יום חמישי, 10 בפברואר 2011

דיסק און חיידק - קרן מרון

 

הכונן הקשיח הראשון, שפותח ב־1956, היה מורכב מ־50 דיסקים בקוטר 70 ס״מ כל אחד, וקיבולת המידע שלו היתה 5 מגה-בייט - מספיק בקושי כדי לאחסן קובץ mp3 אחד. קשה להאמין כמה התקדמנו מאז - כיום אפשר להשיג בכל חנות מחשבים כונן קשיח קטן בעל קיבולת של יותר מ-1,000 ג׳יגה-בייט. יום אחד, כנראה, גם הכוננים של היום ייראו לנו מסורבלים ובלתי יעילים. בזכות מחקר באוניברסיטה הסינית בהונג-קונג, ייתכן כי כונן העתיד יהיה... כפית יוגורט: החוקרים הראו שאפשר לשמור מידע בחומר הגנטי (DNA) של חיידקי E. coli, ולטענתם אפשר להחזיק עד 900 אלף ג׳יגה-בייט בגרם אחד של חיידקים.

איך זה עובד? תחילה, חשוב להבין כיצד אפשר להשתמש ב-DNA כדי להחזיק מידע חיצוני. ה-DNA, הנמצא בציטופלזמה של החיידק (ובגרעין התא אצל אורגניזמים מורכבים), הוא מולקולת ענק המכילה את כל המידע הדרוש לביצוע פעולות התא. מידע זה מקודד ברצפי מולקולות הנקראות נוקלאוטידים. ישנם רק ארבעה סוגי נוקלאוטידים המרכיבים כל רצף DNA: אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ותימין(T). לפיכך, אפשר לדמיין את ה-DNA כשרשרת ארוכה של ארבע האותיות הללו, כאשר כל פיסת מידע מיוצגת כרצף אותיות (נוקלאוטידים) ייחודי. ה-DNA מכיל רצפים רבים החוזרים על עצמם, וזאת כדי לוודא שהתא יוכל להמשיך לתפקד גם אם רצפי DNA מסוימים לא יפעלו כראוי מסיבה כלשהי. לכן לא ייגרם נזק רב לתפקוד התא אם בשיטות הנדסה גנטיות יוחלפו רצפים מסוימים ברצפים אחרים המכילים, לדוגמה, מידע שאנו מעוניינים לאחסן. לאחר מכן, אם נזכור היכן ברצף ה-DNA הוספנו את המידע החיצוני, נוכל לגשת למידע על ידי פיענוח גנום החיידק ו׳׳קריאת״ הקטע ששינינו.

כדי שנוכל לשלב מידע חיצוני (לדוגמה, טקסט, קובץ מוזיקה, או קובץ תמונה) בשרשרת DNAתחילה עלינו לייצג אותו כרצף נוקלאוטידים, כלומר כרצף של האותיות A, C, G ו-T. החוקרים הסינים הציעו שיטה פשוטה לתרגום תווי ASCII (שיטת קידוד להחזקת מידע במחשב) לאותיות הנוקלאוטידים. לשם הדגמה, הם קודדו את המילה iGEM (שם הפרויקט) בשפת ה-DNA, וקיבלו את הרצף ATCTATTGATTTATGT. לאחר הקידוד הפעילו החוקרים אלגוריתם לדחיסת מידע כדי לקצר את שרשרת האותיות - הן כדי לחסוך במקום והן כדי למנוע חזרות ברצף הנוקלאוטידים, דבר העשוי להפריע לתפקוד החיידק. לאחר הפקת רצף מולקולות סופי השלב הבא היה להכניסו לתוך חיידק E. coli

לשם כך התכוונו החוקרים להשתמש בשיטות הנדסה גנטיות מוכרות - שימוש בנשא (פלסמיד או נגיף) המחדיר לתא את המידע המבוקש והמשלב אותו ברצף ה-DNA הקיים. ואולם ישנה הגבלה על כמות המידע שאפשר להכניס ברצף DNA אחד, וגם על כמות המידע שנשא יכול לשאת. לכן המדענים היו צריכים לחלק את המידע בין כמה וכמה חיידקים. הדבר הציב בפניהם אתגר נוסף - כיצד להרכיב בחזרה את רצף המידע המקורי לאחר שמפענחים את החלקים השונים? 

לשם כך חילקו החוקרים את המידע לפיסות קטנות ולכל פיסה חיברו שני חלקים: כותרת, שמציינת היכן למקם את פיסת המידע ברצף המידע הסופי, וגם סיכום ביקורת - מספר שמאפשר לזהות אם רצף המידע המפוענח זהה לרצף המקורי, או אם חלו בו שגיאות.

כדי להדגים את השיטה החדירו החוקרים את חלקי המילה iGEM לתוך קבוצת חיידקי E. coli. לאחר מכן פיענחו את הגנומים של החיידקים וסידרו את פיסות המידע שהתקבלו על פי הסדר שצוין בכותרות. המידע אכן נשמר. הרעיון לקודד מידע ב-DNA של חיידקים קיים יותר מעשר שנים, אולם ההתפתחות העצומה בתחום ההנדסה הגנטית בשנים האחרונות איפשרה ליישם את השיטה. הטכנולוגיות הדרושות לשמירת המידע ופיענוחו הן אמנם מורכבות מדי לשימוש האדם הפשוט - אבל גם ב-1956 כנראה איש לא חלם שכל אדם יוכל להניח מאות ואף אלפי גייגה-בייטים של מידע על שולחן הכתיבה שלו. 

פורסם ב"גליליאו" 150, פברואר 2011

יום שלישי, 8 בפברואר 2011

מכניקת הקוונטים: עכשיו גם בשירות החיסונים - דנה אלדד

 

מדענים מהאוניברסיטה העברית ומארצות-הברית מציעים אסטרטגיה חדשה לחיסון מפני מגפות


פיזיקאי מהאוניברסיטה העברית, בשיתוף שני פיזיקאים מאוניברסיטת מישיגן שבארצות-הברית, פיתחו אסטרטגיה תיאורטית לחיסון אוכלוסיות נגד מחלות מדבקות, תוך כדי שימוש בשיטות מתחום מכניקת הקוואנטים. לפי האסטרטגיה שמציעים החוקרים, אם אין זה אפשרי לחסן את כלל האוכלוסייה נגד מגפה, אפשר לחסן באופן אינטנסיבי ובהיקף מצומצם קבוצות "נבחרות" שבהן פורצת המגפה ושמהן היא עלולה להתפשט. האסטרטגיה מבוססת על האצת קצב ההכחדה הטבעי של המחלה באמצעות חיסון סלקטיבי.

חיסון פוליו בהודו - CDC

"פעמים רבות אנו שומעים על עוד מגפה חדשה שהתפשטה בקרב אוכלוסייה מסוימת וגרמה לחלק מהאוכלוסייה לחלות", מסביר פרופ׳ ברוך מאירסון ממכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית, שפיתח את התיאוריה עם עמיתיו מאוניברסיטת מישיגן. "לעומת מרבית החולים, שיחלימו מן המחלה ויפתחו אליה עמידות, יש הסתברות גבוהה שחלק מהחולים ימשיכו להפיץ את המחלה בקרב שאר האוכלוסייה, באמצעות מגע עם פרטים בריאים.״ כדי להקטין את היקף ההידבקות נוהגת מערכת הבריאות לחסן כמה שיותר אנשים, בעיקר בקבוצות הסיכון. אם כלל האנשים מסכימים להתחסן ויש מספיק חיסונים לכולם, אזי מבצע החיסון ההמוני יכול לצמצם את תפוצת המחלה. עם זאת, פעמים רבות נתקלת המערכת בבעיות כמו סירוב של חלק מהאוכלוסייה להתחסן, אי זמינות מספקת של חיסון מסוים, עלות גבוהה של ייצור חיסון או קושי מיוחד באחסנתו.

במהלך המחקר התבססו המדענים על העובדה הפשוטה שגם בהיעדר חיסון, מחלה צפויה לגווע בסופו של דבר. ואולם, משך הזמן שנדרש עד שהמגפה שוככת באזור מסוים שבו יש מחלה בקרב אוכלוסייה גדולה עשוי להיות ארוך מאוד. מתודת החיסון החדישה שמציעים פרופ׳ מאירסון ועמיתיו אמורה להאיץ את התהליך הטבעי של צמצום המחלה. לפי האסטרטגיה אפשר לחסן חיסון אינטנסיבי רק אוכלוסיות הנמצאות בקבוצת סיכון גבוה, כמו ילדים הלומדים בכיתה שבה אחוז מסוים מן התלמידים כבר חלו, למשל בשפעת, במרווחי זמן המותאמים לגלי ההידבקות הטבעיים של המחלה ובהתאם לדינמיקה עונתית שלה.

פרופ׳ ברוך מאירסון צילום: האוניברסיטה העברית בירושלים

המדענים התבססו על האופי האקראי המאפיין גורמים רבים הקשורים להתפשטות מגפות, כגון המגע האקראי שבין אדם חולה לאדם בריא (למשל בתחבורה ציבורית או בבית הספר), הפיזור בקצב ההחלמה בקרב בני אדם שונים, וגורמים נוספים. למדענים נדרשה שיטה המתאימה לטיפול בתהליכים סטוכסטיים, המבוססים על אקראיות, מערכת שבה קיים הרבה ”רעש״(גורמים שאי אפשר לזהותם זיהוי מדויק מראש). שיטה מתאימה לכך דומה מאוד לשיטה המשמשת פיזיקאים כשהם מבקשים לעבור מתיאור קוואנטי לתיאור מקורב בנוסח הפיזיקה הקלאסית, תיאור ניוטוני.

ככל שהמערכת גדולה יותר כך הקירוב טוב יותר. תיאור אלקטרון בודד מחייב טיפול ברמת מכניקת הקוואנטים, אבל כבר בסדר גודל של מולקולה הקירוב הקלאסי יכול להיות טוב למדי. מאירסון ועמיתיו מיישמים גישה זו לתיאור מגפות ויעילות חיסונים כנגדן. כשמדובר במספר קטן של אנשים, עשרה למשל, נדרש ניתוח ״קוואנטי״: קרי סטוכסטי מלא, אבל כשמדובר באוכלוסייה גדולה, למשל 1,000 איש, השיטה ה״קלאסית״ מאפשרת תיאור טוב למדי של המערכת. התיאוריה מראה כיצד חיסון ייעודי וסלקטיבי עשוי להגדיל את קצב ההכחדה של המחלה בהשוואה לקצב ההכחדה הטבעי.

לטענת החוקרים, אף על פי שהתיאוריה שלהם טרם נבדקה באמצעות נתונים אמיתיים, חישוביהם מעידים על כך שבאמצעות חיסון אחוז קטן מן האוכלוסייה אפשר להפחית את הזמן שלוקח למחלה לגווע, מחמישה חודשים לתקופה של שלושה עד ארבעה חודשים בלבד. פרופ׳ מאירסון מדגיש כי כאשר תהיה אפשרות מעשית לחסן את כל האוכלוסייה, תהיה זאת האסטרטגיה המועדפת לעצור את התפשטות המחלה. 


פורסם ב"גליליאו" 150, פברואר 2011