מפגש בלתי-צפוי עם עכבר, או ביקור צפוי אצל רופא שיניים, הם רק שתי דוגמאות בודדות מאינספור מצבי לחץ ומצוקה שאליהם אנחנו נקלעים מעת לעת. תגובת הגוף למצבים כאלה מקיפה קשת רחבה של תופעות: שינויים בנשימה,בזרימת הדם, בפעילות הלב, בהתנהגות - למעשה, כל מערכות הגוף מתגייסות כדי להתמודד עם האיום. מרכז הפיקוד והשליטה של הפעילות הזו נמצא במוח, המעביר את הוראותיו באמצעות הורמונים ומוליכים עיצביים שונים. עם זאת, פרטי המנגנונים השולטים בתגובת הגוף למצבי לחץ אינם ברורים במלואם, וכן לא ברור כיצד שיבושים במנגנונים אלה גורמים התפתחות של מחלות והפרעות כמו חרדה או דיכאון. ד"ר אלון חן, מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע, חוקר את המנגנונים המוחיים האחראיים להתמודדות הגוף עם מצבי לחץ. במחקר שפירסם באחרונה בכתב-העת המדעי Molecular Psychiatry מדווח ד"ר חן, כי גילה שפגיעה בפעילותם של שני חלבונים מ"משפחה" הקרויה CRF מבטלת את סימני החרדה: עכברים שאינם מבטאים את החלבונים האלה הם בעלי התנהגות שאננה ורגועה - גם כשהם נחשפים למצבי לחץ.
חלבוני CRF ידועים כבעלי תפקיד חשוב בוויסות התגובה למצבי לחץ: במצבים כאלה, משתחררים החלבונים מאיזור מסוים במוח ונקשרים לקולטנים שלהם, המצויים בבלוטת יותרת המוח. בתגובה לכך משחררת הבלוטה הורמון אשר גורם להפרשת קורטיזול - שאחראי ישירות לשינויים המתחוללים בכל מערכות הגוף. בנוסף, משפיעים חלבוני CRF על פעילות המוח עצמו, וגורמים לשינויים בהתנהגות: פחד, ריכוז מוגבר, זיכרון ועוד. מיפוי הגנום האנושי הראה, כי לצד חלבוני CRF פועלים שלושה בני משפחה קרובים - Ucn1, Ucn2 ו-Ucn3 - וכן שני קולטנים, אולם הפרטים המדויקים על אופן פעולתו של המנגנון הזה עדיין אינם ידועים .
כדי להבין מהו התפקיד שממלאים שניים מהחלבונים, Ucn1 ו-Ucn2, פיתחו ד"ר חן וחברי קבוצתו - תלמידת המחקר עדי נויפלד-כהן, דימיטרי גטשלטר, טכנאית המעבדה שוש גיל, וד"ר מיכאל צורי - זן של עכברים מהונדסים גנטית שאינם מבטאים את החלבונים האלה. לאחר מכן בדקו את העכברים המהונדסים במיגוון מבחנים - החל מבדיקות מולקולריות של ביטוי גנים, דרך בדיקות פיסיולוגיות (כמו רמות הורמונים), ועד למבחנים התנהגותיים.
ממצאי המחקר הראו כי העכברים המהונדסים, שאינם מייצרים Ucn1 ו-Ucn2, מראים התנהגות חרדתית נמוכה בהרבה בהשוואה לעכברי הביקורת. הפער בין הקבוצות אף גדל לאחר חשיפת העכברים למצב לחץ. הבדיקות שביצעו המדענים הראו, כצפוי, כי שינויים אלה נובעים משיבוש המנגנון המתחיל בבלוטת יותרת המוח ומסתיים בהפרשת קורטיזול. באופן פחות צפוי, בעכברים המהונדסים נוצרה כמות קטנה יותר של סרוטונין - הורמון המפעיל מערכת שונה ונפרדת להתמודדות עם מצבי לחץ. גילוי הקשר בין שתי המערכות - זו המופעלת על-ידי סרוטונין וזו המופעלת על-ידי קורטיזול - מציב את משפחת חלבוני CRF בצומת חשוב בוויסות התגובה למצבי לחץ.
עושר ואושר
מחקר נוסף של ד"ר חן, שהתפרסם גם הוא בכתב-העת המדעי Molecular Psychiatry, נועד למצוא הסבר לתופעה מוכרת: החיים בסביבה מעניינת, מגוונת ועשירה מפחיתים חרדה ודיכאון. סביבה שכזו יוצרת עמידות בפני מצבי לחץ, ואף תורמת ליצירת תאי מוח חדשים. כיצד זה קורה? ד"ר חן וחברי קבוצתו - תלמידי המחקר חזי שטיינברג, יעל קופרמן ומאיה לבו, והחוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר מיכאל צורי - בדקו עכברים שגודלו בכלובים מיוחדים, אשר תוכננו במכון ויצמן למדע: כלובים גדולים המכילים משחקים ומבנים שונים, בהם מקיימים העכברים חיי חברה פעילים. השוואה של העכברים שגדלו בכלובים המשופרים לאלה שגדלו בתנאים סטנדרטיים הראתה, כי רמות אחד הקולטנים לחלבון CRF באמיגדלה - איזור במוח המקושר לפחד ולחרדה - נמוכות אצלם במידה משמעותית.
ד"ר חן: "התגובה למצבי לחץ אמנם נשלטת ברובה מהמוח, אבל היא מפעילה את כל המערכות בגוף. לכן, קלקול בוויסות התגובה עשוי לגרום למיגוון גדול של מחלות - החל בחרדה ובאנורקסיה נרבוזה, ועד לסוכרת ולמחלות לב". הבנה מפורטת של המנגנונים המעורבים בתגובה למצבי לחץ, וגישה רחבה המתייחסת לטווח הרחב של היבטי התגובה להם, עשויות לסייע בפיתוח טיפול למחלות ולהפרעות אלה. כמו כן, היא תוכל, אולי, להסביר מדוע אנשים שונים מגיבים באופן שונה למצבי לחץ - תגובה המובילה לעיתים להתפתחות מחלות קשות כמו דיכאון או תסמונת פוסט-טראומתית.
נגיפים בשירות המדע
הזרקת חומרים אל תוך המוח - לצורך מחקר או טיפול רפואי - היא תהליך מסובך לביצוע ובעל חסרונות רבים. במקום זאת, אולי אפשר לגרום למוח לייצר את החומרים האלה בעצמו? רעיון זה עומד בבסיס שיטה חדשה שפיתחו ד"ר אלון חן וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה. על-פי השיטה החדשה מספקים לתאי מוח את ה"תוכניות" ליצירת החלבונים, ומניחים להם לעשות את העבודה בעצמם: ייצור החלבון הרצוי על-פי הצופן הגנטי שבדי-אן-איי המוזרק לתוכם. המדענים ייצרו באמצעות השיטה שני חלבונים שונים, והראו שהיא אכן מדויקת ויעילה.
כדי לייצר את החלבונים ולפזר אותם במערכת העצבים המרכזית השתמש ד"ר חן במערכות הייצור וההובלה הטבעיות המשרתות את המוח: "בתי החרושת" הם תאים מסוימים הממוקמים בתוך חדרי המוח, באיזור הקרוי "מקלעת דמים". תאים אלה מייצרים את הנוזל הממלא את חללי המוח (נוזל המוח-שדרה) וכן חלבונים שונים המופרשים לתוכו. דרך נוזל המוח-שדרה מועברים חלבונים אלה אל כל חלקי מערכת העצבים המרכזית, הכוללת את המוח ואת חוט השדרה.
מערכת ייצור החלבונים שפיתח ד"ר חן, יחד עם תלמידת המחקר לימור רגב, תלמיד המחקר (אז) אלי יזרעאלב, החוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר ערן גרשון, וטכנאית המעבדה שוש גיל, מבוססת על השיטה המקובלת להחדרת חומר גנטי אל תוך חלל המוח - באמצעות נגיפים מהונדסים. רכיבים גנטיים שונים שהוחדרו לנגיפים אחראיים לבררנות של המערכת (החלבון הרצוי נוצר אך ורק בתאי "מקלעת הדמים"), ולתכונה חיונית נוספת - היכולת להפעיל ולכבות אותה בקלות, לפי הצורך.
המערכת החדשה מציעה פתרון לרוב החסרונות של הזרקת חלבונים ישירה: היא חוסכת את התהליך הארוך של ייצור חלבונים במעבדה, מתגברת על בעיית משך החיים הקצר של החלבונים, ומבטלת או מצמצמת תהליכים טכניים מורכבים נוספים.
המערכת עשויה לסייע בבחינת השפעתם של חומרים שונים על פעילות המוח, וייתכן שבעתיד היא תאפשר גם ייצור מתמשך וממוקד של תרופות למחלות הפוגעות במערכת העצבים המרכזית. בנוסף, היא תאפשר לחקור את תאי מקלעת הדמים. "תאים אלה הם בעלי תפקיד חשוב, ועדיין לא מובן דיו, בוויסות סביבת המוח", אומר ד"ר חן, "הם גם חשודים כמעורבים במחלות ניווניות שונות של מערכת העצבים, כמו אלצהיימר וטרשת נפוצה. המערכת שפיתחנו תסייע ללמוד את הביולוגיה של התאים האלה, ולהבין טוב יותר את מעורבותם במחלות מסוג זה".
השיטה תוארה במאמר שפורסם באחרונה בכתב-העת המדעי "רשומות האקדמיה הלאומית למדעים של ארה"ב" (PNAS). חברת "ידע", המקדמת יישומים תעשייתיים על בסיס המצאותיהם של מדעני מכון ויצמן למדע, הגישה בקשה לרישום פטנט על הדרכים ליישומה.
בין השמנה ללחץ
החשיפה הגוברת ללחצים בחברה המערבית המודרנית גובה מחיר כבד: הן בשיעור הולך וגדל של הפרעות נפשיות כמו חרדה ודיכאון, והן במחלות מטבוליות (של חילוף חומרים) כמו השמנה, סוכרת מסוג 2, טרשת עורקים ועוד. בשני המקרים מדובר במגיפה עולמית שהולכת ומתרחבת בעשורים האחרונים: על-פי נתוני ארגון הבריאות העולמי, מספר החולים בסוכרת ברחבי העולם צפוי להכפיל את עצמו בשני העשורים הקרובים, ולעמוד על יותר מ-360 מיליון בני-אדם בשנת 2030. הקשר בין חשיפה למצבי לחץ לבין התנהגות חרדתית ושינויים באכילה ברור כמעט מאליו לכל מי שמצא עצמו אוכל כמויות גדולות של שוקולד לפני מבחן חשוב, ונתמך גם במחקרים מדעיים. עם זאת, המנגנונים העומדים בבסיס הקשר הזה אינם ברורים. ד"ר אלון חן וחברות קבוצת המחקר שלו מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע גילו, כי שינוי בפעילותו של גן יחיד באיזור מוגדר במוח מגביר התנהגות חרדתית של עכברים, ובמקביל גורם לשינויים בחילוף החומרים - כך שהעכברים מפתחים תסמינים אופייניים לסוכרת מסוג 2.
התגובה למצבי לחץ כוללת, בין היתר, שינויים התנהגותיים כמו עלייה ברמת החרדה והריכוז, וכן שינויים בחילוף החומרים, כמו ייצור חום והבדלים בהעדפת מזון. כדי לנסות להבהיר את המנגנון האחראי לתופעות אלה, ביקשהקבוצת המדענים ממכון ויצמן למדע לבחון את מעורבותו של חלבון הקרוי Ucn3 (יורוקורטין 3), אשר ידוע כאחד הגורמים המווסתים את תגובת הגוף למצבי לחץ. החלבון נוצר בתאי עצב באתר מסוים במוח, וייצורו מוגבר בזמני לחץ. שלוחות של תאי עצב אלה מתפקדות כמעין "דרך מהירה" שבה ה-Ucn3 נע ממקום ייצורו אל שני מקומות נפרדים במוח: אחד הוא ההיפותלמוס - איזור במוח האחראי על הבקרה ההורמונלית של הגוף, ובין היתר מווסת את תחושת הרעב והשובע; האתר השני מפקח על ההתנהגות, וקשור בוויסות רמות החרדה. בשני אתרים אלה מצויים קולטנים ייחודיים הנקשרים ל-Ucn3, ובעקבות כך מפעילים את התגובה ההתנהגותית למצבי לחץ.
מדעני מכון ויצמן יצרו מערכת גנטית מתקדמת, המאפשרת להשפיע על גן בודד, במיקום מדויק, והשתמשו בה כדי להגביר את כמות ה-Ucn3 הנוצרת באתר מוגדר במוח. הם גילו, כי ייצור מוגבר של החלבון גרם לשינויים בשתי מערכות שונות: הוא הגביר את ההתנהגות החרדתית של העכברים, ובמקביל גרם לשינויים בחילוף החומרים. כך, בין היתר, עכברים שייצרו כמות עודפת של Ucn3 העדיפו להשתמש בסוכרים כדי להפיק אנרגיה, במקום לנצל חומצות שומן, וקצב חילוף החומרים שלהם היה מהיר יותר. בנוסף, עכברים אלה פיתחו תסמינים אופייניים לסוכרת מסוג 2: ירידה ברגישות השרירים לאינסולין, המעכבת את כניסת הסוכר לתאים וגורמת לעלייה ברמת הסוכר בדם. כתוצאה מכך התגבר ייצור האינסולין בלבלב (במטרה לנסות "לפצות" על חוסר התגובה). ממצאי המחקר התפרסמו בכתב-העת המדעי "רשומות האקדמיה האמריקאית למדעים" (PNAS).
"הראינו כי שינוי נקודתי בפעילותו של גן יחיד, במיקום מוגדר במוח, מוביל לשינוי בחילוף החומרים בכל הגוף", אומר ד"ר חן. המנגנון שגילו המדענים, המקשר בין מצבי לחץ ברמת המוח לבין התפתחות מחלות מטבוליות, עשוי לאפשר, בעתיד, פיתוח שיטות טיפול במחלות מטבוליות הקשורות במצבי לחץ - כמו השמנה וסוכרת מסוג 2 - באמצעות השפעה על Ucn3 או על הקולטן שלו.
במחקר השתתפו תלמידות המחקר יעל קופרמן, אורנה איסלר, לימור רגב, יפעת מוסרי, ענבל נבון ועדי נויפלד-כהן, וטכנאית המעבדה שוש גיל.
Saving Up Sunshine
One of the unsolved technical challenges holding back the global use of such renewable energy resources as solar or wind is that they’re not always able to deliver power when and where it’s needed. There’s plenty of sun and wind – enough to run all the factories, computers and air conditioners in the world; but supplying that energy on demand is still problematic.
If only we had a way to save the sun’s energy for a rainy day. Coal, for instance, is a form of stored energy: It can be burned at will to create steam, which, in turn, produces electricity. In contrast, solar panels and windmills convert sunshine and wind directly to electricity – useful for powering our homes, but hard to stockpile. Many solutions have been proposed, but most (oversized batteries, for example, or pumping large quantities of water uphill) remain expensive, unwieldy or impractical in other ways. One promising avenue that scientists have been exploring is that of converting the energy obtained from the sun or wind into a form that can be stored, transported and burned at a later date. In the 1980s and 1990s, Weizmann scientists began pursuing methods for storing solar energy in chemical bonds, using highly concentrated solar energy created in the Institute’s solar tower (thermochemical heat pipe).
Now, Prof. Igor Lubomirsky of the Institute’s Materials and Interfaces Department in the Faculty of Chemistry has come up with a novel alternative for converting solar energy into fuel. What’s more, his method is comparatively inexpensive, produces no environmentally hazardous waste and is very efficient. Rather than coal (which takes millions of years to be created and emits pollutants when burned), the new method produces carbon monoxide (CO) – a non-corrosive gas that can be burned directly in turbines or generators, or converted on-site into liquid fuel. Although it’s toxic in high concentrations, CO has been used for over a hundred years as an intermediate chemical product; tens of millions of tons are synthesized each year from coal or wood in one of the most developed of industrial processes.
In Lubomirsky’s approach, the CO is generated from CO2 in a relatively straightforward chemical process using a setup that’s something like a large, hot battery. Inside a special cell, a chemical compound is heated to around 900°C and an electric current is passed through the compound. When CO2 is continuously fed into the cell, the result is pure CO and oxygen.
“CO could be produced right at the smokestack of a power plant or other CO2 source,” says Lubomirsky, “so the greenhouse gases released from the plant would be removed and recycled before they have a chance to hit the atmosphere. The metal used in the process is off-the-shelf titanium, which is many times cheaper and more available than such precious metals as platinum that are often used in similar devices.” Other advantages of the method include a thermodynamic efficiency of over 85% (not counting the energy needed to heat the system), which is almost unheard of in the world of energy conversion, and the ease of transporting and burning CO.
Lubomirsky: “In the future, this method might be used to harvest solar or wind energy in places where it’s plentiful, convert it to CO and store or convert it into a liquid fuel such as methanol. This research is 100% the fruit of Weizmann Institute scientists and resources, especially the Institute’s Alternative Energy Research Initiative (AERI), which supports a number of important research projects in the field.”
Yeda, Ltd., the technology transfer arm of the Weizmann Institute, has applied for a patent for the method, and preliminary tests are planned for the near future.
Prof. Igor Lubomirsky’s research is supported by the Nancy and Stephen Grand Research Center for Sensors
and Security; the Phyllis and Joseph Gurwin Fund for Scientific Advancement; Yossie Hollander, Israel; Martin Kushner Schnur, Mexico; Rowland Schaefer, New York; and the Wolfson Family Charitable Trust.
Freeze and Heat
Can one freeze water by heating it? In research that recently appeared in Science, Lubomirsky, working with then research student David Ehre and Prof. Meir Lahav, demonstrated that water can turn solid at different temperatures, depending on the electric charge of the surface underneath. By creating conditions for the charge to be reversed, they found that ice could even form as the surface heated up.
The experiment was based on a long-standing conjecture that an electric charge could promote freezing by causing the water molecules to align with the charge. When water freezes at 0° Celsius, the ice crystals start to coalesce around dust particles or other impurities. But so-called super-cooled water, such as that in high clouds, can stay liquid well below the freezing point if nothing sets off crystallization. Testing the theory was problematic, however, as materials that hold a charge – mostly metals – also act as nuclei for ice formation.
The team solved the problem by placing the water on a special surface made of pyroelectric crystals; these can carry a charge when heated or cooled, but do not provide a nucleus for ice crystals. To their surprise, they found that whereas on a positively charged surface, the water froze at -7°C and on the uncharged surface at -12.5°C; on the negatively charged material, it only turned to ice at -18°C. When they put liquid water on the negatively charged surface, the water turned to ice when that surface was heated from -11°C to -8°C.