האם ייתכן שחומו של חולה נקבע על-פי קצב מדידות החום שמבצע הרופא?האם קצב המדידות עשוי להשפיע על התוצאה? למשל, האם ייתכן שחומו של חולה נקבע על-פי קצב מדידות החום שמבצע הרופא, כך שהחום עולה כאשר המדידות תכופות יותר, ויורד כאשר קצב המדידות פוחת? מתברר שזה בדיוק מה שקורה כאשר ה"חולה" הוא עצם קוונטי: אטום, מולקולה או התקן ננו-מוצק. אלה הם פני הדברים על-פי תיאוריה חדשה שפיתחו פרופ' גרשון קוריצקי, ד"ר נועם ארז ותלמיד המחקר גורן גורדון, מהמחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע, יחד עם ד"ר מתיאס נסט מאוניברסיטת פוטסדם בגרמניה. המחקר פורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Nature.

 

התופעות המתוארות בתיאוריה החדשה של פרופ' קוריצקי חורגות מהכללים המקובלים של תורת-החום (תרמו-דינמיקה), שעל-פיהם מגע בין מקור חום גדול ("אמבט" חום) לבין עצם קטן ממנו חייב להביאם בהדרגה (לפחות בממוצע) לשיווי-משקל תרמי, כלומר אל טמפרטורה קבועה ומשותפת. חברי קבוצת המחקר של פרופ' קוריצקי קוראים תיגר על תפיסה זו, הנחשבת אוניברסלית, ככל שהדברים אמורים בקבוצת מערכות קוונטיות המצויות במגע עם אמבט חום, וכאשר מבוצעות מדידות תכופות של הטמפרטורה או האנרגיה שלהן.

 

לפי התיאוריה החדשה, מדידות תכופות עשויות לחמם או לקרר את המערכות הקוונטיות ואת האמבט כאחד, ושינוי הטמפרטורה תלוי רק בקצב המדידות, ללא קשר לכללי התרמודינמיקה המקובלים. כך, באופן מתמיה, המערכות עשויות (בממוצע) להתחמם אף אם האמבט קר יותר, או להתקרר אף אם האמבט חם יותר. עם זאת, פרופ' קוריצקי מדגיש כי אי-אפשר לבנות בדרך זו מכונת תנועה נצחית ("פרפטום מובילה"), שכן ביצוע המדידות מחייב השקעת אנרגיה.

 

מדוע מתחוללת התופעה הזאת? בניגוד למדידות מקובלות ("קלאסיות") אשר עשויות להיות לא-פולשניות לחלוטין, מדידות קוונטיות מבטלות בהכרח את הצימוד בין המערכת הנמדדת לאמבט - ומביאות לאובדן ההתאמות ביניהן. בתום המדידה המהירה מתחדש הצימוד בפתאומיות, דבר הגורם למעבר אנרגיה ממכשיר המדידה הן למערכת והן לאמבט, כלומר לחימום. המפתח לתופעה זו הוא אי-הוודאות הקוונטית, שעל-פיה בזמנים קצרים המערכת והאמבט אינם ניתנים להבחנה אנרגטית. בזמנים ארוכים במקצת, האנרגיות של המערכת והאמבט עוברות תנודות חריפות, על חשבון אנרגיית הצימוד ביניהם. תנודות אלה עשויות לגרום לקירור ביחס לטמפרטורה ההתחלתית. לפיכך, בהתאם למרווחים בין המדידות, אפשר לחמם או לקרר את המערכת. מדידות עוקבות יאפשרו צבירה הדרגתית של הקירור או החימום, וכך, במשך זמן לא רב, להביא לשינוי גדול בטמפרטורה.

 

התופעות החזויות חושפות תופעות בסיסיות בלתי-מוכרות שמקורן בדינמיקה קוונטית בזמנים קצרים, בתחום שעד עתה נחשב ללא-קוונטי (קלאסי): תרמודינמיקה של צברי-מערכות. התיאוריה החדשה מדגימה כי אפשר להבחין בתופעות קוונטיות בכל מערכת, אם הניסוי מבוצע ברמה מספקת של דיוק בזמן. מבחינה יישומית צפויות תופעות אלה לאפשר פיתוח התקני חימום וקירור חדשניים שפעולתם מהירה בהרבה מאלה הקיימים. המדענים מקווים שבקרוב יבוצעו במקומות שונים בעולם ניסויים מעשיים לבחינת התיאוריה החדשה.

 

 

 

 

 

 

תצפית אקראית של לוויין המחקר "סוויפט" איפשרה באחרונה למדענים לצפות בפעם הראשונה בהתפוצצות כוכב בזמן אמיתי. בעבר צפו אסטרונומים באלפי התפוצצויות כוכבים, המוכרות בשם סופר-נובה, אולם בכל המקרים החלה התצפית זמן רב לאחר שההתפוצצות "יצאה לדרך". תצפית ראשונית זו כבר מאפשרת הבנה טובה יותר של תופעת הכוכבים המתפוצצים, והיא מתוארת כ"אבן הרוזטה" לפיענוח התהליך כולו.

 

סופר-נובה אופיינית מתחוללת לאחר שהדלק הגרעיני אוזל מליבתו של כוכב מאסיבי, והוא קורס אל תוך עצמו בהשפעת כוח הכבידה שלו-עצמו. כך נוצר בליבה חומר דחוס ביותר הקרוי כוכב ניטרונים. החומר שממנו עשוי כוכב הניטרונים כבד כל-כך, עד שכפית אחת ממנו שווה למשקלם של כל בני-האדם על-פני כדור-הארץ. כוכב הניטרונים הצעיר נדחס, ולאחר מכן "מתנפח" בחזרה, ויוצר גל-הלם אשר מתפרץ מפני הכוכב המוצק ומפלס את דרכו דרך שכבת הגזים החיצונית של הכוכב, מה שגורם לשכבה הזאת להתפזר בחלל לכל עבר. אסטרונומים סברו במשך קרוב לארבעה עשורים כי בדקות הראשונות של התהליך, עוד לפני תחילת ההתפוצצות, משחרר הכוכב מעין "הבזק" של קרינת X ("רנטגן"), שנמשך מספר דקות.

 

עם זאת, עד לתגלית הנוכחית לא הצליחו המדענים לצפות בהבזק המקדים. למעשה, עד כה החלו התצפיות רק כאשר אפשר היה להבחין בחומר המתפזר מהכוכב המתפוצץ, כלומר כמה ימים, או אפילו שבועות, לאחר ההתפוצצות עצמה. את הצלחת התצפית הנוכחית יש לזקוף לזכות המזל, אבל גם לזכות תכנונו הייחודי של לוויין המחקר "סוויפט" של נאס"א. בינואר השנה השתמשו אליסיה סודרברג ועידו ברגר מאוניברסיטת פרינסטון בלוויין כדי לצפות בסופר נובה הידועה בשם SNuy 2007, בגלקסיה הספירלית NGC 2770, הממוקמת 09 מיליון שנות אור מכדור-הארץ, בקבוצת לינקס (Lynx). בשעה 33:9 בבוקר הם איתרו התפרצות בהירה של קרני רנטגן, שנמשכה כחמש דקות. הם הבינו, כי מקור הקרינה הוא במיקום אחר באותה הגלקסיה.

 

תגלית מפתיעה זו הובילה להתגייסות של צוות מחקר, שהתבסס על 51 קבוצות מחקר ממקומות שונים בעולם, ובהם גם פרופ' אלי וקסמן וד"ר אבישי גל-ים ממכון ויצמן למדע. ד"ר גל-ים ביצע מדידות וחישובים שאיפשרו למדענים לנטרל הפרעות שונות, כגון עננים של אבק בין-כוכבי, שגרמו (בדרך של בליעה) לשינויים באורכי הגל של קרינת הכוכב המתפוצץ. הודות לחישובים אלה הצליחו המדענים להפיק מידע רב ערך על תהליך ההתפוצצות. נתוני הפריצה של גל ההלם והיווצרות קרני ה-X בפיצוץ התאימו באופן מלא למודל תיאורטי על תהליך התפוצצות של סופר-נובה שפיתח פרופ' וקסמן יחד עם פרופ' פיטר מזארוס מאוניברסיטת פנסילבניה בארה"ב. כך הצליחו המדענים להראות שסופר-נובה 2008D היא סופר-נובה רגילה, ולא התפוצצות נדירה יחסית שבה מעורבת גם התפרצות סילונים של קרינת גאמה.

 

תצפית זו כבר העניקה למדענים מידע חדש על ממדי הכוכב המתפוצץ, על מבנה המעטפת שלו, ועל תכונות גל ההלם שהודף את המעטפת החוצה. בימים אלה הם ממשיכים לנתח את הנתונים, במטרה לפתור כמה מהשאלות הפתוחות בתחום זה, ובמיוחד כדי לשכלל את המודל המתאר את תהליך ההתפוצצות של סופר-נובה. הבנות חדשות אלה על תהליך ההתפוצצות עשויות לסייע למדענים לזהות כוכבים מתפוצצים בשלבים מוקדמים יותר של ההתפוצצות, מה שיאפשר תצפיות נוספות ומעקב מדויק אחר שלבי ההתפוצצות.

 

 

 

במשך מאות בודדות של "אבולוציה מדעית" התפצל האב הקדמון -ה"מדען" - למיגוון מינים וזנים: כימאים ופיסיקאים, גנטיקאים ומיקרו-ביולוגים, וכלמה שביניהם. כל אוכלוסיית מדענים התאימה את עצמה לגומחה אקולוגית ייחודית. הביולוגים, למשל, בוחנים את התא החי, וחוקרים את התפקידים ומנגנוני הפעילות של רכיביםומבנים שונים בתוכו. הפיסיקאים, לעומתם, מחפשים הכללות, כלומר מנסים לגלות את החוקים האוניברסליים העומדים בבסיסו של היקום, ולזהות קווי דמיון בין תופעות ומערכות שונות זו מזו.

 

האם ניתן להכליא את שני המינים השונים האלה? הרעיון, שנחשב בזמנו לבלתי-אפשרי, נעשה מקובל יותר ויותר, ובזמן האחרון אנו עדים לשגשוגם של ביו-פיסיקאים. "האמצעים המשוכללים העומדים כיום לרשות הביולוגים מאפשרים לאסוף כמויותעצומות של מידע, וצוואר הבקבוק נוצר בשלב ניתוח הנתונים", אומר ד"ר ניר גוב מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע. "הפיסיקאים התייחסו למצב זה כאל הזמנה למסיבה הביולוגית - הם משתמשים בכלים שברשותם כדי להבין תופעות ביולוגיות ברמה הבסיסית, ובדרך מגלים גם עקרונות פיסיקליים חדשים המייחדים חומר חי ופעיל".

 

הנושא שמשך את תשומת ליבם של ד"ר גוב וחברי קבוצת המחקר שלו הוא, כיצד לובשים תאים שונים את צורתם האופיינית. הם בחרו להתמקד במבנה המיוחד של תאי השיער שבאוזן הפנימית. מתאים אלה יוצאות שלוחות דמויות אצבע הבולטות משטח פני התא, ויוצרות מעין מדרגות בגבהים משתנים. השלוחות ממלאות תפקיד מרכזי בשמיעה - הן ממירות את תנודות הקול הנקלטות באוזן הפנימית באיתות חשמלי שמועבר דרך עצב השמיעה אל המוח. שימוש בשיטות דימות מתקדמות איפשר לביולוגים לפענח ולתאר בפרטי פרטים את תהליך היווצרות תאי השיער לאורך ההתפתחות העוברית - החל בשלבים המוקדמים, בהם העובר עדיין חירש, והאצבעות רק מתחילות לבצבץ משטח פני התא באופן בלתי-מסודר לכאורה, ועד לשלבים המאוחרים, שבהם מקבלות השלוחות את צורתן הסופית, ויוצרות מבנה מסודר המאפשר שמיעה. באמצעות קילוף הקרומים החיצוניים של תאי השיער ניתן לחשוף את מבנה השלד החלבוני שתומך באצבעות ומקנה להן את צורתן. אך למרות המידע המפורט המצוי בידיהם, המדענים עדיין אינם מבינים את התהליכים שמביאים להיווצרותם של המבנים המאורגנים האלה. לשם כך יש "לקלף" שכבה נוספת, ולחשוף את הכוחות הבלתי-נראים המשפיעים על התהליך - כוחות שהם נושאי המחקר של הפיסיקאים.

 

ד"ר גוב: "במונח 'כוחות' אנו מתייחסים לגורמים כמו מתח, דחיסה, חיכוך, תנועה ואנרגיה כימית. כל אלה הם מנגנונים פיסיקליים הפועלים על רכיביה של מערכת נתונה כלשהי. באמצעות הכנסת הגורמים האלה למערכות משוואות יצרנו מודלים מתמטיים שאפשר להשתמש בהם כדי לחזות באופן כמותי כיצד נוצרים ומתנהגים המבנים התאיים במצבים שונים. תחזיות אלה ניתן לבדוק ולאשר באמצעות ניסויים".

 

המודל שיצרו גוב וחברי קבוצת המחקר שלו מביא בחשבון את האירועים הביוכימיים המתחוללים בתאי השיער: מולקולותATP  - מטבע האנרגיה המועבר בכל פעילות של התא - גורמות לפירוק ובנייה מחדש שלהפיגומים המרכיבים את שלד התא, העשויים מצרורות צפופים של סיבי חלבון הקרוי "אקטין". אבל התהליך הזה אינו גורם לשינוי הצורה הכללית של השלד התאי. המודל מאפשר לחשב באופן כמותי כיצד הכוחות הפיסיקליים הפועלים על קרומי התאים משפיעים על צורתם, ובסופו של דבר גורמים להופעת המבנה האופייני הסופי, דמוי האצבעות. שורה של ממצאים ניסויים, שהתקבלה בשיטות ביולוגיות "מסורתיות", אישרה את התחזיות של המודל המתמטי.

 

מאחר שמדובר במודל כללי, המבוסס על כוחות פיסיקליים אוניברסליים, אפשר להשתמש בו כדי להבין את היווצרותם של מבנים תאיים נוספים. כך, למשל, עוסק צוות חוקרים מקבוצתו של ד"ר גוב במבנה של תאי עצב במוח. תאים אלה יוצרים שלוחות מסועפות הגדלות ויוצרות קשר עם תאי מוח שכנים. מבנה זה הוא שמאפשר לתאי העצב שבמוח "לדבר" זה עם זה. מדענים רבים סבורים, כי תהליכים כמו למידה או קיבוע זיכרונותמעודדים צמיחה של שלוחות אלה, ויצירה של נקודות מגע נוספות בין תאי העצב. מהשוואה בין שני המבנים עולה, כי צמיחת השלוחות של תאי העצב מבוססת עלתהליכים דומים לאלה שמובילים ליצירת האצבעות בתאי השיער.

 

מבנים דומים ניתן למצוא בסוגי תאים נוספים, הממלאים תפקידים מגוונים. תאים של המערכת החיסונית יוצרים שלוחות דמויות אצבע המסייעות לתנועה, ובאמצעותן הם מגיעים לאתרי זיהום ומחלה. מנגנון מבני דומה מאפשר גם לתאים סרטניים לנוע ממקום הגידול הראשוני, וליצור גרורות סרטניות. לעיתים די בהפרעה המשפיעה על גורם פיסיקלי יחיד כדי לפגוע במבנה המאורגן בקפידה. הפרעה כזו יכולה לגרום לבעיות שונות, כמו חירשות או פגיעה קוגניטיבית. מצד שני, הפרעה למנגנון התנועה של תאים סרטניים עשויה למנוע את התפשטותן של גרורות סרטניות.

 

מיפוי הכוחות והעקרונות שעל פיהם מתארגנים מבנים תאיים שונים יתרום לא רקלהבנה עמוקה של תהליכים ביולוגיים בסיסיים, אלא גם לזיהוי הגורמים העומדים בבסיס מחלות, ולהגדרת נקודות קריטיות אליהן ניתן לכוון טיפולים רפואיים ותרופות חדשות.

 

 

 

 

 

 

...ישנם עתיקים שיינם משומר -
נקשיב אליהם בבלי נוע

 

מילים: חיים חפר

לחן: משה וילנסקי

 

לפני מיליארדי שנים, כאשר האורגניזמים החד-תאיים התחילו להשתלט על כדור הארץ והחיים היו פשוטים, ייתכן שעולם החי התבסס על אר-אן-אי, אותן מולקולות חד-גדיליות, המוכרות כיום בעיקר כ"שליחים" אשר מעבירים את המידע הגנטי ממולקולות הדי-אן-אי שבגרעין התא אל הריבוזומים שמייצרים על-פיהן חלבונים. באחרונה מתרבים המחקרים התומכים בתפיסה, שהאר-אן-אי מילא תפקיד מרכזי בחיי התא בזמנים ההם. היום, חלבונים מתמחים מפעילים את רוב פעילויות התא באמצעות הפעלת גנים וחלבונים אחרים. אבל מתברר שהאר-אן-אי, על-אף מבנהו הפשוט, יכול לקחת על עצמו חלק גדול מהפעילויות של בקרת תהליכי החיים בתא.

 

אחד הסוגים המעניינים ביותר של אר-אן-אי המסוגל לבצע תהליכי בקרה הוא, למעשה, מתג ("ריבו-מתג"). אלה הם מקטעי אר-אן-אי שיכולים לפעול ישירות על הגנים. הם חשים רמות של חומרים - בדרך כלל מולקולות קטנות כמו ויטמינים - ופותחים וסוגרים את תהליכי הייצור של החומרים האלה. המתגים האלה נוצרים יחד עם האר-אן-אי שנוצר בתהליך ההתבטאות של הגנים של החומרים האלה. המכניקה שלהם בסיסית: כאשר חישן הכלול במתג מזהה רמה מספיקה של חומר, החלק הסמוך לחישן משנה את צורתו, ובכך הוא מונע את תרגום המידע שהאר-אן-אי נושא לחלבון. כ-12 ריבו-מתגים התגלו עד כה בחיידקים, והם שולטים על שלושה אחוזים מהגנים החיידקיים. בצמחים, ובחיידקים המייצרים תיאמין (ויטמין B1), התגלה ריבו-מתג המבקר את ייצור הוויטמין החיוני הזה. ריבו-מתג זה נחקר באחרונה על-ידי תלמיד המחקר שמואל בוקובזא וד"ר אסף אהרוני, מהמחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן למדע. המדענים גילו שמתג אר-אן-אי זה, הממוקם באופן חריג בסוף הגן, ולא בתחילתו, משפיע על תהליך הקרוי איחוי אלטרנטיבי. בדומה ל"גזירה והדבקה" של תמלילים במחשב, מנותקים קטעים בודדים של די-אן-אי, הנושאים  מידע חיוני לבניית חלבון (המופרדים זה מזה במקטעים ארוכים שהם חסרי מידע), מהרצף הכולל, ומוצמדים זה לזה כך שנוצר רצף הנושא מידע משמעותי שלפיו נבנה החלבון. למעשה, אפשר לשלב את המקטעים נושאי המידע בסדר שונה, וכך ליצור "משפטים" שונים שיגרמו לייצור חלבונים שונים. תהליך ה"עריכה" הזה קרוי איחוי אלטרנטיבי.

 

תהליך האיחוי האלטרנטיבי התפתח והופיע בשלב האבולוציוני שבו הופיעו גם גרעין התא וקטעים ארוכים של די-אן-אי שאינם מקודדים מידע בעל משמעות; כלומר, בשלב שבו אבולוציית האורגניזמים החד-תאיים הגיעה כבר לשלבים מתקדמים יחסית. לכן, הריבו-מתג שמצוי בצמחים, וממלא תפקיד בייצור תיאמין (ויטמין B1) תוך מעורבות בתהליך האיחוי האלטרנטיבי, עשוי להיות בעל תכונות ייחודיות, השונות מתכונותיהם של הריבו-מתגים החיידקיים. ריבו-מתג התיאמין יוצר אחת משתי גרסאות של המידע המקודד בגן התיאמין. כשרמת הוויטמין בגרעין התא נמוכה, מתחת לסף מסוים, הריבו-מתג אינו מבחין בה, ולכן הוא מפעיל את מערכת העריכה שגוזרת ומדביקה גדיל של אר-אן-אי שליח שמוביל לייצור מולקולות תקינות של הוויטמין. לעומת זאת, כאשר המתג מבחין ברמה גבוהה של הוויטמין, הוא משנה את תהליך האיחוי, כך שבתהליך העריכה ייווצר אר-אן-אי לא יציב, שמתפרק, דבר שגורם להפסקת הייצור של הוויטמין. כך מצליח תא הצמח להחזיק יד על הברז ולשמור על רמה מתאימה של ויטמין B1 (רמות גבוהות מדי או נמוכות מדי של ויטמין זה עלולות לגרום נזק לצמח).

 

האם הריבו-מתג הוא שריד אבולוציוני עתיק? המדענים שביקשו לענות על השאלה הזאת חיפשו ריבו-מתגים בצמחים שונים, מהמינים העתיקים ביותר של צמחי היבשה ועד לצמחים הפורחים הצעירים יחסית. הם מצאו, שהמינים הוותיקים יותר נשאו העתק שני של ריבו-מתג בגן נוסף. נראה שבמהלך האבולוציה, לפני כ-400 מיליון שנה, העותק השני הזה לא הצליח לשרוד. "התגלית הזאת", אומר ד"ר אהרוני, "תומכת ברעיון שעולם האר-אן-אי הקדום הפך, לאט לאט, למערכת בקרת גנים משוכללת שמופעלת על-ידי חלבונים, המוכרת לנו כיום". ממצאי המחקר פורסמו באחרונה בכתב העת Genes and Development  .

 

המנגנון העתיק של הריבו-מתג עשוי "לעשות Come Back" היישר לתעשיית הביו-טכנולוגיה העתידית. ד"ר אהרוני ושמואל בוקובזא עיצבו גנים מדווחים - שהחלבונים שהם מייצרים זוהרים, ובכך מדווחים על קיומם ומיקומם - המגיבים לרמות של ויטמין B1 ממש כמו הריבו-מתג. כשהגנים המדווחים האלה הוחדרו לתאי הצמחים, הם נדלקו בכל פעם שרמות הוויטמין ירדו. שילובים כאלה של גנים מדווחים וריבו-מתגים עשויים להוביל לעיצוב חישנים ביולוגיים למטרות שונות, בתחומי התעשייה, המחקר והביטחון.

 

 

 

לא כולם מעריכים אותה, אבל ביורוקרטיה היא מנגנון נחוץ לשמירה על התיפקוד התקין של החברה: ועדות-על מרכזות את עבודתם של משרדים ממשלתיים, אשר בתורם מפקחים על פעילות אגפים, מחלקות ועובדים יחידים, כאשר ועדות חקירה מתמנות לחקירת כשלים. כל אלה יוצרים ארגון מסועף, בעל קשרי-גומלין מורכבים. היצורים החיים פיתחו גם הם, במהלך האבולוציה, היררכיה רב-שכבתית המפקחת על פעילות המטען הגנטי שלהם. רשת הבקרה הגנטית הזו יוצרת מנגנון קפדני ורגיש, האחראי להפעלת הגנים הנכונים בזמן הנכון.

 

הרמה הנמוכה של ביורוקרטיית התא כוללת את "גורמי השיעתוק", שהם חלבונים אשר מפקחים על תהליך השיעתוק, כלומר, על ייצורן של מולקולות אר-אן-אי על פי המידע האצור בדי-אן-אי. המולקולה הנוצרת בתהליך זה, הקרויה אר-אן-איי-שליח, יוצאת מתוך גרעין התא אל החלל התוך-תאי, בו מצויים מפעלי החלבונים - הריבוזומים - המתרגמים את המידע הגנטי ויוצרים על פיו את החלבונים.

 

שרשרת ביורוקרטית של תהליכי בקרה מלווה את התהליך הזה לכל אורכו, כך שייצור החלבונים יכול להיעצר בכל אחד משלבי הדרך. אחד מהגורמים המבקרים הוא קבוצה של מולקולות מיקרו-אר-אן-אי (microRNAs). מולקולות אלה, שזוהו רק באחרונה, מורכבות מרצפים קצרים מאוד של אר-אן-אי, ותפקידן במערך הבקרה הוא השתקת האר-אן-אי-שליח. מולקולות המיקרו-אר-אן-אי מזהות אתר מטרה על גבי האר-אן-אי-שליח, נצמדות אליו הודות להתאמה ברצף הבסיסים של שתי המולקולות - ובכך בולמות את תהליך ייצור החלבון.

 

ד"ר יצחק פלפל מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, פרופ' משה אורן מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא, ותלמידי המחקר רעות שלגי ודניאל לייבר, ביקשו להבין את "המבנה הארגוני" של רשת הבקרה, הכוללת את הגנים, את גורמי השיעתוק ואת מולקולות המיקרו-אר-אן-אי. הם ניתחו נתונים של קשרי הגומלין בין אלפי גנים, מאות מולקולות מיקרו-אר-אן-אי ומאות גורמי שיעתוק. באמצעות תוכנת מחשב מורכבת הם ניסו לקבוע את מבנה הרשת השלמה, לאפיין את תכונותיה העיקריות, ולאתר "מבנים משניים" המשובצים בתוך מבנה הרשת הכללי. "מוטיבים חוזרים" אלה, צירופי מרכיבים שמופיעים ברשת שוב ושוב, העניקו למדענים רמזים חשובים באשר לדרך הפעולה של הארגון הגנומי. ממצאיהם פורסמו באחרונה בכתב העת PloS Computational Biology.

 

המדענים הצליחו לגלות ברשת שני סוגי מבנים. בקבוצה הראשונה כלולות שתי מולקולות מיקרו-אר-אן-אי הפועלות במשותף כדי להשתיק גן או קבוצת גנים. ד"ר פלפל משווה את המבנים מהסוג הזה למערכות אוטומטיות מתקדמות: "הדבר דומה למערכת שמסוגלת לנטר שני פרמטרים שונים, כמו למשל מערכת קירור אוטומטית הבודקת טמפרטורה ולחות, ומפעילה את המנוע רק כאשר שניהם גבוהים. באופן דומה, ייתכן שמבנים משולבים של מיקרו-אר-אן-אי מאפשרים לתאים לקבל החלטות המבוססות על יותר מסוג אחד של מידע".

 

קבוצה שנייה של מבנים כללה צמדים של גורם שיעתוק ומיקרו-אר-אן-אי. בחלק מהמבנים האלה היו גורמי השיעתוק נתונים לבקרת המיקרו-אר-אן-אי, ובאחרים התהפך סדר הבקרה, וגורמי השיעתוק ביקרו את פעילות המיקרו-אר-אן-אי. בחלק מהצמדים הייתה הבקרה הדדית, ופעלה בשני הכיוונים. בהמשך בדקו המדענים את משמעות הממצאים שלהם ברקמות ובאיברים, וגילו כי רמה גבוהה של מיקרו אר-אן-אי מסוג מסוים מלווה ברמה גבוהה של גורם השיעתוק המתאים באותה רקמה או איבר. המדענים סבורים, שלצמדים המורכבים מגורם שיעתוק ומיקרו-אר-אן-איי נודעת חשיבות גדולה בתהליכי התפתחות. "ההתפתחות תלויה בהפעלת קבוצות של גנים בתיזמון מדויק, מה שעלול לחייב רמות שליטה נוספות", אומרת תלמידת המחקר רעות שלגי. "כדי לאפשר את התיאום ההדוק בין הפעלת גנים והשתקת גנים, ייתכן שנוצר מעין מנגנון השהיה, אשר סוגר את קו ייצור החלבונים תוך פרק זמן מחושב לאחר תחילת פעילותו".

 

ממש כפי שמעקב אחרי פתקים ומיזכרים עשוי לחשוף את מוקדי הכוח בארגון ביורוקרטי, כך הכרת מפת יחסי הגומלין בין המרכיבים השונים של רשת הבקרה הגנטית תסייע למדענים להבין את תיפקודו של הגנום. ממצאים אלה עשויים לקדם מחקרים רבים בתחומים שונים, בעיקר בביולוגיה התפתחותית, וכן מחקרים העוסקים במחלות שבהן מעורבות קבוצות גנים.

רוב "השתקות הגנים" (כלומר עצירת תהליך יצירת חלבון על-פי גן מסוים), שמתחוללות לאחר סיום שלב השיעתוק, אינן נגרמות על-ידי חלבונים, אלא על-ידי אר-אן-אי. תגלית מפתיעה זו זיכתה את אנדרו פייר וקרייג מלו בפרס נובל בפיסיולוגיה או רפואה לשנת 2006. למעשה, פרויקט המיפוי והפיענוח של גנום האדם הראה, שרק כאחוז אחד מהדי-אן-אי שבגנום האדם מקודד לייצור חלבונים. חלק גדול מ-99 האחוזים הנותרים משועתק למולקולות אר-אן-אי הקרויות בשם הכללי "אר-אן- אי בלתי-מקודד". מולקולות אלה משתתפות בבניית מבנים תאיים חשובים, כמו הריבוזום, או ב"וועדות הביורוקרטיות" המבקרות את הפעילויות השונות בתא. גורמים מבקרים אלה כוללים מולקולות אר-אן-אי קטנות המתערבות בתהליכים שונים (small interfering RNA - siRNA), ומיקרו-אר-אן-אי. עד היום זוהו כ-500 מולקולות מיקרו-אר-אן-אי שונות, אך המדענים סבורים כי מספרן הכולל מגיע לכאלף, וכי הן משפיעות על ביטויים של אלפי גנים.

 

*מיקרו-אר-אן-אי (microRNA): מולקולות קצרות וחד-גדיליות של אר-אן-אי, המבקרות את פעילותם של גנים שונים באמצעות השתקת האר-אן-אי-שליח לאחר שיעתוקו.