ארכיון

Posts Tagged ‘ביולוגיה’

עוגה, עוגה, עוגה, בצנטריפוגה נחוגה – ללמוד פיזיקה במעבדת הביולוגיה

בפעמים הראשונות בהן נכנסתי למעבדת מחקר בביולוגיה הרגשתי מאוים במידת מה על ידי המכשירים המוזרים ופרוטוקולים הסבוכים של הניסויים. למי שלא גדל בתחום לוקח זמן לספוג את כל עושר המידע הזה. בחלק מהטכניקות והמכשירים עסקתי ברשימות קודמות (למשל ה-PCR)

בתוך כל הסבך הזה ישנם כמה מכשירים פשוטים או כלים בסיסיים במעבדת הביולוגיה מהם ניתן ללמוד גם פיזיקה מעניינת ולא מסובכת מידי. אחת הדוגמאות היא הצנטריפוגה. במבט ראשון פשוט, מעט מורכב יותר כשנכנסים לעובי הקורה.

Tabletop_centrifuge
תמונה 1: צנטריפוגה מעבדתית. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Magnus Manske.

***

הצנטריפוגה היא אחד המכשירים השכיחים ביותר במעבדת הביולוגיה. בד"כ מדובר במכשיר מכאני שניתן להטעין בו מבחנות עם נוזלים ואז המכשיר מסובב את המבחנות בתנועה מעגלית במהירות גבוהה, בדומה למתקן עם הכיסאות המסתובבים בפארק השעשועים. המטרה של צנטריפוגה היא להפריד חומרים שונים בתוך נוזל או להפריד חומר מהנוזל על ידי שיקועו.

שני העקרונות שעומדים מאחורי פעולת הצנטריפוגה הם הגברת כוח הכבידה ויצירת הבדלה במהירות השקיעה בין חומרים שונים בנוזל.

חלקיק שוקע בכוס נוזל
איור 2: חלקיק שוקע בנוזל.

דמיינו חלקיק הנמצא בתוך כוס עם נוזל. על החלקיק פועלים כוח כבידה שמושך אותו למטה, כוח ציפה (חוק ארכימדס) וכוח חיכוך עם המים שמפריעים לו ליפול (ראו איור 2).

כוח החיכוך עם המים תלוי בצורת החלקיק, בצמיגות המים ובמהירות התנועה. חישבו מה קורה כאשר אתם מנסים ללכת בבריכה. ככל שאתם מגבירים את מהירותכם, התנגדות המים עולה גם כן.

בדומה לצנחן שחווה כוח חיכוך דומה עם האוויר, גם החלקיק בנוזל יגיע לאחר זמן מה למהירות קבועה (בעגה terminal velocity). ערך המהירות הזאת תלוי בתכונות החיכוך, צורת החלקיק ובצפיפות החומר ביחס לצפיפות הנוזל. חומרים שונים ישקעו במהיריות שונות. תכונה זאת מייצרת עבורנו את היכולת להפריד בין חומרים שונים. הבעיה היא שהזמן שלוקח לחלקיקים קטנים לשקוע הוא ארוך מידי. הפתרון הוא להגביר את כוח הכבידה.

פני המים במבחנה
איור 3: פני הנוזל במבחנה כתלות בכיוון הכבידה.

חוק הכלים השלובים אומר לנו שפני המים יהיו מאונכים לכיוון כוח הכבידה. במבחנה מאונכת לקרקע פני המים אופקיים. אם נטה את המבחנה בזווית, פני המים גם כן יטו כך שעדיין יישארו אופקיים לקרקע ומאונכים לכוח הכבידה (ראו איור 3, חלק ימני).

כאשר אנחנו מסובבים את המבחנה בצנטריפוגה פועלים על המבחנה ועל מה שבתוכה כוחות חזקים מאוד לכיוון ציר הסיבוב (למרכז הסיבוב) כדי לשמר את התנועה המעגלית (בעגה, כוח צנטרפיטלי). חישבו על כדור קשור לחבל שמסתובב במעגל. כדי שיישאר במסלול המעגלי החבל חייב למשוך אותו בחוזקה פנימה ולא לתת לו לברוח. אם החבל יקרע, הכדור יברח ויפסיק להסתובב.

אם תשאלו אדם תלוי על חבל מה כיוון כוח הכבידה, הוא יגיד שברור שלכיוון מטה, כלומר בכיוון מנוגד לכיוון בו מושך אותו החבל. באנלוגיה, חלקיק במבחנה המסתובבת מרגיש, כאמור, כוח מסובב בכיוון מרכז הסיבוב . מכיוון שאינו יודע מה קורה בעולם מחוץ למבחנה יאבחן שכיוון כוח הכבידה (האפקטיבי) הוא הפוך מכיוון הכוח המסובב ולכן החוצה מהמעגל. כוח זה, עבור 3600 סיבובים בדקה, יהיה בערך פי 2000 חזק יותר מכוח הכבידה של כדה"א ולכן יהיה הכוח הדומיננטי הפועל על החלקיק. פני המים יהיו מאונכים לכוח הכבידה האפקטיבי ולכן במהלך הסיבוב יהיו מאונכים לפני הקרקע ולא אופקיים (ראו איור 3, חלק שמאלי).

אם נסובב מספיק מהר לאורך מספיק זמן כל החלקיקים המומסים בנוזל ישקעו בצידה (החיצוני) של המבחנה. זהו השימוש הפשוט ביותר של צנטריפוגה, הפרדת חומר מומס מתוך הנוזל על ידי הגברת כוח הכבידה והגברת קצב השיקוע.

מה קורה כאשר יש יותר מחומר אחד מומס בנוזל במבחנה?

כפי שכבר ציינתי, לכל חומר תהיה מהירות שיקוע שונה ולכן נוכל לכוון את מהירות הסיבוב ואת משך זמן הסיבוב כך שחומר אחד ישקע והשני עוד לא. כך נוכל להפריד את החומרים אחד מהשני. לשם פעולת ההפרדה אנחנו חייבים את הנוזל כדי שייווצר אפקט ההפרדה בין החומרים עקב החיכוך עם המים (תאוצת הנפילה חופשית של גופים אינה תלויה במסתם, את זה ידע גלילאו מזמן).

מי שהשתמש בצנטריפוגה יודע שחייבים להפעיל אותה כאשר היא מאוזנת. אם נרצה לסובב מבחנה בודדת, חובה עלינו להניח מבחנת נוזל נוספת בדיוק בצד השני. כפי שכבר רשמתי, הכוחות שפועלים על החומר במהלך תנועה מעגלית הם עצומים ואם הצנטריפוגה אינה מאוזנת היא תרעד עד כדי כך שסביר שתתעופף מהשולחן וכל המבחנות ישברו.

לא מאמינים בכוחה של התנועה המעגלית לשבר ולנתץ? חובה עליכם לצפות בשני הסרטונים הבאים. שווה ביותר גם למי שמאמין.

 

***

מה השימושים של הצנטריפוגה?

הפרדת חומר מומס מהנוזל.

הפרדת חומרים מומסים שונים אחד מהשני. למשל, ניתן בעזרת צנטריפוגה להפריד אברונים וחלקים שונים בתא. מכיוון שלכל אברון בתא יש תכונות שונות (צפיפות, מסה וכו) ניתן לסובב את הנוזל עם תוכן תאים כך שבכל שלב ישקעו האברונים הכבדים ביותר וניתן יהיה להסיר אותם על ידי איסוף המשקע.

יצירת מפל ריכוזי תמיסה במבחנה. בכל גובה ימצא ריכוז תמיסה שונה. חומר שאותו אנו רוצים לבחון ימצא במבחנה בגובה שמתאים לריכוז שלו. הזכרתי את השיטה ברשימה קודמת שעסקה בניסוי מסלסון-שטאל וגילוי מנגנון השכפול של ה-DNA.

ישנם שימושים נוספים שקצרה היריעה מלהכיל. למשל, כפי שכולנו שומעים בחדשות מידי פעם, בהפרדה של אורניום 235 מאורניום 238 לשימוש בכורים גרעיניים. התהליך שם הוא מעט שונה ועובד בפאזה גזית. ניתן לקרוא על השיטה בדף הויקיפדיה הזה.

מודעות פרסומת

אצבע גלילאו – יומן קריאה

לפני מספר חודשים התייעצתי עם ידידה רבת ידע וניסיון לגבי תכנון והקמה של אתר אינטרנט. מעבר לעצות הטכניות שקיבלתי, העצה החשובה ביותר שלה היתה: "דע את קוראיך". במילים אחרות, לפני שאתה מתחיל לחשוב על הצורה והתוכן של אתר, חשוב למי הוא מיועד. מי הם אותם הקוראים שאתה רוצה שיגיעו לאתר ומה הצרכים שלהם.

תפקידו של ספר עיון, לדעתי, הוא לספק שירות מאוד מיוחד לקורא והוא הענקת ידע. מהסיבה הזאת מומלץ לכותב ספר מסוג זה להשקיע מחשבה רבה בטרם כתב אות אחת על קהל הקוראים שלו. למי נכתב הספר? מהי רמת הידע המוקדם המצופה ממנו? מהי רמת ההעמקה הנדרשת?

***

פיטר אטקינס הוא כימאי אנגלי ששימש כעמית מחקר ופרופסור לכימיה פיזיקלית בלינקולן קולג' באוניברסיטת אוקספורד. רוב מי שלמד כימיה באוניברסיטה נתקל בשמו מודפס על גבי ספרי הלימוד, מכיוון שהוא כתב לא מעט מהם. הוא גם פרסם מספר ספרי מדע פופולרי.

בשנת 2003, הוא פרסם את הספר 'Galileo’s Finger: The ten great ideas of science', ב-2008 הספר תורגם לעברית ויצא בהוצאת מאגנס בשם 'אצבע גלילאו, עשרת הרעיונות הגדולים של המדע', והשנה יצא לי במקרה לקרוא אותו.

אצבע גלילאו
עטיפת הספר אצבע גלילאו בהוצאת מאגנס.

הספר סוקר בעשרת פרקיו את עשרת הרעיונות החשובים במדע המודרני, לדעתו של הכותב, ובתוך כך חושף בפנינו את כוחה של השיטה המדעית בלהסביר את עולמינו. הספר מכיל אוצר של ידע ונותן פנורמה רחבה של הישגי המדע ועומקו. רשימת הנושאים מסקרנת מאוד גם עבור מי שלא מכיר וגם עבור מי שמכיר ורוצה להיזכר. מצד אחד הספר מאוד מתומצת, כיאה לספר שמנסה לכסות כל כך הרבה תחומים, ומצד שני פעמים רבות נכנס לעומקם של דברים ברמה גבוהה ביותר ביחס לספר מדע פופולרי. וכאן נמצא הקוץ שבאליה.

תוך כדי קריאה קיבלתי את הרושם שהכותב אינו מבין מי קהל הקוראים שלו. כמעט בכל פרקי הספר ההסברים אינם ברורים מספיק כדי להעביר ידע אמיתי למי שאינו בקיא בנושא. אודה ולא אבוש שלא תמיד הבנתי את ההסברים, אפילו על הנושאים שאותם אני מכיר היטב. בדמיוני אטקינס מקפץ מעלה על מדרגות עשויות עננים ומצפה מהקורא הכבד והמגושם לעלות אחריו לרקיע. הספר מרקיע לשחקים וצולל לעומקים ברמת החומר אותו הוא מנסה להעביר לקורא אבל ההסברים אינם מספקים. למשל, אין לדעתי קורא סביר שיכול באמת לעקוב אחרי הדיון המעמיק והמעניין על סימטריות בטבע ומשמעותן באמצעות ההסברים אותם מספק אטקינס, אלא אם כן הוא למד אותן כבר ממקור אחר.

ישנם מספר עניינים קטנים יותר שהציקו לי במהלך הקריאה. לאטקינס יש נטיה, מוזרה לטעמי, להתנשא תוך כדי הכתיבה על פילוסופים שחיו לפני 2500 שנה ועל אנשי מדע שהסתבר בערוב השנים שטעו בעניין זה או אחר. הנטיה הזאת מקנה לספר טון מתחכם ולא נעים. בספר משובצים לא מעט ציורים כיאות לספר מדע פופולרי מושקע. עם זאת, פעם אחר פעם מצאתי שהם לא תורמים כלל להבנה והתעלמתי מהם לחלוטין. ודבר אחרון, אטקינס לא יודע לספר סיפור, ותיאור הדמויות הפועלות בספר לוקה בחסר. הצגת דמות חדשה תעשה בדרך כלל באופן הבא: "אורן ש., מהמר כפייתי וקופץ מוכשר לגובה הוא שהמציא את תיאוריית הקשר שעיקרה הוא…[שלושה עמודים של הסבר על התיאוריה]". מי שמחפש סיפור מעניין וקולח בסגנון סיימון סינג לא ימצא אותו בספר זה.

***

לסיכום, הספר קשה להבנה והקריאה בו לא קולחת. קוראים שאינם מכירים את הנושאים יתקשו בצליחתו. מצד שני הוא מציג פנורמה רחבה של נושאים מרתקים ומעורר רצון להתעמק בהם. אז למי הוא מיועד בעצם?

זה יגמר בדם – המלצה 'קצרה' על משחק חינוכי

לפני כמה שנים קראתי טור דעה שקונן על מותו של המילון הכתוב. הרעיון העיקרי היה שגם אם ניתן לקבל תשובות מהירות יותר ממילון אלקטרוני, גם אם הוא תופס פחות שטח אחסון וגם אם הוא נגיש בכל מקום, יש לו פונקציה אחת שחסרה לו. פונקציה שהוא איבד דווקא בגלל יעילותו: שיטוט אקראי.

קרה לי לא פעם שפתחתי את המילון כדי למצוא מילה, עיני נתפסה על מילה מוזרה אחרת ששלחה אותי לשיטוט וקריאה בסוג של זרם תודעה. במקרה זה, ישנו יתרון בחוסר היעילות היחסי שבמילון עשוי נייר. בעיקר, כמובן, למי שנהנה מהסחות דעת מחכימות.

Dictonaries
תמונה 1: מדף מילונים בספרייה עירונית ברמת השרון. המקור לתמונה: ויקיפדיה לשם הועלתה על ידי המשתמש דוד שי.

מצד שני, אני תמיד נזהר ממקסם השווא של טור דעה המקונן על אסונות הטכנולוגיה והקידמה. הדור תמיד הולך ופוחת, השפה תמיד נהיית גרועה יותר ועתידנו תמיד שחור יותר. ככה כבר עשרות, אם לא מאות שנים, אם נאמין למה שכתוב בעיתונים.

או שהעולם פשוט משתנה עם הזמן. לא לטובה ולא לרעה. פשוט משתנה.

השיטוט האקראי לא מת, הוא פשוט השתנה. אין ספור פעמים נכנסתי ליוטיוב לשמוע שיר אחד, ויצאתי אחרי שעות של האזנה לדברים שונים ומשונים שלא הייתי חושב עליהם, כשהשיר המקורי נשכח ממני.

***

לפני מספר ימים קראתי טקסט כלשהו באתר הרשמי של פרס הנובל. יש להם הסברים לא רעים בכל מיני נושאים. לפתע בתחתית הדף הבחנתי בהמלצות וקישורים, כאילו היה זה אתר תוכן ככל האתרים. אחד מהם הפתיע אותי, קישור למשחק. ועוד באתר על פרסי נובל. לא התגברתי על סקרנותי ולחצתי. מדובר היה במשחק חינוכי על דם.

Red_White_Blood_cells
תמונה 2: מימין לשמאל תא דם לבן, טסית דם ותא דם אדום. צולם על ידי מיקרוסקופ אלקטרוני סורק. המקור לתמונה: Electron Microscopy Facility at The National Cancer Institute at Frederick (NCI Frederick) , דרך ויקיפדיה.

כאן אני צריך לעצור ולהודות: יש לי בעיה עם משחקים חינוכיים. כל המשחקים שנתקלתי בהם עד היום שהוגדרו כך נכנסו לאחת משתי קטגוריות: 1) חינוכיים אבל משעממים, 2) נחמדים אבל לא באמת לומדים מהם כלום.

ברגע של חולשה בכל זאת נכנסתי.

***

מטרת המשחק: לקחת דגימת דם מחולה, לקבוע את סוג הדם על ידי בדיקת מעבדה ולתת את סוג הדם הנכון בעירוי לחולה. האנימציה משעשעת לטעמי. תפעול המשחק פשוט שבפשוטים. הבעיה היא הידע.

הידע הכללי שלי בנושא מצומצם וצדקתי רק בחלק מהמקרים. החולים שלי צרחו בייסורים. מצאתי את עצמי קורא על סוגי הדם ועל טיב הבדיקה.

נקפוץ קדימה בזמן.

עזבתי את המשחק כאשר אני מנצח אותו ללא קושי, מבין מהם סוגי הדם השונים, איך מבדילים ביניהם ואיך קובעים איזה עירוי מותר לתת לאיזה חולה.

המשחק משעשע, ויוצאים ממנו עם ידע אמיתי. אפשר למצות אותו די מהר אבל הוא לא עולה כסף והוא נותן חזרה תרומה לא מבוטלת של השכלה. לעניות דעתי מתאים לילדים, אבל כמובן שכדאי לבדוק קודם בעצמכם ולוודא. קיבעו בעצמכם גם לאיזה גיל הוא מתאים

***

כל הלהג הזה כדי להמליץ על משחק חינוכי. אין גבול לטרחנות.
קישור למשחק

האם ה-DNA הוא באמת החומר הגנטי? חלק ב' – הדברים שאפשר לעשות עם בלנדר

בחצי הראשון של המאה ה-20 היה מקובל לחשוב שהמידע הגנטי נמצא ככל הנראה בחלבונים. מולקולות ה-DNA נחשבו לפשוטות מבחינת מספר אבני בסיס שמרכיבות אותן ומבחינת מבנה ולכן לא היה סביר שיכילו את המידע הגנטי.

ב-1944 פרסמו החוקרים אוורי, מקלאוד ומקראת'י תוצאות של ניסויים בחיידקים מסוג סטרפטוקוק פנאומוניה (גורמי דלקת ריאות), שסיפרו סיפור שונה. כפי שהצגתי ברשימה הקודמת, הם מצאו שמידע גנטי יכול לעבור מחיידק מזן קטלני שהומת בחום לחיידק מזן לא קטלני ולגרום לאחרון להפוך עורו לקטלני. הם הראו שהחומר שעובר בתהליך הזה הוא DNA.

בשלב זה עדיין היתה התנגדות לא מעטה לרעיון של DNA כמולקולה הנושאת את המידע הגנטי אבל דברים החלו זזים בכיוון. בתחילת שנות ה-50 הקרקע כבר היתה מוכנה לשינוי, ואז הגיע הניסוי של אלפרד הרשי ומרתה צ'ייס.

T2phage
איור 1: המבנה של הוירוס פאג' T2. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם העלה על ידי המשתמשים Adenosine ו- en:User:Pbroks13.

***

לא רק אנחנו סובלים מהתקפות של וירוסים. הבקרטריופאג', או פאג' בקיצור, הוא וירוס שחי על חשבון חיידקים.

וירוסים מורכבים אך ורק ממעטפת, או קונכייה אם תרצו, עשויה חלבון ובתוכה חומר גנטי (ראו איור 1). לוירוסים אין מנגנוני הפקת אנרגיה ואין מנגנון שכפול ולכן הם נטפלים לחיידקים. הפאג' נתפס על קרום התא של החיידק ומזריק לתוכו את החומר הגנטי שלו שמשתלב בתוך זה של החיידק. כאשר החיידק מתרבה על ידי חלוקה (מיטוזה) הוא משכפל את ה-DNA שלו ועל הדרך גם את זה של הוירוס. כאשר יש שינוי בתנאים או עקה מסוג כלשהו, החומר הגנטי של הוירוס נכנס לפעולה. הוא גורם לייצור של וירוסים חדשים ובו זמנית גורם לפירוק של קרום התא. בסוף התהליך החיידק מתפוצץ ומתוכו בוקעים וירוסים חדשים כמו בסצנה המפורסמת מהסרט 'הנוסע השמיני'. סיפרתי על התהליך הזה בעבר בהרחבה.

אלפרד הרשי היה חוקר בתחום הבקטריולוגיה והגנטיקה ומרתה צייס היתה עוזרת המחקר שעבדה איתו. כדי לבדוק האם חלבונים או DNA הם הנושאים של החומר הגנטי הם החליטו לעקוב אחרי החלפת החומרים בין הוירוס פאג' T2 לבין החיידק E-coli לו הוא נטפל. הם ניצלו את השוני הכימי בין מעטפת החלבון וה-DNA כדי לסמן בדרכים שונות כל אחד מהם.

ה-DNA הוא החומר היחיד שמכיל זרחן בוירוס. גופרית, לעומת זאת, נמצאת אך ורק במעטפת החלבון שלו. הרשי וצ'ייס השתמשו בזרחן וגופרית רדיואקטיביים כדי לסמן את ה-DNA ואת מעטפת החלבון של הוירוס וכך יכלו לעקוב אחריהם במהלך הניסוי. דבר נוסף שבו הם עשו שימוש הוא בלנדר. כן, בלנדר. כזה שלרובכם יש במטבח בבית. הם גילו שניתן להפריד את הוירוס מדופן החיידק על ידי שקשוק אלים של התאים בבלנדר. כך יוכלו להפריד בין מעטפת הוירוס ל-DNA שלו לאחר שהוא נטפל לחיידק.

ElectricBlender
תמונה 2: בלנדר חשמלי. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Chris 73.

וירוסים מסומנים שוחררו להתרועע בחברת חיידקי E-coli ולהדביק אותם. לאחר מכן התמיסה עברה שקשוק בבלנדר להפרדת המעטפת של הוירוסים מדופן החיידקים (ראו איור 3). התמיסה סובבה במהירות גבוהה בצנטריפוגה כדי להפריד בין המוצקים, שהורכבו מהחיידקים, לנוזלים. הרשי וצ'ייס מצאו שכאשר סימנו וירוסים בגופרית, רובה נמצאה בנוזל בסוף הניסוי. כאשר הם סימנו בזרחן, רובו היה במוצקים בסוף הניסוי. את המוצקים, כלומר החיידקים, היה ניתן להחזיר לסביבת גידול, ווירוסים החלו לבקוע מהם. כלומר היכולת של חיידק לייצר וירוסים קשורה להעברה של זרחן ולכן להעברה של DNA.

Hershey_Chase_experiment
איור 3: ניסוי הרשי וצ'ייס. 1) חיידקים מודבקים בנגיפים מסומנים בחומרים רדיואקטיביים. 2) המעטפת של הוירוס מופרדת מהחיידק בשימוש בבלנדר. 3) לאחר שהתמיסה עוברת סיבוב בצנטריפוגה נמצא כי הסמן הרדיואקטיבי של ה-DNA נמצא בתאים והסמן הרדיואקטיבי של החלבונים בתמיסה. מכאן שהחומר הגנטי שעבר מהוירוס לחיידק הוא DNA. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Thomasione.

כדי לתמוך בתוצאות המפתיעות ביצעו הרשי וצ'ייס בדיקה נוספת. הפעם הם בחנו את הוירוסים שפרצו מתוך החיידקים שהודבקו על ידי וירוסים מסומנים. הוירוסים המקוריים, או מה שנשאר מהם, הופרדו על ידי שימוש בבלנדר וצנטריפוגה. כלומר, כל הוירוסים שנבדקו היו וירוסים חדשים שבקעו לאחר ההדבקה. מה שמצאו הרשי וצ'ייס הוא שגופרית רדיואקטיבית לא עברה לצאצאים ואילו זרחן רדיואקטיבי כן עבר לצאצאים. תוצאה זאת חיזקה אף יותר את המסקנה שהחומר הגנטי של הוירוס פאג' T2 הוא DNA, שבניסוי סומן בזרחן.

***

ב-1952 פרסמו הרשי וצ'ייס את תוצאותיהם. הגילויים זכו להד גדול בקהילה המדעית ו-DNA הפך לדבר החם שכולם רצו לחקור. לפעמים גם תזמון הוא דבר חשוב. ספּרו את זה לאוורי, למקלאוד ולמקרת'י.

ב-1953 פרסמו ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק את מבנה ה-DNA והחלו לסלול את ההבנה של תפקידו. ב-1962 זכו ווטסון, קריק ומוריס ווילקינס בפרס נובל עבור "הגילויים שלהם בנושא המבנה המולקולרי של חומצות גרעין והחשיבות של כך להעברת המידע בחומר חי".

ב-1969 זכה אלפרד הרשי (ביחד עם מקס דלברוק וסלבדור לוריה שותפיו הותיקים למחקרים קודמים) בפרס נובל.

***

מדוע לא היתה מרתה צ'ייס שותפה לפרס?

האמת היא שאני לא יודע. אולי בגלל שהיא היתה שותפה למחקר אבל עובדת זוטרה מבחינת תארים וניסיון, אולי בגלל שהיתה אישה ואולי בגלל סיבה אחרת.

ב-1964 קיבלה מרתה צ'ייס תואר דוקטור מאוניברסיטת דרום קליפורניה ובערך בתקופה הזאת הקריירה האקדמית שלה נעצרה.

ההיסטוריה, לעומת זאת, בחרה אחרת. הניסוי המפורסם ביותר שהוביל להבנה שה-DNA הוא החומר הגנטי ידוע כניסוי הרשי-צ'ייס ולא כניסוי הרשי.

———————————————————

לקריאה נוספת:

אני ממליץ שוב על 'לפענח את ספר החיים' – מאמר רחב יריעה, נוח לקריאה וכתוב היטב של יונת אשחר ונעם לויתן למגזין גלילאו על סיפורו המלא של ה-DNA כחומר גנטי. המאמר שם בהקשר הנכון ונותן פרספקטיבה לניסוי שתואר ברשימה זאת.

האם ה-DNA הוא באמת החומר הגנטי? חלק א' – הדברים שאפשר ללמוד מדלקת ריאות

כל ילד בן יומו יודע שהמידע הגנטי נמצא בכל תא בגופנו בצורת סליל כפול של חומצה דאוקסיריבונוקלאית, או בשמה המקוצר DNA. אותו ילד יודע כל גם יודע שהסליל עצמו מורכב מארבע אבני בסיס בלבד המחוברות זו לזו בסדר משתנה כמו טבעות המרכיבות שרשרת. שמקטע DNA המכיל הוראות ליצירת חלבון נקרא גן. ושהחלבונים הם בו-זמנית חומרי הבניה המרכיבים את התאים וגם כלי העבודה בתוכם. אבל חלק גדול ממה שיודע הילד הזה, לא ידעו טובי המדענים עד ממש לא מזמן.

בתחילת המאה ה-20 קיומן של מולקולות ה-DNA והחלבונים, שתיים מאבני הבסיס של החיים, היה ידוע. גם הגנטיקה היתה רעיון מבוסס. אבל המדיום דרכו עובר המידע הגנטי מהורים לצאצאים לא היה ברור כלל. למרות שה-DNA היה מתמודד מכובד לתפקיד, המועמדים המועדפים היו דווקא החלבונים. הם מורכבים ממספר רב יותר של אבני בסיס בהשוואה ל-DNA (עשרים חומצות אמינו), הם בעלי צורה מורכבת וחלקם יודעים לגרום לדברים לקרות (אנזימים). מולקולת ה-DNA נראתה אז פשוטה מידי, חוט ארוך וחסר תועלת שלא סביר שיוכל להכיל את כל המידע על מורכבות החיים.

הוודאות של היום היא תוצאה של סדרת ניסויים מעניינים שהביאו את הקהילה המדעית, עקב בצד אגודל, להבנה שדווקא ה-DNA 'הפשוט' הוא זה שמכיל את הקוד הגנטי.

Pneumococcus_CDC_PHIL_ID1003
תמונה 1: חיידקים מסוג סטרפטוקוק פנאומוניה בתוך נוזל שדרה (spinal fluid) שנצבעו באופן דיגיטלי. המקור לתמונה: Centers for Disease Control and Prevention's (CDC) Public Health Image Library, דרך ויקיפדיה.

***

דלקת ריאות היא מחלה זיהומית שחוללה שמות במין האנושי לפני המצאת החיסונים והאנטיביוטיקה. ישנם מיקרואורגניזמים רבים שעלולים לגרום להתפתחות של דלקת בריאות. סטרפטוקוק פנאומוניה (הקרוי גם פנאומוקוק, ראו תמונה 1) הוא חיידק שאחראי לחלק ניכר מהדלקות הקטלניות בריאות. לחיידק זה יש כמה זנים, כאשר הזנים הקטלניים יודעים 'להערים' על מערכת החיסון ולכן גורמים לזיהום ולמוות.

פרדריק גריפית' (Griffith) היה בקטריולוג בריטי שחקר את המחלה. הוא שם לב שבמקרים רבים של התפרצותה היו נוכחים זנים שונים של החיידק. הוא בודד זן אחד קטלני שכאשר הוזרק לעכבר גרם למותו, וזן אחר שהזרקתו לא גרמה למוות. גריפית' גילה גם שכאשר המית חיידקים קטלניים בחום והזריק אותם לעכברים, הם לא גרמו למוות. לעומת זאת, הזרקה של חיידקים קטלניים מומתים וחיידקים לא קטלניים יחדיו כן גרמה למוות (ראו איור 2). בנוסף, ניתן היה לבודד מהעכברים המתים גם חיידקים חיים מהזן הקטלני וגם חיידקים חיים מהזן הלא קטלני. איך הגיעו לשם חיידקים חיים מהזן הקטלני? המסקנה הייתה שחיידקים לא קטלניים הפכו בדרך זאת או אחרת לחיידקים קטלניים. רעיון זה לא עלה בקנה אחד עם הדעה הרווחת על חיידקים באותם ימים.

ניסוי גריפית

איור 2: הניסוי של גריפית'. שלבי הניסוי מוצגים באופן סכמטי משמאל לימין. הזרקת חיידקים מזן לא קטלני או חיידקים מומתים מזן קטלני לא גרמה למות העכבר. הזרקת תערובת של שניהם גרמה לזיהום ולמוות של העכבר. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמשת Madeleine Price Ball.

כמה שנים לאחר מכן מצאו חוקרים שתהליך השינוי של חיידקים לא קטלניים לקטלניים לא מצריך עכבר. ערבוב על מצע גידול של חיידקים קטלניים מומתים וחיידקים לא קטלניים חיים הוביל להופעת חיידקים מומתים חיים. אבל אפילו חיידקים קטלניים מומתים לא היו הכרחיים. נמצא שהיה אפשר להסתפק בבפנוכו שלהם כדי לגרום לתהליך השינוי לקרות. המסקנה הייתה שהבפנוכו של החיידקים הקטלניים הכיל גורם טרנספורמציה כלשהו שזהותו לא הייתה ידועה וביכולתו לגרום לשינוי באופי החיידקים.

הניסוי של גריפית' שפורסם ב-1928, הוא הראשון שהראה מעבר של מידע גנטי בין חיידקים, פעולה שמכונה היום בעגה 'טרנספורמציה' ומתארת מצב שבו תא (במקרה הזה חיידק) סופח אליו חומר גנטי מהסביבה. כיום הטכניקה הזאת היא כלי בסיסי בתחום ההנדסה הגנטית.

אבל מהו החומר שעבר בין החיידקים?

***

השנים חלפו מאז הניסוי של גריפית', משבר כלכלי גדול אחד ומלחמה עולמית עקובה מדם היתה בעיצומה. חוקר אמריקאי בשם אוסוולד אוורי (Avery) ושותפיו קולין מקלאוד ומקלין מקרת'י החליטו לחזור לניסוי הזה שוב ולבדוק מהו החומר שדרכו עובר המידע הגנטי במהלך טרנספורמציה.

הצעד הראשון היה לבודד את גורם הטרנספורמציה מתוך החיידקים הקטלניים המומתים. אוורי ושותפיו זיקקו מהבפנוכו של תאים קטלניים מומתים רק את המינימום שהיה נחוץ לעורר את תהליך הטרנפורמציה תחת התנאים המתאימים בתאים לא קטלניים. כיום אנחנו יודעים שהם בודדו DNA וזה הליך בסיסי בכל מעבדה, אבל בשנים ההם זה היה תהליך חדשני וקשה מאוד שעל פיתוחו וזיקוקו הם עבדו במשך שנים. למעשה, חלק גדול מהמאמר שהם פרסמו עסק בתהליך עצמו. אוורי ושותפיו זיקקו גם רכיבים אחרים מהבפנוכו של התאים הקטלניים, כגון חלבונים, אבל אלה לא גרמו לתהליך טרספורמציה.

את גורם הטרספורמציה המופק הם הוסיפו לתרבית של חיידקים לא קטלניים, נתנו להם להתרועע לזמן מה ואז זרעו את התערובת על מצע גידול. חלק ממושבות התאים שגדלו היו מהסוג הקטלני, כלומר התרחשה טרנספורמציה (ראו איור 3 א'-ד'). החיידקים הקטלניים החדשים שמרו על תכונותיהם גם בדורות הבאים, כלומר השינוי היה גנטי וקבוע.

ניסוי אוורי 2 איור 3: ניסוי אוורי-מקלאוד-מקרת'י. א) ממיתים חיידקים קטלניים בחום. ב) מפיקים מהבפנוכו שלהם את גורם הטרנספורמציה. ג) מוסיפים את גורם הטרנספורמציה לחיידקים לא קטלניים. ד) זורעים על מצע גידול את התערובת. אם התרחשה טרנספורמציה, נגלה מושבות חיידקים קטלניים. ה) מטפלים בגורם הטרנספורמציה באמצעות אנזימים מפרקים. האם עדיין תתרחש טרנספורמציה?

מכיוון שתהליך הזיקוק של DNA היה חדש ולא היה מושלם, התוצר הכיל זיהומים, כלומר חומרים שאינם DNA. מהסיבה הזאת ביצעו אוורי ושותפיו ניסויים נוספים כדי לחזק את מסקנותיהם. בין היתר הם ביצעו אנליזות כימיות לגורם הטרנספורמציה המזוקק והראו שהרכבו הכימי זהה להרכב DNA. בנוסף, הם השתמשו באנזימים כדי לפרק רכיבים מסוימים בגורם הטרנספורמציה שהפיקו. שימוש באנזימים שמפרקים חלבונים לא גרם לשינוי ביכולתו של החומר לעורר טרנספורמציה. שימוש באנזימים שמפרקים DNA, לעומת זאת, הוביל לאיבוד היכולת של הגורם לעורר טרנספורמציה.

גיים, סט אנד מץ'?

הלוגיקה בניסוי אווריאיור 4: ההיגיון שמאחורי שימוש באנזימים על גורם הטרנספורמציה. אתם יכולים כבר לנחש את התוצאות. ניסוי 1 הראה מושבות וניסוי 2 לא הראה מושבות, כלומר החומר שעובר בטרנספורמציה הוא DNA.

***

אוורי ושותפיו פרסמו את התוצאות ב-1944 והיו זהירים מאוד. מה שהם דיווחו הוא שהתוצאות שלהם מראות שה-DNA הוא החומר שעובר בזמן טרנספורמציה. מסקנה זאת אמנם אומצה על ידי חלק גדול מהקהילה המדעית, אך הרעיון של DNA כנושא החומר הגנטי היה סיפור שונה לחלוטין.

אנשי המדע הם עם קשה עורף, אך הזרע נזרע ותוך כמה שנים פלוס ניסוי אחד חזק ה-DNA יתקבל לתפקיד. לשם כך יעלה הצורך בבלנדר, ובעוד כמה דברים, אבל על כך אספר ברשימה הבאה.

———————————————————

לקריאה נוספת:

לפענח את ספר החיים – מאמר רחב יריעה, נוח לקריאה וכתוב היטב של יונת אשחר ונעם לויתן למגזין גלילאו על סיפורו המלא של ה-DNA. המאמר מניח את הניסויים שתוארו ברשימה זאת בהקשר רחב יותר. הוא עושה עוד הרבה דברים אחרים.

על השאלות החשובות באמת בחיים כמו למשל מה זה בכלל חיים

כולכם ודאי כבר מכירים את החתול האומלל של שרדינגר שהשכם והערב נשלח למות ולחיות בסופרפוזיציה עד לקץ הימים, רק כדי להצביע על תוצאות לא אינטואיטיביות בתורת הקוונטים. אני רוצה לשוב אל אותו חתול, אבל הפעם לגשת אל העניין מכיוון אחר לחלוטין. מה בעצם ההבדל בין החתול החי לחתול המת? הרי שניהם עשויים אטומים ומולקולות. גרוע מכך, לאחר מותו של החתול ניתן ליטול מגופו תאים או חיידקים ולהמשיך לגדל אותם במעבדה זמן רב. אני אמקד את השאלה: מה מבדיל בין 'חי' לבין 'דומם'? מה גרם למדוזה להיכנס למועדון החיים אבל לאבן להיתקע עם המאבטחים בחוץ?

בתמימותי חשבתי שזאת שאלה מדעית פשוטה למדי. טעיתי. הצטרפו אלי בניסיון להבהיר מה הבעיה.

Schrodingers_cat
איור 1: חתולו הזומבי של שרדינגר. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Dhatfield.

***

עד היום נתקלתי בשתי הגדרות עיקריות למושג 'חיים' שאכנה אותן כאן בשמות 'הארוכה' ו-'הקצרה'. ההגדרה הארוכה היא זאת שבדרך כלל מופיעה, למיטב הבנתי, בספרי הלימוד בביולוגיה. חיים מוגדרים כמשהו שמקיים חלק או את כל התכונות מהרשימה הבאה:

1) סדר – ליצורים חיים יש אופי מסודר, למשל אורגניזמים מורכבים מקבוצות גדולות של תאים בסידור מוגדר היטב. תאים מורכבים מקרום תא ומאברונים בסידור מיוחד.

2) גדילה והתפתחות – יצורים חיים משנים גודלם ואת צורתם בצורה הניתנת לחיזוי, לכאורה לפי תוכנית אב כלשהי.

3) הוֹמֵאוֹסְטָסִיס – איזון פנימי, יצורים חיים משמרים תנאי סביבה פנימיים ששונים באופן מהותי מהתנאים בסביבתם. לדוגמה רגולציה של טמפרטורת הגוף של יונקים, או של ריכוז המלחים בתוך תאים.

4) מטבוליזם – סט של ריאקציות כימיות הכרחיות לקיום חיים. ניתן לחלק אותן לכאלה שקשורות בפירוק חומרים אורגניים ובהפקת אנרגיה, ולכאלה שמשתמשות באנרגיה לייצר את החומרים מהם מורכב התא.

5) תגובה לגירוי חיצוני – שינוי התנהגות בתגובה לאור (למשל עלים מתכווננים לשמש), טמפרטורה (למשל 'עור ברווז'), כימיקלים ודברים נוספים.

6) רבייה – יצירה של חיים חדשים המשמרים את המידע הגנטי, אם על ידי הזדווגות או אם לאו (למשל חלוקה של תאים).

7) אבולוציה – גמישות ושינוי בתמהיל הגנטי של אוכלוסיות לאורך זמן בתגובה לתנאי הסביבה.

הבעיה העיקרית הראשונה עם הרשימה הזאת היא שישנם דברים שמקיימים חלק מהסעיפים ברשימה ואינם חיים, וישנם יצורים חיים שלא מקיימים חלק מהסעיפים. גבישים, לדוגמה, מכילים סדר גבוה וגדלים תחת תנאים מסוימים. וירוסים מתרבים ועוברים אבולוציה אך אין להם מנגנון מטבוליזם משלהם ומשתמשים במערכות של התא אליו הם נטפלים. מערכות טכנולוגיות רבות מסוגלות לחוש את הסביבה ולהגיב בהתאם. פרד עקר ואינו מסוגל (בד"כ) להתרבות. ישנן עוד דוגמאות רבות אבל אני חושב שהעניין מובן.

Mule
תמונה 2: פרד, על רקע ספינה שוקעת למצולות המדבר. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Dario u.

הבעיה העיקרית השנייה, לדעתי, היא שהרשימה נולדה מכך שאין אנו יודעים להגדיר היטב מהם חיים ולכן היא דסקריפטיבית (תיאורית) באופייה. במקום להגדיר אפריורית מהם חיים, הרשימה בעצם מתבוננת בכל הדברים שאנחנו בחרנו להגדיר כחיים ומציינת תכונות משותפות לקבוצה. במילים אחרות, הרשימה מתארת את ההבדל בין אדם לאבן, ולא באמת מגדירה מהם חיים. הגישה הזאת מיד מזכירה לי את השאלה שדנתי בה בעבר: מהו דג? ההגדרה מועילה לשיח בין אנשים, אך חסרת משמעות מדעית עמוקה.

בהשראת מחשבות של מספר פיזיקאים בנושא ובניסיון לנסח דרישה כוללנית יותר מחד ומינימלית מאידך נכתבה ההגדרה שאני מכנה 'הקצרה' עבור המושג חיים. נתקלתי במספר נוסחים ואני מתרגם כאן באופן חופשי: "[חיים הם] מערכת כימית שמשמרת ומקיימת את עצמה ומסוגלת לעבור אבולוציה". במילים אחרות, מערכות חיות הן מערכות שמסוגלות לשמר על הסידור שלהן כנגד 'רצונו של הטבע' לפזרן. היכולת שלהן לשמר את עצמן מושגת על ידי שימוש בחומר ואנרגיה שנקלטים מהסביבה. מערכות אלה משמרות את המידע שבהן על ידי העמדת צאצאים ומתמודדות עם שינויים בסביבה על ידי אבולוציה.

אם אתם שואלים אותי, המילה "כימית" בהגדרה הוכנסה בחלק מהניסוחים כדי להימנע מהכללת תוכנות מחשב במועדון החיים. דמיינו אלגוריתמים גנטיים שיושבים על רשת האינטרנט בשרתים שלא באמת ניתן לכבות. בנוסף, האם טפילים או להבדיל וירוסים מקיימים את עצמם? במובן מסוים כן, ובמובן אחר לא. מה יקרה אם ייעלמו לפתע כל הנשאים? לדעתי, גם אם יש שיפור מסוים בהגדרה הזאת הוא קטן והבעיה עדיין גדולה.

Multiple_rotavirus_particles
תמונה 3: נגיפים מסוג Rotavirus שצולמו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש GrahamColm.

מדוע, אם כן, אין אנו מצליחים להגדיר מהם חיים? היכן שורש הבעיה? אני אנסה למנות מספר אפשריות תחת שתי קבוצות.

1. חוסר ידע. אנחנו עדיין לא מבינים דברים רבים שקשורים לחיים. למשל, כיצד התפתחו החיים? כיצד התרחש המעבר בין דומם לחי? שאלת ראשית החיים היא פיל גדול שעומד לנו במרכז הסלון ודורש המון תשומת לב. שאלה נוספת היא האם חיים חייבים להיות מורכבים מחומרים אורגניים (חומרים מבוססי שרשראות פחמן)? לצערנו, עד היום יש באמתחתנו רק דוגמה עובדת אחת, החייזרים מבוששים והמחשבים עדיין לא התעוררו לחיים (טפו, טפו, טפו, חמסה, חמסה).

2. אולי השאלה אינה נכונה. אם כן, מהי השאלה הנכונה? אולי הספקטרום בין המצב 'חי' למצב 'דומם' הוא רציף ולכן החיפוש אחר ההגדרה של חי או דומם היא בעייתית. אפשרות נוספת היא שחיים אינם מצב אלא תהליך כלשהו ומכך נובע הקושי להגדירם בדרך שבה אנחנו ניגשים לבעיה. דעה נוספת שנתקלתי בה סוברת שאנחנו לא צריכים לחפש את ההגדרה של חיים, אלא תיאוריה כללית המתארת מערכות חיות. לא בטוח שהבנתי למה הכוונה. כל העסק די מעורפל.

***

ומה אתכן? אתם חיים? מצוין! מה דעתכן בנושא? האם יש לכם רעיון שלא הזכרתי? אתם מוזמנות לשתף.

——————————————————

לקריאה נוספת:

Why Life Does Not Really Exist – Ferris Jabr

Life's Working Definition: Does It Work? – Astrobiology Magazine

לגשר על הפער בעזרת ארגז כלים חדש – המלצה לקריאה בנושא אופטוגנטיקה

המוח הוא אגוז קשה לפיצוח.

קשה מאוד לגשר בין רמת הנוירון (תא העצב) הבודד, דרך רמת רשת הנוירונים ועד לרמת המוח האינטליגנטי שמקבל החלטות. מצד אחד חלק גדול מהידע המדעי שלנו על המוח כמכלול מגיע מהתבוננות על אנשים שמוחם נפגע באירוע טראומטי כלשהו או עקב מחלה (ראו למשל בספרו המפורסם של אוליבר סאקס 'האיש שחשב שאשתו היא כובע'). מצד שני ניתן ללמוד על עקרון פעולתו של נוירון בודד אותו מגדלים בתרבית תאים בצלחת במעבדה. שתי גישות אלה תרמו רבות להבנה של פעולת המוח אך שתיהן מוגבלות כל אחת בתחומה. אחת כללית מידי ואינה מבחינה ברכיבים הפועלים ברזולוציה מספקת והשניה מביטה ברזולוציה כה גבוהה שהיא מוציאה את המוח מהקשרו.

האופטוגנטיקה עלולה להיות ארגז הכלים שייתן לנו את היכולת לשלב בין הגישות, כלומר לחקור את המוח ברזולוציה של נוירונים בודדים אך בתוך האורגניזם החי.

Toolbox

תמונה 1: למקרה שאינכם יודעים כיצד נראה ארגז כלים, אז הנה. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש M.M.Minderhoud.

בשנת 2001 גילו מדענים גן מעניין שמקורו באצה חד-תאית שביכולתה לחוש באור ולנוע לעברו. הם השתמשו בטכניקות של הנדסה גנטית והשתילו את הגן בתאים, כך שהחלבון שאותו הוא מקודד ייווצר בסביבה בה הוא לא קיים באופן טבעי. כאשר הם האירו את התאים באור כחול נוצרו בקרומי התאים (הממברנות) מעין תעלות שהחלו להכניס פנימה יונים בעלי מטען חיובי כגון נתרן אשלגן וסידן. פעולה זאת גורמת לכך שהמטען החשמלי משני צידי קרום התא אינו מאוזן ולכן מתפתח עליו פוטנציאל חשמלי. כל זאת כאמור קורה רק כאשר הוא מואר. לחלבון המשונה הם קראו Channelrhodopsin.

כאשר כמות מסוימת של מטען חשמלי חיובי חודרת אל תוך נוירון, התא מייצר אות חשמלי שגורם לשחרור חומרים שנקראים נוירוטרנסמיטורים ולהפעלה של הנוירונים שאליהם הוא מחובר באמצעות קשרים סינפטיים. גילוי פעולת חלבון ה-Channelrhodopsin גרם לאותם מדענים לחשוב שאולי אם ישתילו את הגן בנוירון יוכלו לשלוט בעזרת מקור אור חיצוני על הפוטנציאל החשמלי שמתפתח עליו וכך על שידור האותות שלו.

ואז מישהו הרים את הכפפה. מדען מאוניברסיטת סטנפורד בארה"ב לקח עליו את המשימה והצליח להראות בשנת 2005 שנוירונים שגודלו בצלחת ובהם הושתל הגן שמקודד את החלבון Channelrhodopsin הגיבו חשמלית לאור. די מופלא בהתחשב שהתא לקוח מיונק והגן מאצה. בהמשך הצליחו מדענים להראות את ההשפעה של אור גם על מוחו של עכבר חי שבו הושתל הגן. מכאן כל הדרכים פתוחות וכל מה שנדרש הוא להפעיל את הדמיון ולחשוב מה ניתן לעשות בכלי המחקרי החדש הזה.

וכאן אני גם מגיע למטרה האמיתית של הרשימה הזאת והיא המלצה על מאמר של מישהו אחר. מי שאינו מכיר את נושא האופטוגנטיקה וכמוני מוצא אותו מעניין עד מאוד ישמח לקרא מאמר מעמיק וכתוב היטב בשפה ברורה מאת דר' עופר יזהר שפורסם בכתב העת אודיסאה לפני כשנתיים וחצי. דר' יזהר הוא חוקר במחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן. את עבודת המחקר במסגרת הפוסט-דוקטורט שלו ביצע במעבדתו של קארל דייסרות (Deisseroth) שהוא החוקר שהדגים את המערכת לראשונה ב-2005. לא כל יום נתקלים בשילוב של נושא מעניין וכותב מוצלח. מומלץ!

קישור למאמר