ראשי > אז מה עושים שם באוניברסיטה? > אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 3: על זאבים, ארנבים וחלבונים שמדכאים אחד את השני

אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 3: על זאבים, ארנבים וחלבונים שמדכאים אחד את השני

נפגשתי עם פַּאוֹ פוֹרְמוֹזַה-ז'ורדן (Pau Formosa Jordan) כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.

פאו הוא ספרדי-קטלוני יליד ברצלונה שבא לישראל לארבעה חודשים של התמחות לקראת סיום עבודת הדוקטורט שלו בביופיזיקה בקבוצה של פרופ' מרתה איבנז-מיגז (Marta Ibañes Miguez). הראיון התנהל באנגלית ואני תרגמתי כמיטב יכולתי. בברצלונה פאו הוא תיאורטיקן שבד"כ עובד עם עיפרון, נייר ומחשב. לישראל הוא בא כדי להתנסות בקבוצה של דר' דוד שפרינצק בפקולטה למדעי-החיים באוניברסיטת תל-אביב, שבה משלבים גם תיאוריה וגם ניסויים.

פאו הוא גם רקדן חובב ואוהב במיוחד מחול מודרני ולינדי הופ. בזמנו הפנוי בישראל הוא מצא קהילה תוססת של רקדנים משני הסוגים.

פאו, אז מה אתם עושים שם?

באופן כללי, אנחנו מעוניינים לחקור מערכות ביולוגיות, כגון רקמות של צמחים וחיות, בעזרת כלים שלקוחים מתחום הפיזיקה והמתמטיקה. חלבונים, שהם אבני הבניין של התא, מעניינים אותנו מאוד. אנחנו חוקרים למשל את הדינאמיקה שלהם בתוך התא בעזרת מודלים פיזיקאליים. גישה זאת יכולה לנפק מידע ותחזיות כמותיות ומדויקות שקשה לקבל מעבודה ביולוגית סטנדרטית.

אחת התופעות שאנו חוקרים היא סידור מרחבי של תאים ברקמה. בתחילת תהליך ההתפתחות של רקמה, כל התאים הם זהים, אך בהמשך הם מתמיינים לסוגי תאים שונים. למשל, ישנן רקמות שבהן חלק מהתאים יתמיינו לתאי עצב וחלק לא. אם נבחן את פיזור תאי העצב ברקמה, נגלה שהם מפוזרים באופן אחיד ובמבנה מסודר, כאשר תאי עצב אינם נוגעים אחד בשני (ראו איור).

שתי שאלות המפתח הן: כיצד נבחרים התאים שיהפכו לתאי העצב, וכיצד נשמר הסידור המרחבי במהלך תהליך ההתפתחות של הרקמה.


ריצוף הקסגונלי כתיאור סכמטי לסידור התאים ברקמה. המשושים האדומים מסמלים תאים שיהפכו להיות תאי עצב. המקור לתמונה: פאו.

האם התשובות לשאלות האלה ידועות?

בצורה חלקית כן, והן גם קשורות לאותו מנגנון.

הסידור מרחבי מהשאלה השניה רומז לנו שסוג מסוים של מידע חייב לעבור בין התאים. תא שמחליט להפוך לתא עצב צריך לתקשר ולתאם עם סביבתו כדי שהוא יהיה היחיד. וזה בעצם הנושא שאנחנו חוקרים: כיצד התקשורת בין התאים גורמת להיווצרות הסידור המרחבי ברקמה.

איך בעצם תאים 'מדברים' אחד עם השני?

השפה היא ביוכימית, שפה של אינטראקציות בין חלבונים. במקרה שאנחנו חוקרים, חלבון שנמצא על הדופן של תא אחד מתחבר לחלבון מסוג אחר שבדיוק מתאים לו, ונמצא על דופן של תא שכן. האינטראקציה בין שני החלבונים מייצרת שרשרת של תגובות כימיות שבסופה קצב הייצור של חלבונים כלשהם בתא יגדל או יקטן בתגובה.

אז איך יכולה 'שיחה' כזאת לייצר סידור מרחבי של תאים ברקמה?

במערכת התקשורת הבין תאית שאנו חוקרים, למשל, תא שעומד להפוך לתא עצב מייצר חלבון שנקרא 'Delta'. החלבון מגיע לדופן התא ונקשר לחלבון אחר על הדופן של התא השכן שנקרא 'Notch'. האינטראקציה ביניהם מייצרת אות ביוכימי בתא השכן שגורם לירידה בפעילות של הגן שאחראי ליצירת החלבון 'Delta'. מכיוון שהתנאי להתמיינות לתא עצב הוא ריכוז גבוה של 'Delta', אז מובטח שהתא השכן לא יהפך גם הוא לתא עצב. כלומר, ישנה תחרות בין התאים, והתא שינצח 'משדר' הכי חזק לכל שכניו שהוא הופך לתא עצב. דבר זה ימנע מהם להתמיין בצורה דומה, ותהליך הזה נקרא בשפה המקצועית 'lateral inhibition'.

היכן נכנסת כאן הגישה של ביופיזיקה?

אני אנסה להסביר דרך אנלוגיה. דמיין יער שבו ישנן שתי אוכלוסיות שגרות במקביל: ארנבים וזאבים. הזאבים מתרבים בקצב מסוים שתלוי בהרגלי הרבייה שלהם, אך גם בכמות הארנבים שאותם הם אוכלים. הארנבים מתרבים בקצב מהיר יותר, אך מספרם תלוי גם במספר הזאבים הרעבים. אנו מעוניינים לתאר את מספרם של הארנבים והזאבים לאורך זמן.

נוכל לכתוב סט של משוואות שאחת תתאר את קצב השינוי במספר הזאבים כתלות בשאר הפרמטרים (כולל מספר הארנבים). השניה תתאר את קצב השינוי במספר הארנבים (כולל תלות במספר הזאבים). כעת נוכל לפתור את סט המשוואות, הנקראות משוואות קצב, ולקבל תיאור של הדינאמיקה של המערכת זאבים-ארנבים, בהינתן הפרמטרים של הבעיה.

בצורה דומה, ניתן לתרגם את הסיפור של החלבונים 'Notch' ו-'Delta' לסט של משוואות וללמוד על התכונות הדינמיות של התהליך הזה בצורה כמותית. מתוך המודל הזה ניתן לייצר תחזיות ולבדוק אותם בניסוי.


זאב מצוי וארנבת מצויה מהרהרים בנושא משוואות קצב. המקור לתמונות: ויקיפדיה וויקיפדיה.

ספר לי על פרויקט שעבדת עליו לאחרונה

הרשתית המתפתחת בעובר של בעלי-חוליות היא אחת המערכות שבהן מתרחש תהליך ה-'lateral inhibition' בזמן ההתמיינות לתאי עצב. קיים מידע ממחקרים קודמים על תהליך זה, אך עדיין לא ברור איך הוא בדיוק קורה. בתחילת התהליך כל התאים שמרכיבים את הרשתית זהים. בשלב מסוים מגיע חלבון מיוחד מהרשתית (בעגה המקצועית: מורפוגן) שגורם לקבוצת תאים במרכזה להתחיל את תהליך ה-'lateral inhibition' ביניהם. מקצתם יתמיינו לתאי עצב ובעקבות זה יפרישו עוד מורפוגן. פעולה זאת תגרום לעוד תאים, מרוחקים יותר מהמרכז, להתחיל בתהליך ה-'lateral inhibition' וכך הלאה. בצורה זאת, תהליך ההתמיינות של תאי הרשתית נעשה במעגלים הולכים וגדלים סביב נקודת ההתחלה (ראו איור).

ציור סכמטי של רקמת הרשתית המתמיינת בבעלי-חוליות. צבע כחול מסמל תאים שבהם לא מתרחש תהליך ה-'lateral inhibition', צבע אדום מסמל תא שהתמיין לתא עצב וצבע לבן מסמל תא שלא התמיין לתא עצב אבל עדיין יכול. המספרים והחצים מסמנים התקדמות בזמן. המקור לתמונה: פאו.

אנחנו רצינו לחקור את תפקידו של חלבון ה-'Delta' בתהליך, במיוחד באזורים שאליהם תהליך ה-'lateral inhibition' עוד לא הגיע, ומה קורה אם הוא לא מיוצר בכמות מספקת. המחקר התמקד ברשתית של עוברי אפרוחים אבל ניתן להרחבה לאורגניזמים אחרים. קשה מאוד לייצר באופן מבוקר רשתית שבה אין 'Delta' באזורים המתאימים לניסוי. מה שבחרנו לעשות במקום הוא לייצר מודל מתמטי מקורב ומפושט שידמה את המערכת על ידי שימוש במספר מינימלי של אלמנטים. במודל זה יהיה קל 'למחוק' את ה-'Delta' מאזורים מסוימים. את המודל פתרנו, עבור פרמטרים שונים, בעזרת תכנת מחשב. הצעד הראשון היה לבדוק שניתן בעזרת התכנה לשחזר את התוצאות שמתקבלות בניסוי עם רקמה אמיתית. הצעד השני היה להריץ את התכנה ללא ה-'Delta' באזורים שאינם עוברים התמיינות.

מה גיליתם על תפקידו של 'Delta' במערכת?

גילינו שלושה דברים עיקריים שמשתבשים בהתפתחות הרשתית ללא 'Delta' באזורים שאינם עוברים התמיינות. הראשון הוא שתחת תנאים מסוימים עלולים להיווצר יותר מידי תאי עצב. השני הוא שאזור ההתמיינות כבר לא גדל בצורה מעגלית, כלומר במהירות שווה לכל הכיוונים. והשלישי הוא שההתרחבות של אזור ההתמיינות מתרחשת מהר יותר מהמצב הרגיל. כל אחת משלושת הבעיות האלה תוביל לקטסטרופה בהתפתחות של עובר אמיתי. לכן ההבנה של התפקיד הזה של החלבון 'Delta' עלולה להועיל למי שלומד על התפתחות תאי העצב והמחלות הקשורות לנושא, ויהיה מעניין לבדוק את התוצאות התיאורטיות בניסוי.

————————————————————

לקריאה נוספת:

המאמר הטכני על עבודתו של פאו בנושא התפתחות הרשתית (דורש הרשאה):

Pau Formosa-Jordan, Marta Ibañes, Saúl Ares, and José María Frade. 'Regulation of neuronal differentiation at the neurogenic wavefront'. Development, 139, 2321-2329 (2012) doi:10.1242/dev.076406

תוכנית 8 של הפודקאסט המומלץ 'הכוורת' בנושא רלוונטי (ולא במקרה…): 'האם ביולוג יכול לתקן רדיו?'.

————————————————————-

אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.

זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו 🙂

מודעות פרסומת
  1. 11/06/2012 ב- 11:47 pm

    יופי של הסברים, כתוב יפה, בהיר ומעניין. גם אורי אלון בהרצאה דיבר על נוצ' ודלתא. עכשיו הבנתי יותר למה בדיוק הכוונה.

  2. 12/06/2012 ב- 12:10 am

    קודם כל, תודה! ואני אנצל את ההזדמנות להודות לך על הפרגון גם במקומות אחרים. זה באמת נותן הרגשה טובה 🙂
    ואם כבר העלת את הנושא, אני רק אוסיף שבמערכת התקשורת המדוברת Notch signaling pathway, ה-Notch הוא רצפטור וה-Delta הוא הליגנד המתאים לו.
    ואם אתה כבר פה, רק רציתי להוסיף הבהרה לגבי הספר של פרופ' אורי אלון על Systems bilogy. כתבת במקום אחר שקיבלת חשק לקרא אותו. אני מרגיש חובה להבהיר שמדובר בספר לימוד טכני, ומי שלא מרגיש נוח עם הרבה מתמטיקה עלול להתקשות בלראות את היופי שבו.

    • 13/06/2012 ב- 11:44 am

      השגתי את הספר. אני באמת לא מרגש בנוח עם מתמטיקה, אבל אני אנסה לאט לאט. הרעיונות של ביולוגיה של מערכות מתכתבות לי בראש עם כ"כ הרבה דברים (או כך לפחות אני מרגיש). אם תהיה משוואה מתמטית אני יהמהם לעצמי ואמשיך הלאה.

  1. 12/01/2013 ב- 4:41 am

להשאיר תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: