ ‬ומידרג‭ ‬חברתי‭ ‬בקרב‭ ‬שאר‭ ‬חברי‭ ‬הקבוצה‭ ‬בקבוצה‭ ‬של‭ ‬עכברים‭ ‬רגילים‭ ‬בתוך‭ ‬כ‭‬24‭-‬ שעות. ‬באופן‭ ‬מפתיע, ‬בניסוי‭ ‬דומה‭ ‬שבוצע‭ ‬בעכברים‭ ‬האוטיסטים‭ ‬לא‭ ‬הופיע‭ ‬מנהיג, ‬ואם‭ ‬הופיע, ‬הוא‭ ‬הצליח‭ ‬להחזיק‭ ‬בשלטון‭ ‬זמן‭ ‬קצר‭ ‬בלבד, ‬עד‭ ‬שהוחלף‭.‬
 
מערכת‭ ‬העקיבה‭ ‬והאיפיון‭ ‬ההתנהגותי‭ ‬האוטומטי‭ ‬שפותחה‭ ‬תאפשר‭ ‬חקירה‭ ‬מעמיקה‭ ‬יותר‭ ‬של‭ ‬המנגנונים‭ ‬המבקרים‭ ‬התנהגות‭ ‬חברתית‭ ‬במיגוון‭ ‬מודלים‭ ‬של‭ ‬בעלי‭-‬חיים, ‬כולל‭ ‬מודלים‭ ‬המשמשים‭ ‬לחקר‭ ‬מחלות‭ ‬נוירופסיכיאטריות‭ ‬אשר‭ ‬מראים‭ ‬הפרעות‭ ‬חברתיות, ‬כגון‭ ‬אוטיזם וסכיזופרניה‭. ‬
 
 
מימין‭: ‬אהרון‭ ‬וייסברוד‭, ‬ד‭"‬ר‭ ‬מולי‭ ‬דיין‭, ‬ד‭"‬ר‭ ‬אלכס‭ ‬שפירו‭ ‬וד‭"‬ר‭ ‬טלי‭ ‬קמחי‭. ‬התנהגות‭ ‬חברתית
מדעי החיים
עברית

בין ריגול לעיכול

עברית
לא על הלחם לבדו יחיה האדם. כדי לעכל את הלחם, וכן את שאר חומרי המזון שאנו צורכים, נעזר גופנו בחיידקים החיים במעיים. מספרם עצום: מדובר במיליארדי חיידקים, שמשקלם הכולל בגוף האדם מגיע לשני קילוגרמים כמעט. רובם ידידותיים, וכאמור, אפילו חיוניים לתיפקוד התקין של מערכת העיכול ושל מערכות נוספות בגוף. אך מדי פעם משתרבבים ביניהם אויבי האנושות – חיידקים גורמי מחלות, כגון סלמונלה.
 
ברוב המקרים יודעת המערכת החיסונית לזהות את החיידקים המסוכנים ולחסל אותם עוד לפני שהם גורמים מחלה, כך שאנחנו אפילו לא יודעים שנחשפנו לסכנה. אך קיימת כאן תעלומה: כיצד מבדילה המערכת החיסונית בין חיידקים טובים לחיידקים רעים? כלומר, כיצד היא מזהה את הסכנה? הרי תאי המערכת החיסונית טמונים בתוך רקמות הגוף, בעוד החיידקים שוהים בחלל המעי. דבר נוסף המקשה על הזיהוי הוא, שבמצב רגיל יש כמות זעירה של הגורמים המסוכנים ביחס למאסת החיידקים במעיים.
 
 
המעי הדק של עכבר חי תחת מיקרוסקופ דו-פוטוני
קבוצת מדענים ממכון ויצמן למדע, בראשות ד"ר גיא שחר מהמחלקה לאימונולוגיה, שפכה באחרונה אור על התעלומה. כפי שדווח בכתב העת המדעי Immunity, הראו המדענים כי המערכת החיסונית שולחת "מרגלים" לפני השטח של דפנות המעי – תאים חיסוניים הקרויים תאים דנדריטיים, אשר חוטפים את החיידקים המסוכנים ומדווחים עליהם לשאר המערכת החיסונית - וזו יוצאת לפעול לחיסולם. את המחקר ביצעה תלמידת המחקר ד"ר ז'וליה פרשה, יחד עם עידן קורן, עידן מילוא וד"ר אירינה גורביץ' ממעבדתו של ד"ר שחר, וד"ר קי-ווק-קים וד"ר אהוד זיגמונד ממעבדתו של פרופ' סטפן יונג, ובשיתוף עם מדענים מבית הספר לרפואה מאונט סייני שבניו-יורק: ד"ר גלאוסיה פורטדו וד"ר סרג'יו לירה.
 
כדי לענות על שאלות המחקר, יצרו המדענים מערכת חדשנית בה ניתן לעקוב בזמן אמת אחרי תאים חיסוניים באמצעות מיקרוסקופ דו-פוטוני במעי של עכבר חי. התברר, שברגע שחיידקי הסלמונלה נצמדים לתאי האפיתל, המדפנים את פני השטח של המעי הדק, מאותתים תאים אלה למערכת החיסונית, ותוך כחצי שעה מופיעים על הדפנות תאים דנדריטיים, ה"מרגלים" של המערכת. בקטעי סרטים, שנוצרו באמצעות צפייה במיקרוסקופ, אפשר לראות בבירור כיצד ממהרים מרגלים אלה להשתחל אל תוך שכבת התאים העליונה בדופן המעי, מגיעים לפני השטח, ושולחים את השלוחות שלהם –ה"דנדריטים", שעל שמם הם קרויים – כדי ללכוד את החיידקים.
 
כיצד הם יודעים להגיב דווקא לסלמונלה, ולא למיליוני החיידקים ה"טובים" הנמצאים בסביבה? המדענים סבורים, כי להבדיל מסלמונלה, החיידקים המועילים כנראה אינם נצמדים לדפנות ואינם פוגעים בהן.
 
לאחר שבלעו את החיידק, ממהרים התאים המרגלים לדווח על כך למערכת החיסונית. הם מפעילים קולטנים המובילים אותם בחזרה לתוך רקמת המעי, ומשם, דרך כלי הלימפה, אל קשרי הלימפה. שם הם מציגים פפטידים של הסלמונלה – במילים אחרות, את "חלקי גופו" של החיידק – לתאי T של המערכת החיסונית, אשר מפעילים מנגנונים לחיסול הסלמונלה ולמניעת הזיהום.
 
מחקר זה עשוי לעזור בעתיד לפתח טיפולים נגד מחלת המעי הרגיז, המאופיינת בהתקפים דלקתיים. תאים דנדריטים מעורבים בהצתת התקפים אלה, כנראה עקב תגובת יתר לזיהום, ולכן הבנה טובה יותר של מנגנון הפעולה שלהם במעי יכולה לסייע למנוע את פעילותם המזיקה.
 
בנוסף, ממצאי המחקר החדש עשויים לתרום לפיתוח חיסונים הניתנים דרך הפה, כלומר באמצעות גלולות. מאמצים רבים מושקעים בכל העולם בפיתוח חיסונים מסוג זה, כי יש להם יתרונות רבים: למשל, קל יותר לשכנע אנשים לקחת גלולה מאשר לקבל זריקה. החיסון מורכב מחיידקים מוחלשים, אך כדי שיהיה יעיל, צריך להחליש את החיידק בצורה כזאת שלא יגרום מחלה, אבל בכל זאת יפעיל את המערכת החיסונית. לכן, חשוב להבין איך חיידקים מתקשרים עם המערכת החיסונית במעי, ובזה בדיוק עסק המחקר החדש. 
 
 

אישי

השבועיים שז'וליה פרשה בילתה בארץ בשנת 2005 במסגרת פרויקט "תגלית" שינו את חייה: היא החליטה לעלות ארצה. כאשר עברה לגור בישראל כשנתיים מאוחר יותר, רצתה להמשיך בלימודי האימונולוגיה שהחלה בברזיל, ארץ מולדתה.
 
אז גילתה כי ד"ר גיא שחר, שאת עבודתו הכירה היטב, בדיוק מקים מעבדה חדשה במכון ויצמן. בהיותה עדיין סטודנטית לתואר שני במכון הלאומי לסרטן של ברזיל שבריו דה ז'ניירו, הציגה בסמינר את מאמרו של ד"ר שחר, שהתפרסם אז בכתב-העת Nature Immunology. היא בחרה להציגו, מפני שהמאמר עסק באחד הנושאים החמים ביותר באימונולוגיה, תאים דנדריטיים, ובעבודה המחקרית נעשה שימוש בכלי מחקר מתקדם ביותר: מיקרוסקופ דו-פוטוני. ז'וליה יצרה קשר עם ד"ר שחר, והתקבלה ללימודי תואר שלישי במכון ויצמן. "התרגשתי מאוד לבוא למכון. שמעתי עליו כל כך הרבה בברזיל, ונדהמתי מיופיו של הקמפוס".

חמש השנים שבילתה במכון היו פוריות לא רק במדע. בזמן הזה היא הכירה את ארז שיינין, צבר, והתחתנה איתו. לאחר שסיימה את עבודת הדוקטורט, עליה קיבלה את פרס הדיקן של מדרשת פיינברג, התקבלה ז'וליה ללימודים בתר-דוקטוריאליים בבית-הספר לרפואה של הרווארד. היא מתכננת לחקור את הקשר בין השמנת יתר לבין המערכת החיסונית, דבר אשר עשוי להסביר את התפתחותן של מחלות מטבוליות כמו סוכרת.
 

תאים דנדריטיים שולחים את השלוחות שלהם (חצים אדומים) בין תאי אפיתל סמוכים (כחול), המדפנים את פני השטח של המעי הדק
 
תאים דנדריטיים שולחים את השלוחות שלהם בין תאי אפיתל סמוכים, המדפנים את פני השטח של המעי הדק
מדעי החיים
עברית

בלדה לעוזב קיבוץ

עברית
 
 
ד"ר אילנה קולודקין-גל. קומונההחזון האוטופי של חיים בקומונה התקשה להתקיים בחברה הקיבוצית, אך בעולם החיידקים משגשגות במצבים רבים קומונות ענקיות הקרויות ביו-פילמים (biofilms). כל קומונה שכזו מוגנת על-ידי מטריצה חיצונית, כך שהחיידקים מוגנים הרבה יותר טוב מפני מיפגעי הסביבה, לעומת אלה החיים בצורה חופשית בחוץ.
 
עוד בהיותה סטודנטית, הוקסמה ד"ר אילנה קולודקין-גל מיכולתם של חיידקים ליצור קהילות וקומונות מובנות, לא רק מפני שהאדריכלות שלהם הדהימה אותה, אלא גם בזכות השאלות שעלו במוחה בעקבות המגבלות הנכפות בתוכם על חיידקים בודדים: מה קורה לחופש הבחירה במצב זה? האם יכול חיידק בודד לעזוב את ה"קיבוץ"?
 
אלה אינן רק שאלות פילוסופיות. הידיעה איך לפרק, או להיפך, לשמר את הקומונות החיידקיות, עשויה להיות עניין בעל חשיבות מעשית ממדרגה ראשונה. קומונות כאלה נוצרות, לדוגמה, בשסתומי לב מלאכותיים, בקטטרים, במיפרקים סינתטיים, וכמעט על כל פרוטזה אחרת המושתלת בגוף האדם. הטיפול בזיהומים אלה מאתגר במיוחד, מפני שהחיידקים בביו-פילם עמידים לאנטיביוטיקות רבות, אך טבעה של עמידות זו עדיין איננו מובן היטב. ביו-פילמים הנוצרים על פצעים של חולי סוכרת עמידים גם הם לאנטיביוטיקות רבות, דבר שלפעמים מוביל למות רקמות, אותן נאלצים להסיר בניתוח. הריאות של אנשים החולים בסיסטיק פיברוזיס מכוסות בביו-פילמים אשר פוגעים ברקמת הריאה וגורמים קשיי נשימה חמורים. לעומת זאת, ביו-פילמים המכסים שורשים של צמחים מועילים באופן יוצא מן הכלל, כי הם מגינים על הצמחים מפני מזיקים.
 
בזמן לימודי הבתר-דוקטורט שלה באוניברסיטת הרווארד החלה ד"ר קולודקין-גל לחקור את הפירוק הטבעי של קומונות חיידקיות, המתרחש לעיתים כאשר הם נעשות עבות מכדי לאפשר כניסה של חומרי מזון, וצוברות יותר מדי פסולת חיידקית. היא הצליחה לזהות מולקולות קטנות הקרויות חומצות D-אמינו, המופרשות על-ידי החיידקים עצמם כדי להימלט מהמטריצה. יתר על כן, היא הראתה, כי אפשר להשתמש במולקולות אלה לא רק על מנת לפרק ביו-פילמים קיימים, אלא גם כדי למנוע את היווצרותם. בהמשך גילתה מספר מולקולות נוספות, בעלות מטען חיובי, הממיסות את הביו-פילמים, ומצאה שחלקן מסוגלות לפרק ביו-פילמים העשויים מזנים רבים של חיידקים, אך חלקן יעילות נגד זנים בודדים בלבד.
 
במעבדתה החדשה במחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע ממשיכה ד"ר קולודקין-גל במחקרים אלה. היא שואפת לברר כיצד בנויים הפיגומים הפנימיים המחזיקים את הביו-פילמים ביחד, וכיצד משפיעים שינויים מבניים במעטפת החיצונית של החיידקים על התנהגותם בתוך קהילת הביו-פילם.
 
מחקרים אלה פתחו כיוון חדש במיקרוביולוגיה, אשר עשוי להוביל לפיתוח שיטות לפירוק ביו-פילמים הגורמים בעיות רפואיות. בהקשר זה, חשוב ביותר המחקר של ד"ר קולודקין-גל על חיידק הסטפילוקוקוס, גורם שכיח לזיהומים בבני-אדם.
 
לעומת זאת, מחקריה על חיידקים מועילים עשויים להוביל לפיתוח שיטות שיחזקו את התארגנותם בקומונות, למשל כדי להגן טוב יותר על שורשי צמחים. גישה זו תהיה ידידותית יותר לסביבה מאשר הגנה על השורשים באמצעות קוטלי מזיקים. פרויקט נוסף הנוגע להגנה על הסביבה כרוך ברעיונות חדשים לטיפול בדו-תחמוצת הפחמן, הנחשב לגורם חשוב בהתחממות כדור הארץ. רעיונות כאלה ניתן לשאוב מקהילות חיידקיות "מתמחות", ההופכות גז זה למינרל מוצק.  
 

אישי

לא קל להקים מעבדה חדשה ובאותו זמן לגדל ילד קטן, אך ד"ר אילנה קולודקין-גל איננה נרתעת מן הקושי.  כאשר נולד בנה יובל, לפני שנתיים, באמצע לימודי הבתר-דוקטורט שלה באוניברסיטת הרווארד, היא לא קיצצה בשעות העבודה, רק פרסה אותן אחרת. כיוון שלא יכלה יותר להישאר במעבדה עד 9 בערב, היא השלימה את החסר בסופי השבוע. כיום, כאשר לוח הזמנים שלה אינטנסיבי עוד יותר, היא מוצאת את הזמן לכתוב בקשות למענקי מחקר ולקרוא ספרים אחרי 23:30 בלילה, אחרי שבנה נרדם.
 
קולודקין-גל נולדה בחולון, וקיבלה את הדוקטורט שלה במיקרוביולוגיה בהצטיינות מהאוניברסיטה העברית בירושלים בשנת 2009. באותה שנה היא קיבלה מלגה ממכון ויצמן, במסגרת התוכנית הלאומית לקידום נשים במדע, המיועדת לסייע למסיימות דוקטורט מצטיינות לצאת למחקר בתר-דוקטוריאלי בחו"ל עם משפחתן, עליה היא אסירת תודה באופן מיוחד. המלגה איפשרה לבעלה, ד"ר דרור קולודקין-גל (שניהם אימצו את שם המשפחה הכפול אחרי שנישאו), להצטרף אליה בבוסטון, שם נדרשו לו מספר חודשים כדי למצוא עבודה. כעת מנהל דרור מחקר בתחום הסרטן במרכז הרפואי הדסה בירושלים. המשפחה מתגוררת סמוך למכון ויצמן.
ד"ר אילנה קולודקין-גל. קומונה
מדעי החיים
עברית

בין מישוש לראייה

עברית

מתברר כי איברי החוש עצמם מהווים חוליה ראשונה וחשובה בפיענוח מידע חיוני על העולם

 
מימין: פרופ' אהוד אחישר, ד"ר קנאריק בגדאסאריאן ודודי דויטש.המחקר, שנעשה במעבדתו של פרופ' אהוד אחישר, במחלקה לנוירוביולוגיה במכון, התמקד באיבר חושי ייחודי: שערות השפם של החולדה. שערות אלה לוקחות חלק בחוש המישוש של החולדה: בבסיס כל שערה נמצא מבנה מורכב הקרוי זקיק, ובו כ-2,000 קולטנים המעבירים את המידע לתאי העצב, ומשם למוח. המבנה של שערות השפם הוא כשל מקל מאורך ואלסטי. כאשר ה"מקל" נתקל במכשול – כלומר בחפץ כלשהו, הוא מתעקם.
 
בניסוי הונחו עצמים במיקומים שונים לצד ראשיהן של חולדות. בשלב הראשון נבדקו חולדות מורדמות, ששערות השפם שלהן הופעלו באמצעות גירוי חשמלי של העצב המוטורי – שיטה שאיפשרה שליטה מדויקת בתנועת השערה. הניסוי כולו צולם באמצעות מצלמה רגישה ביותר, והנתונים המצולמים שימשו את המדענים כדי למדוד מספר משתנים המתארים את צורת השערה כאשר נתקלה בחפץ: מידת העקמומיות הכוללת של השערה, מידת העקמומיות של השערה בבסיסה, וזווית השערה ביחס לראש החולדה.
 
צוות המדענים, שכלל את עמיתת המחקר ד"ר קנריק בגדסריאן, תלמידי המחקר (דאז) ד"ר מרסין סווד, ד"ר פרמגנה קנוטסן, ד"ר מאצ'ק פיאטר וד"ר ארז סימוני, ותלמיד המחקר דודי דויטש, גילה כי שלושת המשתנים שנמדדו מאפשרים לקבוע במדויק את מיקום החפץ ביחס לחולדה: ככל שהעצם קרוב יותר לראש החולדה, כך גדלה מידת העקמומיות בבסיס השערה; הזווית של החפץ ביחס לציר האורך של ראש החולדה מוגדרת על-ידי היחס בין העקמומיות הכוללת של השערה לבין הזווית שלה. השילוב של שני הנתונים, זווית ומרחק, מצביע במדויק על מיקום החפץ. ממצאים אלה, שהתקבלו, כאמור, בחולדות מורדמות – נבדקו ונמצאו מדויקים גם בחולדות ערות, שהניעו את שערות השפם שלהן באופן טבעי.
 
המדענים סבורים, כי בעקבות ממצאים אלה – שהתפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Neuroscience – יש לעדכן את האופן בו אנו מגדירים את התפיסה. נהוג כיום להתייחס לתפיסה כאל תהליך פעיל ומעגלי: תנועה כלשהי מובילה לאינטראקציה עם אובייקט (לדוגמה – הזזת האצבע גורמת לה להיתקל בשולחן), ובעקבות זאת מופעלים קולטנים המפעילים את תאי העצב הסנסוריים. תאים אלה מעבירים מידע למוח ("נתקלנו במשטח"), שם הוא עובר עיבוד, אשר מוביל להפעלת תנועה נוספת (לדוגמה – האצבע נעה על משטח השולחן כדי לגלות ממה הוא עשוי). הניסוי הנוכחי מכניס לתוך המעגל נתונים מורפולוגיים הקשורים לצורה ולמבנה של איבר החישה. נתונים אלה מקדימים את הפעילות העצבית, ולמעשה מפעילים אותה: המידע המורפולוגי המתקבל מאיברי החוש, כמו עקמומיות וזווית, עובר עיבוד בזקיק השערה, ומתורגם לאיתות חשמלי – אותו מעבירים תאי העצב למוח.
 
למרות שהניסוי בוצע בחולדות, פרופ' אחישר סבור כי תפקידם של משתנים מורפולוגיים בקליטת מידע חושי תקף גם בחושים אחרים ובבעלי חיים אחרים, כולל בני אדם. חוש המישוש, לדוגמה, תלוי במידה רבה בפעילותה של היד: מידת הלחץ שהיא מפעילה על העצם אותו היא חשה, ומהירות התנועה שלה, ביחד עם המורפולוגיה של איזור המגע (למשל קצה האצבע), קובעים אילו קולטנים יופעלו ואיזה מידע יתקבל ויועבר למוח. גם הראייה, שעלולה להיראות לנו, בטעות, כחוש פסיבי, תלויה למעשה בתבניות התנועה של העין. לדוגמה, כאשר אנחנו מתבוננים בפרצופים, העין מדלגת בין נקודות מפתח כמו העיניים, האף והפה, וסורקת כל אחת מהן במעין "מישוש" ראייתי. מהירות תנועת העין והכיוון שלה, ביחד עם המורפולוגיה של גלגל העין, הקרנית, הרשתית ושאר חלקי העין, קובעים את אופיו של המידע הראייתי ואת מידת דיוקו. המקרים האלה הם דוגמאות נוספות לתפקיד שממלאת המורפולוגיה של איברי החוש ביכולנו לתפוס את העולם.  
 
מימין: פרופ' אהוד אחישר, ד"ר קנאריק בגדאסאריאן ודודי דויטש.
מדעי החיים
עברית

מוות חלופי

עברית

מדעני המכון גילו את המנגנון האחראי למותם של חלק מתאי הנבט, מהם נוצרים תאי זרע

מימין: ד"ר אלי ארמה וד"ר קרן יעקובי-שרון. בקרת איכות
כדי להציל חיים, צריך לפעמים לדעת כמה שיותר על המוות, במיוחד מוות של תאים. למשל, טיפול כימותרפי בסרטן מפעיל תוכנית מוות תאית הקרויה אפופטוזיס. אך אם המנגנון המולקולרי של האפופטוזיס פגום, או אם התאים הסרטניים לומדים להימנע מהפעלת אפופטוזיס, דבר שאכן קורה לעיתים קרובות, הכימותרפיה מפסיקה להועיל. לכן, הגילוי של מדעני מכון ויצמן למדע, כי קיים מסלול מוות חלופי טבעי בתאי נבט, עשוי לתרום תרומה חשובה לפיתוח טיפולים מצילי חיים בעתיד. 
ד"ר אלי ארמה והמתמחה הבכירה ד"ר קרן יעקובי-שרון, ביחד עם תלמיד המחקר יובל נמדר, כולם מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית, גילו את המנגנון האחראי למותם של חלק מתאי הנבט – מהם נוצרים תאי זרע – באשכים של זבוב פירות בוגר. תאי הזרע נוצרים בדרך בזבזנית לכאורה, וזאת כנראה לצורך בקרת איכות: תאי נבט רבים נוצרים באופן תמידי, אך רבים מהם מתים. המדענים עקבו אחרי מותם של תאים אלה ביצור החי, זבוב הפירות, וכך יכלו לברר לפרטי פרטים את מנגנון המוות.
 
בשלב הראשון וידאו המדענים כי לא מדובר באפופטוזיס, שהוא הסוג הנפוץ ביותר של מות תאים. הם הראו, כי הקספאזות – האנזימים ההרסניים המבצעים את האפופטוזיס – אינן מעורבות במות תאי הנבט. 
אשכים של זבוב פירות בוגר, כפי שנראים במיקרוסקופ קון-פוקלי. תאי הנבט המתבגרים (בהם לא מתקיים תהליך אפופטוטי) מכילים קספאזות פעילות (בירוק). לעומתם, תאי הנבט המתים (באדום) אינם מכילים קספאזות פעילות
 
בהמשך הגדירו המדענים את האיפיונים המבניים של מות תאי הנבט: בדומה לאפופטוזיס, התא כולו והגרעין שלו מצטמקים, והדי-אן-אי הופך למקוטע. אך איפיונים נוספים של אפופטוזיס אינם מופיעים. בנוסף, שלא כבאפופטוזיס, אזורים שלמים בתא מתנוונים, והמיטוכונדריות, האברונים האחראיים על הפקת האנרגיה בתא, נראות מעוותות. 
 
 
תצפית במיקרוסקופ קון-פוקלי בשני אשכים של זבובי פירות בוגרים מלאים בתאי נבט מתחלקים (בירוק). כרבע מהתאים האלה (באדום ובוורוד) מתים במסלול המוות החלופי
המדענים גילו, שהמיטוכונדריות ממלאות תפקיד מרכזי במות תאי הנבט: באברונים אלה מופעל גן בשם htrA2 (הקרוי גם omi), המייצר אנזים הרסני מסוג פרוטיאזה. העובדה שגן זה קיים בייצורים שונים, מחיידקים ועד יונקים, מצביעה על כך כי ממצאי המחקר שנעשה במכון ויצמן בזבוב הפירות עשויים להיות רלבנטיים גם לבני-אדם. מרכיב נוסף במות תאי הנבט הוא אברון הקרוי ליזוזום, מעין "קיבה" חומצית של התא, שבה מצויים אנזימים המפרקים פסולת תאית. בסוגי מוות תאי מסוימים דולפים הליזוזומים לתוך התא, ובכך יכולים לתרום להרס התא. 
 
מדוע זקוק התא למנגנון מוות חלופי? הסבר אפשרי אחד הוא, שמות תאי הנבט קדום יותר מבחינה אבולוציונית. סברה זו נתמכת, בין היתר, בקיומו של מסלול מוות הדומה למות תאי נבט גם בפרחים ובשמרים. כמו כן, ביצורים רב-תאיים מבצעות הקספאזות תפקידים נוספים שאינם קשורים למות תאים, דבר התומך בסברה שמסלול האפופטוזיס הוא ככל הנראה מנגנון צעיר יותר מבחינה אבולוציונית. 
 
היכרות מעמיקה עם מנגנון המוות של תאי הנבט עשויה להיות חשובה ממספר בחינות. למשל, היא יכולה לעזור להבין את תהליך ההיווצרות של סרטן האשכים, שבו מתרבים תאי הנבט באשכים ללא רסן. ברמה הכללית יותר, מחקרים כאלה עשויים לעזור לפתח תרופות נגד סרטן אשר יהרגו תאים באמצעות מנגנון אחר לגמרי - ובכך יסייעו להתגבר על העמידות לתרופות, המתפתחת לעיתים בעקבות טיפול כימותרפי שגרתי יותר. 
 
 
 
מימין: ד"ר אלי ארמה וד"ר קרן יעקובי-שרון. בקרת איכות
מדעי החיים
עברית

מולקולה במעגל

עברית
מימין: נטלי קוריץ, נירית צורי, דויד רחמילביץ', תמר ילין, רן ורדימון (עומד), ד"ר אורן טל (יושב) ומרינה קליאונסקי. אות חשמלי
 
 
 
מגמת המיזעור המתמשכת של ההתקנים האלקטרוניים נתקלת בקשיים לא מבוטלים כשהיא מגיעה לסדרי גודל ננומטריים. המדענים יודעים להוליך חשמל דרך מולקולה בודדת, ואף לנצל את מבנה המולקולה, כדי להשפיע על התנהגות הזרם החשמלי העובר דרכה (בדומה לדרך שבה קובע מבנה של מולקולה מסוימת המשמשת כתרופה את פעילותה הכימית והרפואית). כך, למשל, אפשר לייצר מולקולות המתנהגות כמתג חשמלי או כמעין שסתום, המאפשר לזרם לזרום בכיוון מועדף.
 
כדי להשתמש במולקולות כאלה כבהתקנים אלקטרוניים, מבקשים המדענים לחבר אותן לחוטי חשמל זעירים. אלא שעד כה אפשר היה להעביר זרם חשמלי דרך מולקולות בודדות רק כאשר הן לכודות בין שני חוטים מוליכי חשמל הגדולים מהן בכמה סדרי גודל. ד"ר אורן טל ותלמידי המחקר תמר ילין, רן ורדימון ונטליה קוריץ, מהמחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע, עשו באחרונה צעד משמעותי לקראת שיפור היכולת הזאת. הם הצליחו לחבר מולקולה אורגנית בודדת לחוט החשמל הקטן ביותר בטבע: שרשרת של אטומי המתכת פלטינה.
 
המדענים לכדו מולקולה בודדת בין שני חוטי פלטינה הגדולים בהרבה מהמולקולה -  ומיד אחר כך הגדילו את המרחק בין החוטים. בשלב זה "נשלפים" אטומי פלטינה מהאלקטרודות בזה אחר זה, ויוצרים שרשרות אטומיות הקשורות למולקולה מצד אחד ולאחד מחוטי המתכת מצד שני. ממצאים אלו תוארו באחרונה במאמר שפורסם בכתב-העת המדעי Nano Letters.
 
החוקרים גילו, כי ההולכה החשמלית של המבנה החדש אינה נפגעת כאשר מאריכים את השרשרת האטומית – תכונה שימושית כאשר מעוניינים בהעברת אות חשמלי למרחק, מבלי שעוצמתו תפחת. בניסויים עם מולקולות אורגניות שונות התגלה, כי היכולת לחווט מולקולה אורגנית בודדת בעזרת שרשרת של אטומי פלטינה אינה מוגבלת למבנה מולקולה יחיד, ואפשר להשתמש בשיטה זו בעבודה עם מולקולות שונות.
 
הבנת תכונות המבנה החדש ואופי הקשר הכימי בין שרשרת האטומים והמולקולה התאפשרו הודות לשימוש במודלים חישוביים שפיתחו חברי קבוצות המחקר של פרופ' ליאור קרוניק מהמחלקה לחומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, ופרופ' פרדיננד אברס מהמכון הטכנולוגי קרלסרוהה שבגרמניה.
 
השימוש במבנה החדש מאפשר כיום למדענים לחקור את תכונות ההולכה החשמלית של מולקולה בודדת כאשר היא קשורה לחוט חשמל בעל ממדים דומים. המדענים אומרים, כי שימוש בתכונות האלקטרוניות המיוחדות של שטח המגע בין מבנים ננומטריים ממשפחות שונות (כלומר, מולקולות אורגניות ושרשרות של אטומי מתכת), עשוי להוות כלי חדש לשליטה בזרם החשמלי ברמה האטומית.
מימין: נטלי קוריץ, נירית צורי, דויד רחמילביץ', תמר ילין, רן ורדימון (עומד), ד"ר אורן טל (יושב) ומרינה קליאונסקי. אות חשמלי
כימיה
עברית

כשאהיה גדול

עברית

כיצד נקבע גודלם הסופי של האיברים? כיצד הם מודדים את גודלם? ומה גורם להם להפסיק לגדול?

פרופ' יובל אשד וד"ר עידן עפרוני (בשיחת סקייפ). מערכת גמישה

גודלן של אוזני הפיל עולה עשרות מונים על זה של אוזני האדם, אך לכל אחת מהן גודל סופי, שהוא קבוע פחות או יותר בכל הפרטים. במהלך האבולוציה חלים שינויים דרמטיים בגודלם של איברים: עלי הכרוב, לדוגמה, גדולים פי עשרה ויותר מאלה של קרובת משפחתו, התודרנית הלבנה (ארבידופסיס תליאנה). כיצד נקבע גודלם הסופי של האיברים? כיצד מודדים האיברים את גודלם? ומה גורם להם להפסיק לגדול? צוות מדענים, בראשותו של פרופ' יובל אשד מהמחלקה למדעי הצמח במכון, שיצא לבדוק את השאלות האלה, גילה ממצאים מפתיעים. מתברר, כי כשמדובר בגדילה של עלים, דוושת ה"בלם" חשובה יותר מדוושת ה"גז": מטרתם של רוב המנגנונים הקשורים בבקרת הגדילה היא לעצור ולא לעודד אותה.
 
עלה של צמח מהונדס גנטית שאינו מייצר חמישה גורמי שיעתוק ממשפחת TCP וכן ארבעה גורמי שיעתוק ממשפחה אחרת בעלי תפקיד דומה. עלים אלה גדלים מבלי לעצור
מקור התגלית המפתיעה הוא במחקר שביקש דווקא לבדוק שאלה אחרת: מה גורם לעלה להתחיל לגדול. תחילת הגדילה איננה אירוע אוטומטי וברור מאליו. כדי שתתרחש, חייב להיווצר מבנה ראשוני לעלה, בו קיימת חלוקה לצד תחתון וצד עליון; יחסי הגומלין בין שני הצדדים הם שגורמים לתחילת הגדילה. באופן מעניין, גם כנף הזבוב, דוגמה נוספת לאיבר דו-ממדי, גדלה בעקבות יחסי גומלין בין שני צדדיה. במחקר, שהתפרסם בכתב-העת המדעי The Plant Cell, אותו ביצעו תלמידי המחקר (דאז) ד"ר עידן עפרוני וד"ר אייל בלום, ביקשו המדענים לבחון כיצד בדיוק מתרחש הדבר. לשם כך יצרו, בשיטות של הנדסה גנטית, עלים בעלי סוג תאים יחיד, כאלה של הצד העליון או הצד התחתון, אשר אינם גדלים, והישוו אותם לעלים נורמליים. בהשוואה זו התגלו עשרות חלבונים המתבטאים רק בעלים הגדלים, הנורמליים, ולא בעלים שאינם גדלים, בעלי צד יחיד. בשלב השני, כדי לנסות לעמוד על תפקידם של החלבונים שגילו, יצרו המדעים שורה של צמחים מהונדסים גנטית, שבכל אחד מהם יוצרה כמות גדולה של אחד מהחלבונים האלה, ומדדו את גודל עליהם. להפתעתם, אף אחד מהחלבונים לא גרם לעלים לגדול: חציים לא השפיע כלל, וחציים הקטין את גודל העלים.
 
צמח ארבידופסיס נורמלי (משמאל), לעומת צמח מהונדס גנטית, שאינו מייצר חמישה גורמי שיעתוק ממשפחת TCP(במרכז), או שאינו מייצר שמונה גורמי שיעתוק ממשפחה זו (מימין)
ממצאים אלה הבהירו למדענים שקיימת טעות בהנחתם הבסיסית, לפיה מרבית הגורמים המצויים בעלה המתפתח הם שגורמים לו לגדול. כדי להבין את הטעות, נבחרו מספר חלבונים שנמצאו כמקטינים את גודל העלים, ששייכים למשפחה של גורמי שיעתוק (כלומר, גורמים המווסתים את התבטאותם של גנים) הקרויה TCP. באמצעות שילוב מספר שיטות גנטיות יצרו החוקרים צמח שאינו מייצר אף אחד משמונה בני משפחת TCP. בעקבות זאת חל שיפור עצום בכושר הגדילה של העלים. המסקנה עקב הממצא הזה הייתה, שהלוגיקה של תהליך הגדילה הפוכה ממה שציפו החוקרים: הגדילה היא ברירת המחדל של העלה, ואינה מצריכה "התכוונות" או מאמץ מיוחדים, וגורמים רבים המווסתים אותה פועלים כבלמים. עוד התגלה, כי גורמים מווסתים אלה פועלים בקבוצות, ויוצרים רצף של "נקודות ביקורת" המופעלות בשלבי התפתחות שונים. ריבוי נקודות העצירה חיוני משום שתהליך הגדילה של העלה אורך זמן ממושך, לעיתים מספר שבועות וחודשים, ובמהלכו עשויים להשתנות גורמים סביבתיים שמשפיעים על הגדילה, כמו חוסר במים טמפרטורות גבוהות (תופעה זו אחראית, בין היתר, לכך שצמחי בר רבים מציגים "מופע חורף" בעל עלים גדולים, ו"מופע קיץ" של עלים קטנים).
 
 
במחקר עוקב שביצע ד"ר עידן עפרוני, והתפרסם בכתב-העת המדעי Developmental Cell, התגלה כיצד פועלים הגורמים העוצרים את הגדילה, כלומר, מי הם המתווכים המעורבים בהוצאה לפועל של הפקודה לעצור. המדענים חשדו בהורמון הצמחי ציטוקינין, המעודד חלוקת תאים ומעכב את התמיינותם. המדענים גילו, כי כאשר מרססים את ההורמון על עלים של צמחים מהונדסים גנטית, המייצרים כמות גדולה מהרגיל של גורמי שיעתוק ממשפחת TCP, העלים אינם מגיבים להורמון ואינם גדלים במידה בה גדלו צמחי הביקורת.
 

כיצד מפחיתים גורמי השיעתוק ממשפחת TCP את רגישות העלה לציטוקינין, ועוצרים את הגדילה? בניסוי שנעשה בשיתוף עם קבוצת מחקר מפנסילבניה, נחשפה תמונה מפורטת של מנגנון פעילותם. מתברר, כי גורמי השיעתוק מקבוצת TCP מגייסים לעזרתם חלבון, אשר יודע לחשוף אזורים מסוימים ברצף הגנטי באמצעות סילוק החלבונים האורזים אותו. פעולתם המשותפת גורמת לחשיפת רצף הדי-אן-אי של גן המפחית את מידת הרגישות של הצמח לציטוקינין, ולביטוי מוגבר של הגן. מערכת גמישה זו ניתן להפעיל בשלבים שונים של התפתחות העלה, ולכן, למרות שהגודל הסופי של העלה נשמר בתוך טווח קבוע, מתאפשרות תנודות בתוך הטווח: ככל שמנגנון העצירה יופעל מאוחר יותר, כך יתקבל עלה גדול יותר. בנוסף, מחקרים אלה לא רק חושפים לפרטי פרטים מגנונים המווסתים את גדילת הצמח, אלא גם מספקים הצצה לעקרונות המנחים של תהליכי התפתחות בסיסיים, ומגלים כי הם אינם מצייתים תמיד לאינטואיציה הראשונית של מדענים.
 
 
 
 
מדעי הסביבה
עברית

זכות וטו

עברית
 
מימין: נגה אור-גבע, ד"ר יקי אדלשטיין ופרופ' יאיר רייזנר. סבלנות חיסונית
הסובלנות משתלמת. כך, למשל, לו יכולנו לשכנע את המערכת החיסונית להיות סובלנית כלפי רקמות זרות במקום לדחות אותן ללא רחמים, ניתן היה לטפל במיגוון מחלות דם באמצעות השתלת לשד עצם. בעזרת סובלנות חיסונית אפשר היה לבצע השתלות כאלה גם בבני-אדם שכעת מוגדרים כחלשים מכדי לקבל אותן. בנוסף, סובלנות מסוג זה עשויה להקל רבות על חולים בהם מושתלים כליות, כבד ואיברים אחרים.
 
צוות חוקרים, בראשות מדעני מכון ויצמן למדע, הצליח באחרונה ליצור רמה מסוימת של סובלנות חיסונית תוך שימוש בתאים חיסוניים טבעיים המכונים "תאי וטו". תאים אלה מפעילים כוח וטו כדי להגן על עצמם: כאשר הם מותקפים על-ידי התאים של המושתל, הם יוצאים להתקפה מקדימה ומשמידים את התוקפים.
 
ראש קבוצת המחקר, פרופ' יאיר רייזנר מהמחלקה לאימונולוגיה במכון ויצמן למדע, חוקר תאי וטו זה כעשור, במיוחד את תאי ה-T החיסוניים מסוג +CD8. לתאים אלה יש יכולת הווטו הגבוהה ביותר, אך הם עלולים לגרום לסיבוך הקרוי מחלת השתל נגד המושתל, בה תוקף השתל את גופו של המושתל. הקבוצה של פרופ' רייזנר הצליחה למצוא דרך לעקוף בעיה זו באמצעות תאי וטו +CD8 מתונים יותר. במחקר החדש, אשר פורסם בכתב-העת המדעי Blood, מדווחים פרופ' רייזנר ועמיתיו על כך שהצליחו להכין את הקרקע לשימוש בתאי וטו בבני-אדם. במאמר המערכת מבשר העיתון, שהמחקר גילה את התנאים "בהם ניתן יהיה ליישם לבסוף את ההבטחה של תאי וטו בתרפיית תאים".
 
ואכן, במחקר גילו המדענים את המיקום המדויק בו מבצעים תאי הווטו את הפעילות ההגנתית שלהם: בקשרי הלימפה. המדענים גילו גם את מנגנון פעילות התאים. מתברר, כי הם מפעילים את זכות הווטו שלהם ברגע שתאי ה-T של המושתל, אשר סורקים את הגוף באופן שוטף בחיפוש אחרי פולשים זרים, מזהים את התאים המושתלים החדשים ומתחברים אליהם. אז בדיוק יוצאים תאי הווטו לפעולת המנע שלהם: הם משחררים רעלים זמינים והורגים את תוקפיהם – אשר זקוקים לזמן רב יותר כדי להכין את הרעלים שלהם עצמם. פרטים אלה התגלו במהלך מחקר שהתבצע בשיתוף עם מעבדתו של ד"ר גיא שחר מאותה מחלקה, אשר נעשה באמצעות מיקרוסקופ דו-פוטוני חדשני, המאפשר לעקוב אחרי תאים חיסוניים בודדים בגוף עכבר חי בזמן אמת.
 
בנוסף גילו המדענים כיצד לוודא כי תאי וטו אכן מגיעים ליעדם: לפני ההשתלה יש לגדל אותם בתרבית בעזרת חומר ביולוגי בשם אינטרלויקין-15, המשמר את הקולטנים אשר מובילים את התאים לקשרי הלימפה.
 
במחקר הנוכחי, תאי הווטו אכן השמידו בהצלחה את תאי ה-T של המושתל, האחראיים במידה רבה לדחיית השתל. כתוצאה מכך, עכברים לבנים קיבלו ב"סובלנות" שתל עור מעכבר שחור. בדרך כלל, כדי לבצע השתלת עור מסוג זה נדרש דיכוי קיצוני של המערכת החיסונית של המושתל באמצעות תרופות והקרנות, כדי למנוע דחייה. הודות לסובלנות החיסונית שהוקנתה על-ידי תאי הווטו, העכברים הלבנים לא דחו את הטלאים השחורים, למרות שהמערכת החיסונית שלהם דוכאה באופן חלקי בלבד. דרוש כמובן מחקר נוסף כדי לקבוע האם גישה זו תהיה יעילה בבני-אדם באותה מידה כמו בעכברים.
 
חלק רב וחשוב במחקר זה, שנעשה במעבדתו של פרופ' רייזנר, תרמו תלמיד המחקר (דאז) ד"ר ערן אופיר ותלמידת המחקר נגה אור-גבה. ד"ר אופיר וד"ר יקי אדלשטיין (כחלק מעבודת הדוקטורט שלו) תרמו במשותף למחקר קודם במעבדתו של פרופ' רייזנר, שהתפרסם בכתב-העת Blood בשנת 2010, בו פיתחו המדענים את עקרונות השימוש בתאי וטו בעכברים במערכת מלאכותית יותר, המדמה את דחיית שתל לשד העצם.
 
תאים חיסוניים מסוג T (ירוק), התוקפים את רקמת התורם, נצמדים (חצים כחולים) לתאי וטו (אדום) של התורם. התקשרות זו גורמת לחיסולם על-ידי תאי הווטו. צולם במיקרוסקופ דו-פוטוני
נכון לעכשיו מתבצעות השתלות לשד העצם אך ורק לצורך ריפוי מחלות קטלניות, משום שההשתלות עצמן מהוות סכנת חיים. הסכנה הגדולה ביותר היא הדבקה בזיהומים, כתוצאה מדיכוי המערכת החיסונית המתבצע כהכנה להשתלה. אך אם הדיכוי יהיה חלקי בלבד, כפי שנעשה במחקר הנוכחי, אפשר יהיה לבצע השתלות גם במחלות לא קטלניות, כמו תלסמיה ואנמיה חרמשית. כמו כן, אפשר יהיה לבצע השתלות בחולים שכיום אינם יכולים לקבל טיפול זה, מפני שהם חלשים מכדי לעמוד בדיכוי מאסיבי של המערכת החיסונית – כמו חולים קשישים בלוקמיה או בלימפומה. יתר על כן, הצלחת החוקרים להשתיל רקמת עור זרה מלמדת, כי תאי וטו עשויים ליצור סובלנות גם כלפי השתלת כליות או איברים אחרים, דבר שימנע את הצורך בדיכוי מתמשך של המערכת החיסונית של המושתל.
  
 
 
 
 
מימין: נגה אור-גבע, ד"ר יקי אדלשטיין ופרופ' יאיר רייזנר. סבלנות חיסונית
מדעי החיים
עברית

עמודים