ארכיון

Posts Tagged ‘ביופיזיקה’

רכילות, להג והמדען הטוב ביותר בעולם

אחד הויכוחים הישנים, הטרחניים והמשעשעים ביותר בספורט נסוב סביב השאלה מיהו הטניסאי הגדול בכל הזמנים. בשנה שעברה שודרה בארה"ב תוכנית טלוויזיה שבה דורגו 100 הטניסאים הטובים בכל הזמנים. שלושת הראשונים ברשימה היו רוג'ר פדרר (Federer), שטפי גראף (Graf) ורוד לייבר (Laver). הבעיה היא שכל אחד מהם שיחק בתקופות שונות, מול יריבים שונים, מבנה הטורנירים וכספי הזכיות היו שונים ואפילו הציוד היה שונה באופן מהותי והוביל לסגנונות משחק שונים. גם אם ניתן לבחור קריטריון כלשהו כגון מספר זכיות בטורנירי גראנד-סלאם אין באמת דרך להכריע בסוגיה בצורה משכנעת. ולמרות זאת, הדיון מבדר ומידי פעם משעשע לחזור אליו.

Steffi_Graf_2005

תמונה 1: שטפי גראף בפריס 2005. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Wikigo.

***

לפני מספר שנים התארחתי להשתלמות קצרה במרכז מחקר גדול לביופיזיקה באוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין, שהיא אחת האוניברסיטאות הטובות בארה"ב. אחד משני המנהלים של המרכז הוא פרופסור בשם Taekjip Ha (מוצא קוראני, לא יודע איך הוגים ולכן לא ניסיתי לתעתק). Ha הוא ביופיזיקאי ידוע (לפחות בקהילה) המשתמש בשיטות פיזיקליות מתוחכמות כדי להשיג שליטה על תנועתן של מולקולות בודדות, ועל ידי כך להבין תהליכים בסיסיים בביולוגיה.

כשנה אחרי הביקור גונבה שמועה לאוזני ש-Ha פרסם מאמר חדש בעיתון מדעי מוביל בנושא שמשיק לתחום עבודתי (הוא מפרסם הרבה מאמרים בהרבה נושאים). כאשר הקשתי את השם שלו במנוע החיפוש כדי לאתר את המאמר, גיליתי שיש עליו דף ויקיפדיה. תוך עלעול בדף צדה את עיני העובדה שהוא עבד באוניברסיטת סטנפורד תחת הנחייתו של אחד סטיבן צ'וּ, והעובדה הזאת עוררה בי זיכרון עמום.

מספר חודשים לפני כן נכחתי בטקס הענקת פרס סאקלר בביופיזיקה. נזכרתי בהלצה מעט מיוזעת שרצה במהלך אותו הטקס על כך שכדי לזכות בפרס צריך לעבוד אצל אחד סטיבן צ'ו בסטנפורד. הסיבה לבדיחה היתה שפרט ביוגרפי זה היה משותף לשני הזוכים.

הפרס הוענק לפרופ' סטיבן קווייק (Quake) מסטנפורד ולפרופ' שיאווי זואנג (Zhuang) מהרווארד, שני מדענים שפיתחו טכנולוגיות חדשות. קווייק פיתח (בין היתר) מקבילה למעגלים משולבים באלקטרוניקה בתחום המיקרופלואידיקה. כלומר הוא תכנן ובנה מערכת מורכבת של צינורות ומספר רב של שסתומים בסדרי גודל מיקרוניים המקבילה במובנים מסוימים למערכת של חוטי מתכת ומספר רב של טרנזיסטורים. המערכת מאפשרת שליטה עדינה ומדויקת להפליא על הזרימה של הנוזל בצינורות. אחד השימושים שהוא עשה במערכת הוא עבור ריצוף מהיר מאוד של DNA, מה שמקדם אותנו באופן משמעותי אל ריצוף גנטי זול ומהיר ואולי גם אל רפואה בהתאמה אישית. אבל זהו רק קצה הקרחון אצלו.

זואנג פיתחה טכניקת מיקרוסקופיה בסופר-רזולוציה המכונה STORM שבאמצעותה ניתן לעקוף את גבול הדיפרקציה, כלומר לראות דברים כל כך קטנים שלפי התיאוריה לא נוכל לראות באמצעות מיקרוסקופית אור. זהו נושא מרתק שעליו כתבתי בעבר בהרחבה.

צירוף המקרים עורר את סקרנותי. מיהו אותו סטיבן צ'ו ששמו שב ועולה? הקלדתי את השם אל תוך מנוע החיפוש אך לאכזבתי כל מה שקיבלתי היו כתבות על סטיבן צ'ו אחר שהיה עד לא מזמן שר האנרגיה במשטר אובמה ושהיה ידוע בתמיכתו הנמרצת במחקר באנרגיות מתחדשות. מתוך תסכול נכנסתי לדף הויקיפדיה של אותו פקיד בכיר צ'ו ושם גיליתי את העובדות המדהימות הבאות: 1) מדובר למעשה בזוכה פרס נובל לפיזיקה לשנת 1997 (ביחד עם קלוד כהן-טאנוג'י וויליאם דניאל פיליפס) על תרומתו למחקר בנושא קירור ולכידה של אטומים בעזרת לייזר, 2) במהלך עבודתו בסטנפורד החל לעסוק גם בביופיזיקה וזכה להצלחה רבה גם בתחום זה, 3) כל הצ'ו האלה שמצאתי הם אותו אדם.

Steven_Chu_official_DOE_portrait

תמונה 2: פרופ' סטיבן צ'ו, זוכה פרס נובל לפיזיקה ועד לא מזמן שר האנרגיה בממשל ברק אובמה. המקור לתמונה: Department of Energy, דרך ויקיפדיה.

***

אז מיהו איש המדע הגדול בכל הזמנים? אייזיק ניוטון, אלברט איינשטיין, אולי לואי פסטר?

הבעיה היא שכל אחד מהם שיחק בתקופות שונות, מול יריבים שונים, מבנה הטורנירים וכספי הזכיות היו שונים ואפילו הציוד היה שונה באופן מהותי והוביל לסגנונות משחק שונים. גם אם ניתן לבחור קריטריון כלשהו כגון מספר פרסומים בעיתונים מדעיים מובילים אין באמת דרך להכריע על ההשפעה שהיתה לכל אחד מהם על עולם המדע ועל עולמנו. ולמרות זאת, הדיון מבדר ומידי פעם משעשע לחזור אליו.

אם הייתי נגרר לתוך הויכוח הזה הייתי מציע מספר קריטריונים. לא חייבים להצטיין בכולם, הניקוד מצטבר.

1) מספר פרסומים מדעיים בספרים או בעיתונים מובילים.

2) תרומה כללית לעולם המדע.

3) תרומה לקהילה (המחקר רלוונטי רק במגדל השן או גם מחוצה לו? למשל פענוח מבנה ה-DNA רלוונטי לכולנו כי לכל אחד יש).

4) אימפקט לטווח ארוך (תורת היחסות רלוונטית גם היום, מודל פודינג השזיפים למבנה האטום כבר לא).

5) המציא משהו חדש או עומד על כתפי ענקים? (יש גם גוונים של אפור).

6) הצלחה במספר דיסציפלינות (רבגוניות).

7) תלמידים מפורסמים שיצאו תחת הנחייתו (ואני לא מתכוון לידוענים כג'ורג' קלוני אלא למדענים מובילים).

אז מי לפי דעתכם הוא איש המדע הגדול בכל הזמנים? מה היו הקריטריונים שלכם? אתם מוזמנים לשתף. וזכרו, בדומה לויכוח על הטניס, המטרה היא לא הכרעה אלא דיון.

מודעות פרסומת

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 🙂