כוחות משיכה

 

 

מה שלא הולך בכוח, הולך (רק לפעמים) ביותר כוח. גרסה מסוימת של הקביעה החברתית-פוליטית-מכנית הזאת מתקיימת גם במערכות ביולוגיות. היבטים מכניים של מערכות ביולוגיות מעסיקים את פרופ' שמואל (סאם) שפרן, מהמחלקה לחומרים ופני שטח שבפקולטה לכימיה, במכון ויצמן למדע. בניגוד לחומרים הכימיים, שהם גופים "מתים", החומרים הביולוגיים הם למעשה יצורים חיים ודינמיים, המסוגלים להגיב לכוחות מכניים המופעלים עליהם מהסביבה החיצונית. הכרת הפתרונות המכניים שהתפתחו במערכות ביולוגיות במשך מיליוני שנות אבולוציה, עשויה לסייע בפיתוח טכנולוגיות רפואיות מתקדמות. פרופ' שפרן וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה בוחנים, בין היתר, את מנגנוני ההיצמדות בין תאים למשטחים, או בין תאים למרקם הבין-תאי בגוף. יחסי הגומלין בין התאים למרקם הבין-תאי מזכירים לעיתים תחרות במשיכת חבל. כאשר המרקם הבין-תאי "מושך את החבל", הוא מותח למעשה סיבים המחוברים לשני צידי התא. בשלב הראשון של תגובתו, התא אומד את מידת המתיחה הנוצרת.אומדן זה מבוסס על כוחות המשיכה המופעלים על ה"דבק התאי" המחבר את התא לסביבתו. לאחר מכן, התא מפעיל את מנגנוני ההתכווצות שלו במידה מתאימה, "מושך את החבל לצדו", ומפעיל כוח נגדי על המרקם הבין-תאי. בסופו של דבר מגיעים שני הכוחות הנגדיים לאיזון.

 

עם זאת, היבטים מסוימים הנוגעים לתגובת התא לכוחות המופעלים עליו נותרו חסרי הסבר. כך, למשל, המדענים הופתעו לגלות כי כאשר המרקם הבין-תאי נמתח באיטיות, התאים מתארגנים במבנה מקביל לכיוון המתיחה, אך כאשר המתיחה נעשית במהירות, התאים מסתדרים במאונך לכיוון המתיחה. "הבנת התגובה התאית לכוחות חיצוניים חשובה בתחום הביולוגיה, כאמצעי להבין כיצד מתרפאים פצעים, כיצד גדלים השרירים או כיצד מתפתח גידול סרטני. בנוסף לכך, היא עשויה לסייע בפיתוח רקמות מלאכותיות", אומר פרופ' שפרן. "מחקרים אחרונים מראים, כי התמיינות תאי גזע, כמו תיפקודים תאיים אחרים, תלויה, במידת מה, בגמישות של המרקם הבין-תאי. אם לא נצליח להבין ולחזות בצורה כמותית את תגובת התאים, לא נוכל לשלוט בתכונותיהן של רקמות מהונדסות ולתכנן חומרים שיתאימו לצרכינו".

 

פרופ' שפרן וחברי קבוצת המחקר שלו, החוקרים הבתר-דוקטוריאלים ד"ר רומי דה וד"ר אסף זמל, הציעו באחרונה מודל תיאורטי פשוט אשר מסביר את ההבדלים בארגון התאים, ומאפשר לחזות את תגובתם לכוחות המופעלים עליהם על-ידי הסביבה. מחקר זה פורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Physics. שיתוף פעולה של החוקרים ממכון ויצמן עם ד"ר ראלף קמקמר, ממעבדתו של פרופ' יואכים ספאץ במכון מקס פלנק בשטוטגארט, גרמניה, הניב שורת ממצאים ניסויים העולים בקנה אחד עם החיזוי התיאורטי.

 

על-פי המודל שפיתחו, כאשר המרקם הבין-תאי נמתח באיטיות, לתאים ניתן מספיק זמן כדי לסדר את עצמם במקביל אליו, ולווסת את מנגנון ההתכווצות שלהם. כתוצאה מכך, הם מגיעים מוכנים ל"תחרות משיכת החבל", ומצליחים לאזן את כוחות המשיכה. לעומת זאת, כאשר המרקם הבין-תאי נמתח במהירות, אין לתאים די זמן להתארגן. הם "מוותרים מראש" על תחרות המשיכות, ומתארגנים במהירות בניצב לכיוון המתיחה, משום שבכיוון זה הוא אינו מסוגל להפעיל עליהם כוח. בצורה זו מופחת הלחץ המופעל בין שני הצדדים, והם עדיין מגיעים לאיזון, אם כי באופן שונה.

 

"המודל שלנו מביא בחשבון את התלות הקיימת בין כיוון ההתארגנות של התאים לבין גורם הזמן. בעתיד, אנו מקווים לפתח דרך לחשב ולחזות במדויק את הזווית שבה התאים יסתדרו, בהתאם למהירות בה מתרחשת המתיחה. מידע זה יאפשר למדעני החומרים העוסקים בהנדסת רקמות לקבוע במדויק את סידור התאים ברקמה, וכך לשלוט בתכונותיה", אומר פרופ' שפרן.