היופי במדע: ERC חלק 1 - גלריה

סקרנות שאינה יודעת שובע היא אחת מתכונותיו הבולטות והייחודיות של האדם, והיא אשר עומדת בבסיס הדחף שלנו לחקור, לגלות ולהמציא. תכונה זו היא שורש הצלחתו של המין האנושי בהסתגלות לתנאֵי חיים קיצוניים, בקריאת תיגר על מחלות, בהארכת תוחלת החיים, בצבירת יֶדע במהירות, ובה בעת בשינוי ובשיפור תדירים של הסביבה שאנו חיים בה.

מתוך ההכרה בהשפעתו העמוקה של המחקר המדעי, כמעיין שממנו נובע נהר הקידמה והרווחה, הוקם מכון ויצמן למדע, במטרה להרחיב את גבולות הידע, למען רווחת האדם. מחקר המוּנע ברוח הסקרנות מקשר בין ערכי הליבה המשותפים למכון ויצמן למדע ול-ERC. שני הארגונים שואפים אל השמיים הפתוחים, הכחולים, אל מעבר לטווח הנראה לעין. בכוונו אל הלא-נודע מוביל המחקר המדעי לתגליות בלתי-צפויות, השופכות אור על טבע היקום, על לידתם של כוכבים ומותם, ועל סודות החיים וגורמי מחלה.

מאז הקמתה לפני 10 שנים הותירה תוכנית ERC חותם משמעותי לאין שיעור על המחקר המדעי באירופה בכלל ובמכון ויצמן למדע בפרט. למעשה, כיום קשה לדמיין את העולם המדעי בלעדי התוכנית השאפתנית ורבת-ההישגים הזאת. הודות למימון הנדיב שהיא מעניקה, איפשרה תוכנית ERC ל-96 מדענים ממכון ויצמן למדע, בכל שלבי הקריירה שלהם, ליטול סיכונים ולצאת למסעות מאתגרים והרי-סיכון – וסיכוי – אל הלא-נודע, במטרה להגיע להישגים משמעותיים שאי-אפשר היה להגיע אליהם בדרכים אחרות.

ההיסטוריה מוכיחה, כי השאיפה לידע בסיסי היא מסע שלעיתים מוביל לרעיונות, לתגליות ולהמצאות שאפשר לתרגמם ליישומים לרווחת האדם. התמיכה הנוספת שמעניקה תוכנית הוכחת היתכנות של ה-ERC היא מודל חדשני שאנו מקווים שיאמצו גם רשויות נוספות, שכן הוא מקדם את תרגום הידע ליישומים חדשים – אך לא על חשבון ליבת העשייה המדעית: מחקר בסיסי.

בשם מכון ויצמן למדע אנו מברכים את ה-ERC על 10 השנים הראשונות של תמיכה יוצאת דופן במסע המתמשך של האנושות בעקבות הידע.

להורדת קובץ pdf

שכבת הגנה העשויה מפולימר הקרוי קוטין מצפה את המשטחים החיצוניים של עלים ועלי כותרת, והיא הממשק העיקרי של הצמח עם האוויר. פרופ' אסף אהרוני שותפיו למחקר גילו, שכאשר משתיקים את האנזים DCR, לא נוצרים המבנים דמויי-הספגטי, הידועים בכינויים "רכסים קוטיקולריים", על שטחם של עלי הכותרת (הנראים בתמונות מימין). בתמונה משמאל, האנזים לא הושתק – והרכסים הקוטיקולריים מופיעים. צולם במיקרוסקופ אלקטרונים סורק.

בתמונה: עיוות של טבעות ספיחה על-ידי כוכבים משנה את כיווניות הטבעת באופן אקראי (הנקודה הכחולה; המסלול מופיע כקו כחול בהיר). פרופ' טל אלכסנדר ושותפיו למחקר אומרים, שדבר זה משפיע על ציר הסיבוב של החור השחור המסיבי שבמרכז, באמצעות משיכת החלל-זמן שסביבו (על-פי תורת היחסות הכללית של איינשטיין). כתוצאה מכך, ציר הסיבוב של החור השחור מנסה "להדביק את הפער" עם כיווניות הטבעת (הנקודה האדומה; המסלול מופיע כקו ורוד). "משחק תופסת קוסמי" זה עשוי להסביר פיתולים וכיפופים שנצפו בסילוני גלי הרדיו שפולטים חורים שחורים מסיביים לחלל הבין-גלקטי לאורך ציר הסיבוב שלהם.

במהלך האבולוציה מתחולל תהליך של אופטימיזציה בתכונות שונות, דבר שקובע את סיכויי ההישרדות של המין. תכונה מסוימת, כגון צורת המקור, רוחב הראש או משקל הגוף, עשויה להיות מיטבית לביצוע משימה אחת, אך לא יעילה לצורך ביצוע משימות אחרות. פרופ' אורי אלון ושותפיו
למחקר מצאו, כי הברירה הטבעית מכתיבה שקלול תמורות בין תכונות שונות. השקלול, אשר מיוצג באיור באמצעות משטח משולש בצבע כחול בהיר, נקבע על-פי עקרון פָּארֶטוֹ, אשר קובע את החלוקה המיטבית של משאבים בכלכלה ובתכנון הנדסי.

פרופ' עידו עמית ושותפיו למחקר מפתחים שיטות להבנת התא הבודד בהקשר הטבעי שלו – תאים, רקמות, איברים, והאורגניזם השלם. שיטות אלה, שכוללות ריצוף במקביל של אר-או-אי מאלפי תאים, חושפות את השונות בתאים זהים-לכאורה ואת היחסים בין התאים. בתמונה: זרימת המידע (מתאים בודדים), ופירמידה של תאים ממוינים, עם תא גזע בקודקוד.

תאי הזרע בזבוב תסיסה בוגר מופרדים אלה מאלה באמצעות "מכונה" מולקולרית (מסומנת בצהוב) אשר נעה על גבי התאים, מהראש אל הזנב. תנועתה מתאפשרת הודות לאנזימים הרסניים, הקרויים "קספזות", אשר חותכים חלבונים שונים, כגון חלבוני שלד התא, ובכך מאפשרים את פינוי רוב הציטופלסמה ורוב אברוני התא, לשם קבלת תאי זרע המותאמים לתנועה. פרופ' אלי ארמה ושותפיו למחקר גילו מנגון המבקר את התהליך.החלבון S-A בטא, אשר נמצא על-פני השטח של אברונים הקרויים "מיטוכונדריה", נקשר למכונה מולקולרית אחרת, ממשפחת "ליגזות היוביקוויטין", אשר מפעילה את הקספזות. הקישור לחלבון ה-S-A בטה מגביל את הפעלת הקספזות לאיזור המיטוכונדריה. ללא מנגנון בקרה זה, היו כל הקספזות מופעלות בבת אחת, והן היו הורגות את תא הזרע או גורמות הרס לא רצוי בתאים.

בשלב מסוים בתהליך חלוקת התא, לפני התפצלותו לשני תאי-בת, הוא מכיל כמות כפולה של גנים. היות שהתהליך אינו מתבצע בעת ובעונה אחת בכל הגנים, ההכפלה עלולה ליצור חוסר איזון בין ביטוי של גנים אשר מתבטאים בשלבים מוקדמים לבין גנים אשר מתבטאים בשלבים מאוחרים, ועלולות להיות לכך השלכות מזיקות. פרופ' נעמה ברקאי ושותפיה למחקר גילו, כי בנבגי שמרים, תג כימי ששימש לסימון ה-DNA המשוכפל מסייע למנוע את ההפעלה שלהם. בגרף נראה תהליך זה לאורך זמן: בשמרים חסר תג, שיאי הביטוי של RNA שליח מופיעים יחד עם סינתזה של DNA

סיווג טופולוגי של חומרים חולל בעשור האחרון שינויים מהפכניים באופן תפיסתנו לגבי תכונותיהם של חומרים. חומרים טופולוגיים מתאפיינים בתכונות אלקטרוניות אקזוטיות המתקיימות על פני השטח שלהם. ד"ר חיים ביידנקופף ושותפיו למחקר השתמשו במיקרוסקופ מינהור סורק, ובחנו את פני השטח של המתכת-למחצה טנטלום ארסני, שאפשר לסווגה באופן טופולוגי. באמצעות התאבכות של אלקטרונים על פני השטח (סגול ולבן) הם הצליחו לאפיין ייצוג חזותי של מצבים טופולוגיים (אלקטרוניים פתוחים) הקרויים "קשתות פרמי" – ולהראותם.

באיזור המוח הקרוי היפותלמוס אפשר למצוא מעגלים עצביים המשותפים הן לבקרת מאזן האנרגיה והן לבקרת התגובה לעקה (תחושת "לחץ"). פרופ' אלון חן ושותפיו למחקר הראו כי קולטן של החלבון CRG המופרש במוח כתגובה לעקה, משמש באוכלוסיית תאים מסוימת כמעין בלם: הוא מסייע לתאי העצב במוח להשתמש באופן מיטבי במאגרי האנרגיה ב"זמנים קשים", כגון בעת צום או חשיפה לקור. בדגימה זו של מוח עכבר מסומנים בירוק תאי העצב אשר מבטאים את הקולטן ל-CRF.

הוכחות קידוד גמישות הן שימושיות מאוד עבור מיחשוב בענן. פרופ' אירית דינור ושותפיה למחקר תיארו קידוד הוכחות (PCPs) בעלות גמישות רבה. הוכחות אלו ניתנות לאימות הסתברותי באמצעות בחינת מספר קבוע של מקומות. למשל, בעת ביצוע פעולה בנקאית מורכבת בטלפון סלולרי, השרת יכול לבדוק את שלמותה של הפעולה במהירות יחסית, באמצעות PCP. רעיון מרכזי הוא שבירה של ההוכחה לחלקים – ביתר - ולאחר מכן שימוש בקידוד רקורסיבי על כל חלק, כפי שמוצג באיור.

דימות של עצמים קטנים, כמו ננו גביש, נגיף או אפילו מולקולה בודדת, הוא אתגר משמעותי בתחומי מחקר רבים. אלא שהאפשרות לקבל תמונה בשיטות אופטיות מוגבלת על-ידי אורך הגל של האור. רזולוציה גבוהה יכולה להתקבל באמצעות פיזור קרני X (רנטגן) מהאובייקט. האתגר בשיטה זו הוא שיחזור הצורה המרחבית של האובייקט על-פי תבנית הפיזור של הקרינה. פרופ' נירית דודוביץ, פרופ' דן אורון, פרופ' בועז נדלר ושותפיהם למחקר רשמו פריצת דרך שמאפשרת את שיחזור צורת האובייקט מצילום בודד. בתמונה נראית תבנית הדיפרקציה (פיזור) המתקבלת מאור אשר עובר דרך שתי אותיות – ש' ו-פ'.

אחרי דיאטה, משקלם של אנשים רבים חוזר ועולה. אך תופעה זו מלווה במנגנון חמור עוד יותר: במקרים רבים, עם כל חזרה לעודף משקל, עולה המשקל אל מעבר למשקל העודף של מחזור ההשמנה הקודם. ד"ר ערן אלינב, פרופ' ערן סגל ושותפיהם למחקר גילו, כי מנגנון ההשמנה החוזרת מושפע משמעותית מחיידקי המעיים, וכי אפשר לשנותו באמצעות התערבות בהרכב ובתיפקוד של אוכלוסיית החיידקים האלה. בתמונה: העקומות (משחור ועד כחול) מראות כי משקלם של עכברים עלה באופן הדרגתי עם כל סבב השמנה-דיאטה.

ד"ר אילת ארז ושותפיה למחקר גילו כי אנזים הקרוי Ass1 אשר ממלא תפקיד במעגל האוריאה בגוף, מבוקר שלילית במעיים, בתהליך השגשוג. במסגרת המחקר גילו המדענים, כי בקרה שלילית זו עשויה לשרת גם תאים  סרטניים, ולתרום להתפשטותם. בתמונה: Ass1 מופיע כנקודות ירוקות במעי של עכבר מהונדס גנטית.

כיצד יודע תא מה גודלו ועד כמה עליו להוסיף ולגדול? פרופ' מייק פיינזילבר ושותפיו למחקר גילו מנגנון אשר מסייע לתאים גדולים "למדוד" את אורכם ואת גודלם – באמצעות מנועים מולקולריים אשר נעים לאורך סיבי השלד התאי. הם הראו, שלצורך פעילותו נדרש למנגנון זה חלבון אשר מאפשר
כניסה לגרעין, וממוקם בתוך התא יחד עם המנוע המולקולרי (הנקודות האדומות מצביעות על המיקומים המשותפים).

תצלום מתוך מודל דינמי אשר מראה את שלוש תת-היחידות של החלבון למינין(בכחול, אפור וסגול), בעודן עוטפות זו את זו ליצירת שלד החלבון. למינין הוא חלבון סיבי המסייע להקנות מבנה למרקם הבין-תאי אשר עוטף תאים בגוף ותומך בהם. כדי ליצור את המודל הדינמי השתמשו פרופ' דבורה פאס וגד ערמוני בקשרי צילוב (בוורוד וירוק), אשר הראו את הקירבה בין חלקי מבנה שונים.

ד"ר עפר פירסטנברג ושותפיו למחקר מבצעים ניסויים שבהם פוטונים – חלקיקי האור שבדרך כלל אינם מגיבים זה עם זה – מצומדים לאטומים, וכך מתאפשרת יצירת אינטראקציה חזקה ביניהם. בתמונה נראות תופעות חדשות אשר עשויות להיווצר בניסויים אלה, כמו למשל יצירת גבישי אור. מחקר זה עשוי להוביל גם ליישומים חדשים, כגון שערים לוגיים המבוססים על אופטיקה בלבד עבור רשתות של מחשבים קוונטיים.

חלבונים על פני השטח של חיידקים, נגיפים וטפילים יכולים לשמש חיסונים אשר מונעים הידבקות או התפתחות של מחלה. אך בחלק גדול מהמקרים, חלבונים אלה אינם יציבים די הצורך, ותהליך הפקתם יקר. באמצעות אלגוריתם שפיתחו, הצליחו ד״ר שראל פליישמן, עדי גולדנצוויג, ושותפיהם למחקר, לעצב גירסה משופרת של חלבון הנמצא במעטפת של הטפיל הגורם מלריה. בתמונה זו של החלבון, המקטעים שבהם בוצע שינוי מסומנים בכדורים כתומים. החלבון המשופר עמיד לחום, והוא פשוט וזול להפקה.

פרופ' לוסיו פרידמן ושותפיו למחקר משתמשים בשיטה הקרויה קיטוב גרעיני דינמי עם התפרקות: טבלייה קריוגנית (קרה מאוד), המכילה את דוגמת החומר הנבדק, עוברת קיטוב-על ומוזרקת בטמפרטורת החדר לתוך הגוף, במטרה לנטר סרטן ותהליכים פיסיולוגיים נוספים. שיטות של ספקטרוסקופיה אולטרה-מהירה שפיתחו המדענים מאפשרות להם לקבל תמונות תלת-ממדיות באמצעות דימות בתהודה מגנטית(MRI) של התוצרים המטבוליים, בזמן הקצר (פחות משנייה) אשר נחוץ כדי לאפיין את התהליכים. תמונה זו התקבלה באמצעות שיטה זו, מכבד ומכליות של עכבר. השילוב של MRI אולטרה-מהיר עם dDNP  עשוי לאפשר מעקב אחר טיפולים במחלת הסרטן ושינויים מטבוליים אחרים בגוף, תוך פולשנות מעטה.

גילוי סופרנובה (כוכב מתפוצץ) בגלקסיה סמוכה, באמצעות סקר שמיים רובוטי במצפה הכוכבים פאלומר, שלוש שעות בלבד לאחר הפיצוץ, יצר עבור אסטרופיסיקאים, ובהם פרופ' אבישי גל-ים ושותפיו למחקר, הזדמנות נדירה ללמוד על היווצרות סופרנובה. תצפיות ספקטרוסקופיות באמצעות טלסקופ המוצב בהוואי חשפו את ספקטרום הקרינה שנפלט מחומרים אשר הועפו לחלל זמן קצר לפני התפוצצות הכוכב. מניתוח התצפיות עלה, שהכוכב היה לא-יציב במשך שנה לפחות טרם התפוצצותו. מידע זה יאפשר הבנה מעמיקה יותר של תהליכי הפיצוץ של כוכבים כבדים.

אילו מכלולים חלבוניים משתתפים ביצירת נקודות המגע אשר מאפשרות לתאים לעגן את עצמם במרחב, או לנוע, ו"לחוש" את סביבתם? פרופ' בני גיגר, פרופ' מיכל שרון ושותפיהם למחקר, זיהו סוג חדש של מבנים חלבוניים, אשר מורכבים מתת-יחידות המשתתפות ביצירת סיבי האקטין ורכיבי ההיצמדות של תאים חיים אל המרקם הבין-תאי שסביבם.בתמונה מודגם כיצד ביטוי יתר של Arpc1b, רכיב אחד המעורב בהרכבת השלד התאי (באדום), מפריע ליצירת נקודות המגע (בירוק); קנה-מידה: 10 מיקרון.

מודלים של דעיכה (של ויטאקר) בעבודתם של ד״ר דמיטרי גורביץ ושותפיו למחקר קשורים בקשר הדוק למקדמי פוּרְיֶיה של צורות אוטומורפיות המשמשות בתורת המספרים האנליטית ובתורת המיתרים. שתי תיאוריות אלו הן הכללות של טור פוּרְיֶיה קלאסי. מאז שהוצגו, לפני כ- 200 שנה, יש לטורי פורייה יישומים רבים ומגוונים במתמטיקה ובפיסיקה. הנוסחה שמופיעה כאן מתארת את הקשר בין המודלים של ויטאקר לבין מושג חשוב נוסף בתורת הייצוג של קבוצות רדוקטיביות אמיתיות: ייצוג קבוצה מסוג חזית גל.

חיידקים אשר חיים במקומות המתאפיינים במחסור בחמצן, למשל מתחת לקרקעית האוקיינוס, "נושמים" גופרית, וממלאים תפקיד חשוב במחזור הפחמן של כדור הארץ. בתמונה מוצגים מודלים שפיתחו ד"ר איתי הלוי ושותפיו למחקר, אשר נועדו לחיזוי ריכוזיהם של חומרים שונים בתאי החיידקים הנושמים גופרית, ולייחוס תנאי הגידול שלהם להעדפותיהם ביחס לאיזוטופ הקל של גופרית.

כיצד יודעים תאי גזע עובריים איך ומתי להפסיק להיות תאי גזע, ולהתחיל להתמיין ו"לבחור לעצמם עיסוק קבוע"? ד"ר יעקוב חנא ושותפיו למחקר זיהו מולקולה שהם קראו לה Mettl3  אשר פועלת על אר-אן-אי שליח, תוך שהיא משתיקה גדילים אשר גורמים להשארת תאי הגזע העובריים במצבם ה"בראשיתי". עוברי עכברים חסרי Mettl3 לא הצליחו לפתח איברים ורקמות שלמים, ותאיהם התמיינו באופן חלקי בלבד.

באיור מתוארת התלות ההדדית של תרחישי ההתנהגות בתוכנית מחשב עבור משחק איקס עיגול: תרחישים שתלויים זה בזה מחוברים באמצעות קשתות. תיכנות מבוסס- תרחישים, שיטה חדשה שפיתחו פרופ' דוד הראל ושותפיו למחקר, מבוסס על ביצוע מקבילי של תרחישים המייצגים התנהגויות שמערכת חייבת לבצע, יכולה לבצע או אסור שתבצע, והיא משמשת לבניית מערכות מורכבות, כגון רובוטים תעשייתיים ומיכשור רפואי. האיור לקוח ממאמר שמתאר גירסה אדפטיבית של השיטה, המתאפיינת ביכולת את עצמה, ולכן היא מעניקה למערכת את היכולת "לבחור בחוכמה" את צעדיה.

כאשר מודדים את מסלולו של חלקיק קוונטי, החלקיק מתנהג כמו חלקיק קלאסי. תהליך זה נקרא "איבוד מופע" (dephasing ) באמצעות זיהוי, או צפייה במסלול (which-path) כדי להשיב לחלקיק את ההתנהגות הקוונטיתשאיבד, יש "למחוק" את המידע שצבר בזיהוי. באיור זה, שהוא חלק ממחקריהם של פרופ' מוטי הייבלום ושותפיו למחקר, נראות תוצאות של "מחיקה קוונטית" בהתקן אלקטרוני מזוסקופי – בטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט. הקו האנכי הלבן חוצה את תבנית ההתאבכות (אזורים בהירים וכהים) אשר משקפת את "התאוששות" ההתנהגות הקוונטית, בעוד הקו הלבן המקווקו הסמוך חוצה איזור של מערכת קלאסית (שבה אבדו התכונות הקוונטיות).

כאשר מתבוננים בתאי דם אדומים במיקרוסקופ אלקטרונים, מגלים כי הפעילות של גן ייחודי, הקרוי מיקרו אר-אן-אי 142 , נחוצה כדי לשמר את צורתם האופיינית. פרופ' ערן הורנשטיין ושותפיו למחקר מצאו, שבהיעדר אר-אן-אי 142 , נפגעים המבנה והתיפקוד של תאי הדם האדומים. המדענים הצליחו לתאר את המנגנונים המולקולריים הפועלים לשימור התיפקוד התאי והפיסיולוגיה התקינה. מסקנות המחקר תורמות להבנה המתגבשת, שלפיה מיקרו אר-אן-אי ממלאים תפקידים מרכזיים בשימור פעילות של תאים בוגרים בגוף.

ננו-אלקטרוניקה בקנה-המידה הקטן ביותר – זה של האלקטרון הבודד – מחייבת דיוק מרבי. פרופ' שחל אילני ושותפיו למחקר פיתחו שיטה לייצור ננו-צינוריות טהורות במיוחד, שאפשר לשלוט על תנועה של אלקטרונים בודדים בהן. תמונה זו עוקבת אחר אלקטרונים אשר עוברים דרך ננו-צינורית בתנועה, שהזרם בתוכה משתנה, ומראה את האפשרות לשלוט בתהליך באופן מלא.

דימות של מולקולות mRNA בודדות(נקודות אדומות)) ברקמת כבד חי מצביע על שינוי בדרגתי ברור ברמת ביטוי הגן pck1, אשר ממלא תפקיד מרכזי בתהליכי עיבוד גלוקוז בגוף. גנים אלה, שחוקרים ד"ר שלו איצקוביץ' ושותפיו למחקר, מבוטאים ברמה גבוהה בתוך אזור מסוים באוניות הכבד: ירוק: קרומים תאיים. כחול: גרעיני תא שנצבעו בצביעת DAPI (קנה-מידה: 30 מיקרון)

פרופ' ארנסטו יוסלביץ ושותפיו למחקר יצרו ננו-חוטים עשויים גליום ניטריד (GAN) אשר גדלים בצורה אופקית  על קוורץ. המבנה הגבישי של הקוורץ מנחה את צמיחת הננו-חוטים, ועיצובם מאפשר להעביר את המבנים שנוצרים מהם למצע אחר, ללא פגע. התמונות צולמו במיקרוסקופ אלקטרונים סורק.

פרופ' סטפן יונג ושותפיו למחקר חוקרים את תפקידם של תאים חיסוניים מסוג מונוציטים ופגוציטים חד-גרעיניים, אשר ממוקמים ברקמות, בשמירה על הבריאות, וכן את תרומתם להתמודדות עם אתגרים כמו דלקת או זיהום. בניסוי המתואר בתמונה הם בחנו בקרה של תאי מיקרוגליה – מקרופאג'ים במוח, שלמרות מצבם ה"שקט" בדרך כלל, ממלאים תפקיד בתהליכים דלקתיים. באמצעות עכברים מהונדסים הם חקרו את תפקידי הבקרה של מיקרו -RNA בשלבים השונים, ומצאו כי אלו מצמצמים את התגובה הדלקתית, וכי עם הזמן השפעתם זו עשויה להצטמצם. בתמונה נראה ביטוי גנים בעכברים אלו, כאשר חושפים אותם לרעלן (כחול – ביטוי נמוך, אדום – ביטוי גבוה).

החיים מבוססים על רשתות של חלבונים אשר מקיימים קשרי גומלין ביניהם. פרופ' עדי קמחי ושותפיה למחקר פיתחו מערכת ניסוי שבה חלבונים אשר משפיעים אלה על אלה, פולטים "ניצוצות" של אור. באיור נראות סדרות של פעילות גומלין בין חלבונים, שתוצאותיהן עשויות לגזור על התא חיים או מוות.

בתמונה: גוש של ננו-חלקיקים אשר "מתפוצץ" ומשחרר בתוך כך מולקולות שנלכדו בתוכו. גושים כאלה, אשר מורכבים במעבדתו של פרופ' רפאל קליין עם חשיפה לאור של חלקיקים ייחודיים, הופכים לננו-צלוחיות שבתוכן מתחוללות תגובות במהירות מפתיעה. ננו-צלוחיות כאלו עשויות לשפר הן את הקצב שבו מתבצעות תגובות כימיות והן את הבררנות שלהן.

נדמיין כדור המחולק מצפונו לדרומו במספר גדול אך סופי של קווי אורך. התוצאה: פרוסות דו-ממדיות, עבות יותר במרכזן מאשר בקצותיהן. דבר זה מבטא את עקמומיותו של הכדור. פרופ' בועז קלרטג ושותפיו למחקר גילו שאפשר לחלק כך כל משטח, בשני ממדים, בשלושה ממדים או אפילו יותר, והם הראו כיצד חלוקות כאלה מסבירות אי-שוויון איזופרימטרי במשטחים ובמרחבים מעוקמים.

סיכה ביולוגית, כמו זו הקיימת במפרקי הברכיים והירכיים שלנו, חייבת לפעול במשך שנים, תוך שחיקה והחלקה בלתי-פוסקות. סוד הצלחתה עשוי להיות פשוט כמו תוספת של מעט מים: פרופ' יעקב קליין ושותפיו למחקר גילו כיצד מערכות בעלות שכבות כפולות של ליפוזומים )תכלת( מחליקות זו אל מול זו בקלות, בשל קבוצות הקושרות מים אשר מצויות בראשי המולקולה. הבנת הדרך שבה הגוף מפחית חיכוך עשויה להוביל לפיתוח טיפולים טובים יותר בדלקת מפרקים ניוונית.

בתמונות אלו, שצילם לוויין של נאס"א במהלך שנת 2007 נראה עומק אופטי (AOD) של אירוסולים. צילומים אלו איפשרו למדוד את כמות החלקיקים המצויים באטמוספרה לאורך כמה חודשים, במצב נוזלי או מוצק כאחד. המלבנים מסמנים אזורים טהורים, בהם רמות האירוסולים הנפלטים לאוויר הן הנמוכות ביותר. פרופ' אילן קורן ושותפיו למחקר חקרו את התהליכים הפיסיקליים המתרחשים בתהליך היווצרות עננים "דַּלֵי אירוסולים" באזורים אלו, והעלו הסבר אפשרי לתופעות של עננות יתרה המתהווה בסביבות מזוהמות.

מחקרם של פרופ' ולרי קריז'נובסקי ושותפיו למחקר, חושף את יחסי הגומלין בין תאים מזדקנים (בירוק) לבין תאים אחרים. תאים מזדקנים הם תאים שעמידים למוות אך הפסיקו להתחלק. הם ממלאים תפקיד בעיכוב גידולים, אך גם יכולים להאיץ את תהליכי ההזדקנות. כאן נראים תאים מזדקנים אשר "מתַקשרים" עם תאים אחרים באמצעות יצירת צינוריות קטנות שמחברות בין קרומי התאים. רכיבי השלד התאי נצבעים באדום בשני סוגי התאים.

פרופ' ליאור קרוניק ושותפיו למחקר פיתחו שיטות חדשות לחיזוי מדויק של המבנה האלקטרוני של מולקולות וחומרים, על בסיס עקרונות ראשוניים. הגישה, שהם מכנים "כיוונון אופטימלי", פותחה במסגרת תורת פונקציונל הצפיפות. בתמונה: מסלולים של אלקטרונים שונים של מולקולת פטלוציאנין הנחושת (מימין) ערוכים על-פי רמות האנרגיה הצפויה שלהם, אשר מבוטאת כפונקציה של פרמטרים מספריים.

מכשירים אופטיים, כמו מיקרוסקופ, מוגבלים על-ידי אורך הגל של האור. מכשיר אופטי אבסולוטי, כגון זה שחוקרים פרופ' אולף ליאונהרדט ושותפיו למחקר, והוא מודגם כאן, עשוי להזריק גלי אור במקור אחד ולמקדם באופן מושלם במיקום הנכון של הדמות, ובכך להקנות, בתיאוריה, רזולוציה בלתי-מוגבלת.

לשם עריכת הגנום נחוצה יכולת לחתוך את הדי-אן-אי במקום הנכון, ולהכניס שם את הרצף המבוקש. פרופ' אבי לוי ושותפיו למחקר ביצעו ניתוח השוואתי של נוקליאזות שונות – אנזימים שחותכים גנים – באמצעות החדרת גן הלוציפראז לתוך עלי טבק. הצלחת פעולה זו נחשפה באמצעות שימוש בשיטת דימות אשר מתבססת על פליטת אור. בתמונה: B, A ו-D הם בקרות שליליות, C הוא נוקליאוזת טאלן, E הוא אצבע אבץ, F הוא בקרה חיובית. כפי שקורה לעיתים קרובות במדע, שיטה זו הוחלפה בשנת 2015 ב CRISPR-Cas-nuclease, שחוקרים פרופ' לוי ושותפיו למחקר. 

פרופ' ירון ליפמן ונועם אייגרמן פיתחו שיטה למיפוי פני-שטח של עצמים בעלי שלושה ממדים, על פני משטחים שטוחים דו-ממדיים – תוך שמירה על המאפיינים והתכונות הגיאומטריות, ועל הסימטריה. בתמונה: מיפוי פני הפסל "דוד" מעשה ידי מיכלאנג'לו, על-פני משטח דו-ממדי שטוח.

אחד המאפיינים של מחלת אלצהיימר היא היווצרות "פלאקים" של החלבון עמילואיד-ביתא במוח. ד"ר דוד מרגוליס ושותפיו למחקר פיתחו חישן אשר פועל כמעין "אף מולקולרי" זעיר שמאפשר לעקוב אחר שלבי היווצרות הפלאקים באמצעות יצירת אותות פלואורסצנטיים.

חלבונים נוטים לעבור שינויים נוספים לפני שהם מבצעים את פעילויותיהם בגוף. במחקר זה פיתחו המדענים שיטה חדישה לניטור שינויים שלאחר התרגום, באלפי חלבונים במקביל, תוך שמירה על ההקשרים הביולוגיים. כך גילו דגמים כלליים של מעורבות של שינויים (אשר מתחוללים לאחר התרגום) בבקרה על תהליכים תאיים בסיסיים, וכן בהתפתחות מצבי עקה ומחלה. בתמונה: ייצוג סכמטי של ניטור שינויים חלבוניים.

אדום, ירוק וכחול – באמצעות שלושה צבעים בסי־ סיים אלה אפשר ליצור "פָּאלֶטָה" שלמה. החדרת שילובים של חלבונים פלואורוסצנטיים בצבעים אלה לתוך מושבות חיידקים, מובילה ליצירת תמונה צבעונית שבאמצעותה יכולים המדענים ללמוד על מידת הצלחתן של מערכות הכוללות תהליכי ייצור של חלבונים מהונדסים. תמונה זו מצביעה על נקודות של חוסר שיווי-משקל שמערכות אלו יוצרות, ועל הדרכים שבהן הן מכווננות את ביטויין. בתמונה:מושבות של חיידקי E. coli במבנים לא מסודרים, באזורי  גבול עם מושבות אחרות. מושבות שבהן רמת הביטוי של החלבונים הפלואורוסצנטיים נמוכה, נראות שחורות.