על חתולים והמלחמה ב-AIDS - יצהר ורדי

 

נגיף ה-AIDS החתולי עשוי להוביל לפיתוח תרופות נגד HIV / יצהר ורדי 

אם לא הזדמן לכם לאחרונה לקחת  חתול לווטרינר, ייתכן שאינכם יודעים שגם חתולים עלולים לחלות ב-AIDS. הנגיף החתולי FIV, הגורם למחלה אצל חתולים, דומה מאוד לנגיף HIV. חוקרים בטכניון סבורים שעובדה זו עשויה לסייע בפיתוח תרופות חדשות. כיצד יכול החתול לעזור במלחמה ב-AIDS? שני הנגיפים, FIV ו-HIV, תלויים בחלבון בשם אינטגרז (integrase), המחדיר את ה-DNA של הנגיף (שהוא עצמו נגיף RNA) לתוך DNA של תא נגוע. פרופסור־משנה אכרם עליאן והדוקטורנטית מיטל גלילי מהפקולטה לביולוגיה בטכניון מצאו בחלבון זה נקודת תורפה היכולה לשמש מפתחי תרופות. 

צילום:  Dror Bar-Nir

במאמר מקוון שהתפרסם לאחרונה ב- Cell structured מציגים שני החוקרים מפה מולקולרית תלת ממדית מפורטת של חלבון האינטגרז של FIV, שעשויה לסייע בהבנת אופן הפעולה של חלבון זה ב-HIV. בין השאר איתרו החוקרים שינוי ספציפי בחומצת אמינו, ממצא שיכול לשפוך אור על האופן שבו מרכיב החלבון את עצמו מאבני בניין פשוטות יותר - תהליך שאותו מבקשים מפתחי תרופות נגד HIV למנוע. ״סביר להניח״, אומר עליאן, ״שקל יותר לתכנן תרופות המתמקדות באותן נקודות ספציפיות מאשר תרופות המטפלות בכלל ממשק האינטראקציה בין חלבונים״. 

המבנה התלת ממדי של הליבה המולקולרית המורכבת של אינטגרז HIV כבר זוהה בעבר, אולם ב-FIV הצליחו עליאן וגלילי למפות את המבנה בצורה פשוטה יותר. הם גילו שמוטציה בחומצת אמינו יחידה יכולה להפוך את חלבון האינטגרז מצורתו המורכבת יותר לצורתו הפשוטה יותר ב-FIV. חומצת אמינו יחידה זו(פנילאלנין) יכולה לפעול כנקודת ״ציר״ קריטית, המחברת שתי תת יחידות מולקולריות ומאפשרת להן להסתובב על צירן בתוך ליבת החלבון הפעילה במלואה. ״הדגשת הציר היא תגלית חשובה שיש להביאה בחשבון בתכנון עתידי של תרופות המבוססות על עיכוב פעילותו של חלבון האינטגרז״, אמר עליאן. בחינה מעמיקה של המבנה הגבישי של ליבת אינטגרז של FIV חשפה גם שה״שדרה״ של הצורה הפשוטה זהה כמעט לזו של הצורה המורכבת. עובדה זו עשויה להקל על המדענים, בכך שתאפשר להם לחקור במעבדה את הצורה הפשוטה יותר, בידיעה שחלק מממצאיהם יהיו תקפים גם לליבה המורכבת יותר של חלבון אינטגרז HIV. במחקריהם הבאים מקווים גלילי ועליאן להתמקד באופן שבו עשוי הנגיף FIV להתפתח עם הזמן, כדי להמשיך ולשכפל את עצמו בתגובה למוטציה, כמו זו שיצרה את ליבת האינטגרז הפשוטה. ״מחקר זה יאפשר לנו לנבא את התפתחותם של זני נגיפים חדשים, ה׳מבקשים׳ לחמוק מפגיעתן של תרופות עתידיות או לפתח עמידות כלפיהן״, אומרים החוקרים.

פורסם ב"גליליאו" 194, נובמבר 2014

על גלידה בראשון לציון וילדים רעבים באפריקה. - שי פליישון

 

אתמול בערב קניתי גלידת Ben & Jerry's. על מכסה הגלידה צוין בסמל מיוחד כי הגלידה מיוצרת ללא רכיבים מהונדסים. תכלס אני אגיד לכם – לא ממש אכפת לי מהגלידה ולא מהחברה, שיעשו מה שהם רוצים. מי שיודע שהטענות נגד הנדסה גנטית מקורן בבורות וחוסר רצון להבין, לא יהיה אכפת לו, ומי שמפחד – אז באמת חבל ש-Ben & Jeris יפסידו כמה גרושים בגללו. הם לא מעניינים אותי.

מי כן מעניינים אותי? VIRCA.

פרוייקט (VIRCA (virus resistant cassava for africa הוא פרוייקט מדהים, ללא מטרות רווח, שיצר בעזרת הנדסה גנטית זנים של קסאבה עמידה לשני הנגיפים הקשים ביותר שפוגעים בקסאבה באפריקה. השינוי הגנטי שיצרו הוא קטן, אפסי ביחס לשינויים הקורים בשיטות אחרות, אפילו לא מיוצר שום חלבון או חומר חדש בצמח בעקבות ההנדסה הגנטית. רק מוקנה הידע לזהות את הנגיף ולהשתמש במנגנונים שקיימים בצמח כדי למנוע פגיעה.

והנגיפים, הם איומים ונוראים. מאז אמצע שנות התשעים ישנה מגפה קשה של מחלות הצמחים הללו באפריקה, כל שנה עד 40 אחוז מיבול הקסאבה הולך לפח בגללן. אנחנו מדברים על 25 מליון טונות של קסאבה שלא מגיעות לצלחת. שתבינו, הקסאבה נשמעת לנו כמזון לא חשוב אבל באפריקה זהו הגידול השני בחשיבותו. 40 אחוז ירידה ביבול הקסאבה משמעותה אחת – מוות קשה ונורא ברעב. 

אז למה אני דוחף עכשיו את הקסאבה עם גלידה של Ben & Jeris? או, אז מסתבר שהקשר הוא חזק:

קסאבה היא לא רק צמח אפריקאי. קסאבה מעובדת משמשת כרכיב מזון ברחבי העולם (טפיוקה, למשל, מכירים? אז זה זה) ואפריקה אחראית על 50 אחוז מייצור הקסאבה בעולם. חלקו הנרחב הולך להאכלת האוכלוסייה באפריקה וחלקו לייצוא, ככה זה בכלכלה. אז כדי לענות על הלחצים וההפחדות של ממשלות וארגונים "ירוקים" כביכול מאירופה, באפריקה החליטו גם כן להעביר את הקסאבה תהליך רגולטורי ארוך. כי אולי יש איזה סכנה מסתורית שתתפרץ ברגע שהקסאבה תגיע לשדה (אגב, אין, אבל מה לא עושים כדי להרגיע את הפחד האירופאי). אז בינתיים מיליוני בני אדם ממשיכים לרעוב בכל רגע כי מחכים להפגה מלאה של הפחדים האירופאים. 

וזה לא הכול – ברגע שהקסאבה המהונדסת תצא אל השוק, הולך לעמוד מולה מחסום אדיר. מה יקרה אם אירופה ויבואניות אחרות של קסאבה פתאום יסרבו לקבל את הקסאבה כמו שקרה עם יבולים אחרים? הסיכוי הגדול הוא שהקסאבה המהונדסת, שתחולק חינם לחקלאים, תלך לפח ברובה בלחץ המגדלים הגדולים והממשלות באפריקה שיפחדו מאיבוד השוק החשוב הזה. 

אז תחשבו טוב טוב בכל פעם שאתם רואים סימן כזה על גלידה או כל מוצר אחר שמפחיד אותכם מהנדסה גנטית, ועזבו אתכם שנייה מהגלידה מלאת השומן והשוקולד, יש מצב שהסימן הזה על הגלידה יהרוג עוד ועוד ילדים רעבים. 

אפשר לעצור את הרעב - רק צריך לחשוב גם על מה מפחיד אנשים רעבים ולא רק על מה שמפחיד אנשים שבעים שכמותנו.

פורסם בדף הפייסבוק של  המחבר - אוקטובר 2014

מזון מהונדס גנטית - מיתוסים ומציאות - שי פליישון

 

מדוע מהנדסים גנטית מזון? למי זה מועיל? ולמה קיימת התנגדות כל כך גדולה לנושא?

הנדסה גנטית בחקלאות יכולה לשפר את ערכם התזונתי שלל צמחי מאכל, לתרום לעמידותם בתנאי יובש ומפני התקפות מזיקים ולהגדיל אה כמות היבול בעולם שבו צריכת המזון הולכת וגדלה. בכל זאת קיימת התנגדות רבה לשימוש בה. ״הנדסה גנטית״ היא שמה המוכר של טכנולוגיה המשמשת לשינוי ממוקד של החומר הגנטי (ה-DNA) של אורגניזמים שונים, כמו בעלי חיים, צמחים וחיידקים. הטכנולוגיה מאפשרת העברה של חומר גנטי נבחר, מקטע DNA קצר הקרוי גן, מאורגניזם אחד אל תוך החומר הגנטי של אורגניזם אחר. הנדסה גנטית מיושמת כבר ברפואה ובתעשייה וכן משמשת כשיטת השבחה בחקלאות. בהנדסה גנטית בחקלאות הגן המועבר יכול להגיע מצמחים קרובים שהם בעלי יכולת הפריה עם הצמח המהונדס, או ממינים ביולוגיים רחוקים שאין להם יכולת הפריה עמו. נכון להיום קיימים בעולם 152 זנים של צמחים שהושבחו באמצעות הנדסה גנטית.

צמחים מהונדסים גנטית המיועדים לשמש כמזון עוברים בקרה קפדנית ביותר הכוללת מבחנים רבים. הליך האישור של צמח מהונדס לחקלאות הוא ארבע עד שבע שנים בארצות הברית ועלותו יותר מ־15 מיליון ש״ח (באירופה המצב חמור בהרבה). עם זאת, צמחים שמושבחים באמצעות שיטות הטיפוח האחרות אינם עוברים כל בקרה. מרבית השיטות החלופיות להנדסה גנטית אינן ותיקות ממנה בהרבה, ומעורבים בהן אמצעים ליצירת שוני גנטי גדול מזה הנוצר בהנדסה גנטית (לדוגמה, באמצעות שימוש בקרינה רדיואקטיבית או בכימיקלים הנכנסים לתא ומשנים את רצף ה-DNA) שוני אשר עשוי להגיע עד שינוי של ממש במבנה הכרומוזומים של צמחים ואף  להכפלתם (בשיטה הידועה בשם "הנדסה כרומוזומית").

שזיפים מהונדסים שעמידים לנגיפי Pox
Scott Bauer, USDA ARS 

יש לציין כי כל השיטות הסינתטיות לשינוי ה-DNA שאינן הנדסה גנטית נפוצות ממנה כהרבה. תוצרי ההנדסה הגנטית עברו בדיקות בטיחות במשך 31 השנים שבהן השיטה קיימת בצמחים ותוארו ביותר מ-2.500 מאמרי מחקר שונים. המסקנה הכוללת חדה וברורה, והיא מוסכמת על כל הגופים הבינלאומיים, הממשלתיים והאקדמיים (כולל האירופים): השיטה בטוחה לחלוטין.

מלבד הנדסה גנטית,  בטיחותה של אף שיטת טיפוח אחרת  לא נבדקה מעולם. 

תקציר הרצאה במדע על הבר - 2014

פורסם במקור ב"גליליאו" 188, מאי 2014.

מהפכת התזונה הבאה: דיאטת חיידקים מותאמת אישית - ערן סגל

 

האוכל שאנו אוכלים משפיע באופן ישיר על המשקל שלנו ועל הסיכון שלנו לחלות במחלות, אך תזונה בריאה לאדם אחד אינה בהכרח בריאה לאחר. אחת הסיבות המרכזיות להבדל קשורה בהרכב אוכלוסיית חיידקי המעי שלנו, שהוא ייחודי לכל אדם ואדם. 

״פרויקט התזונה האישי״, שעורך פרופ׳ ערן סגל עם ד״ר ערן אלינב ממכון ויצמן למדע, הוא מחקר חדשני וראשון מסוגו שבו נבדק הקשר שבין התזונה לבין הרכב חיידקי המעיים, במטרה לזהות את המזונות המתאימים ביותר עבור כל אדם. רמת סוכר גבוהה בדם היא גורם סיכון להשמנה וכן לסיבוכים רפואיים כמו סוכרת, מחלות לב ושבץ. אך בניגוד לדעה הרווחת, העלייה ברמות הסוכר בדם כתגובה לאכילת מאכל מסוים משתנה מאדם לאדם. לאחד עדיפה פסטה על פני לחם לבן, ולאחר - בדיוק ההפך. לכן כדי לשמור על רמות סוכר תקינות בדם יש לגלות מהי התגובה האישית של כל אחד לכל סוג מזון ולתכנן לו תפריט בהתאם. 

DataBase Center for Life Science (DBCLS)

אחד הגורמים העשויים להשפיע על התגובה של כל אדם למזון הוא הרכב חיידקי המעיים שלו. אוכלוסיות החיידקים שבמעי משפיעות על המצב הבריאותי, על המשקל ועל ההרגשה באופן כללי. מחקרים שנעשו במכון ויצמן למדע ובמוסדות נוספים קושרים בין הרכב אוכלוסיית חיידקי המעי של אדם לבין מחלות כמו השמנת יתר קיצונית, סוכרת מבוגרים ועמידות לאינסולין. מחלות אלה מושפעות אמנם גם מגורמי סיכון גנטיים, אך בניגוד למקור הגנטי, הרכב אוכלוסיות החיידקים במעיים ניתן לשינוי אפילו באמצעים פשוטים כמו בחירה נכונה של מזונות. פרויקט התזונה האישית, הנמצא בימים אלה בעיצומו, הוא חלק מהמגמה העכשווית של פיתוח רפואה מותאמת אישית לכל חולה.

תקציר הרצאה במדע על הבר - 2014

פורסם במקור ב"גליליאו" 188, מאי 2014.

תחושת בטן: תפקידם המפתיע של החיידקים שלנו בבריאות ובמחלה - ערן אלינב

 

אנחנו סבורים שגופנו מוכר לנו היטב, אך למעשה שוכנות בו אוכלוסיות עצומות וסמויות של חיידקים, פטריות וטפילים. חשיבותם של היצורים החד תאיים האלה, שמספרם בגוף מוערך ב־10¹⁴, הולכת ונחשפת בשנים האחרונות, הן לצורך תפקודו היומיומי של הגוף הבריא והן בהקשר של מחלות. 

ד״ד ערן אלינב חוקר את מערכת היחסים המורכבת שבין אוכלוסיות החד תאיים בגוף יונקים (בהם, כמובן, בני אדם), לבין תאי הגוף המאכסן, ואת אמצעי התקשורת שלהם. באופן זה הוא חושף את האופן שבו משפיעות אוכלוסיות החד תאיים על המחלות הנפוצות ביותר במערב, ובהן השמנה, סוכרת, סרטן, טרשת עורקים ומחלות מעי דלקתיות. המפגש הדרמטי ביותר בין אוכלוסיות החד תאיים לגוף האדם מתרחש במערכת העיכול. ריכוזי החיידקים שם הם מהצפופים ביותר, ובכל זאת במרחק שכבת תאים אחת - בתאי האפיתל המדפנים את המעי - מצוי השטח הנקי מחיידקים של פנים גופנו. 

DataBase Center for Life Science (DBCLS)

ד״ר אלינב גילה כי בשכבת תאים זו מצוי מעין חיישן, הקרוי ״אינפלמזום״ (inflammazom), המאפשר למערכת החיסונית של הגוף המאכסן לנטר את אוכלוסיית החיידקים. פגיעה בתפקוד האינפלמזום גרמה לעכברים לפתח מחלת מעי דלקתית, ובהמשך הוכחה גם מעורבותו הישירה של האינפלמזום במחלות מטבוליות ובסרטן. במחקרו האחרון גילה ד״ר אלינב כי האינפלמזום מצוי בסוג נוסף של תאים: תאי הגביע המצויים בתוך שכבת האפיתל, שתפקידם להפריש חומרים נוגדי חיידקים לתוך המעי. 

מחקר זה חשף לראשונה את המנגנון המבקר את הפרשת החומרים האלה, והציג את תאי הגביע כחלק בלתי נפרד מהמערכת החיסונית. הבנת תפקודם של החד תאיים מאפשרת לד״ר אלינב ולחברי קבוצתו להתערב ולשנות את ההרכבים ואה תפקודם של החיידקים בגופנו באמצעים שונים, למשל דרך התערבויות תזונתיות (הנבדקות במסגרת פרויקט התזונה האישית עב פרופ׳ ערן סגל), התערבויות מכוונות נגד חיידקים גורמי מחלה, ואף באמצעות החלפת אוכלוסיית החיידקים כולה בכזו שאינה גורמת למחלה.

תקציר הרצאה במדע על הבר - 2014

פורסם במקור ב"גליליאו" 188, מאי 2014.

מערכת ההגנה של הגוף: ידיד או אויב? - רונן אלון.

 

על תפקודה התקין של המערכת החיסונית ועל יכולתה לטפל במחלות

תאי הדם הלבנים, אותם תאים חיסוניים הנלחמים בפולשים ובמחלות, מנווטים את דרכם מתוך זרם הדם לכיוון אתרי דלקת באמצעות ״תמרורי יציאה״ - אותות כימיים המסמנים את מקום המעבר דרך דפנות כלי הדם אל הרקמה המודלקת שמאחוריהם. מחקריו של פרופ׳ רונן אלון חושפים את המנגנונים שבאמצעותם מצליחים התאים החיסוניים להגיע למקום הנכון, בזמן הנכון. 

כך התגלה, בין היתר, כי גם התאים החיסוניים זקוקים לקצת עזרה מידידים: מתברר כי תאי האנדותל, המדפנים את כלי הדם, פועלים כמעין ״סדרנים״ המחביאים אותות כימיים מסוימים במקום שבו רק תאי חיסון ״מאומנים״ יוכלו למצוא אותם. תאי הדם הלבנים זוחלים במהירות על הדופן הפנימית של כלי הדם באמצעות עשרות רגליים קטנות אשר נאחזות בחוזקה בפני השטח של תאי האנדותל, והן גם אלו שמזהות את ״תמרורי היציאה״ אל מחוץ לכלי הדם - אלה הן מולקולות חלבון הקרויות כמוקינים אשר ״מוצגות לראווה״ על דופן תאי האנדותל. אולם חלק מהכמוקינים הנוצרים בתאי האנדותל נשארים חבויים בתוכם. 

פרופ׳ אלון גילה כי כמוקינים אלה מיועדים לקבוצה מסוימת של תאי חיסון הקרויה ״תאים אפקטוריים״. זוהי אחת ה״יחידות המיוחדות״ של מערכת החיסון אשר ״עוברת הכשרה״ בבלוטות הלימפה, ולאחר מכן יוצאת לזהות ולהשמיד מחוללי מחלות בזרם הדם. התאים האפקטוריים מסוגלים להשחיל את הרגליים שלהם אל תוך תאי האנדותל ולחפש ולמצוא את הכמוקינים בתוכם. 

צילום באמצעות מיקרוסקופ  אלקטרונים סורק: תאים אפקטוריים מחדירים רגליים דרך הקרום של תאי האנדותל
מכון ויצמן למדע

לאחר שקיבלו את המסרים הכמוקיניים, חוצים תאי החיסון את דופן כלי הדם לכיוון היעד הסופי. שמירת הכמוקינים בתוך תאי האנדותל מבטיחה הגנה על האותות החיוניים האלה מפני שטיפה בזרם הדם או פירוק על ידי אנזימים שונים, וכן מוודאת שרק תאים אפקטורים שעברו הכשרה אכן יצליחו לקבל את האותות, לחצות את כלי הדם ולהגיע למקום הדלקת. ממצאי המחקר מגלים כי תאי האנדותל ממלאים תפקיד פעיל בהפניית תאי החיסון לכיוון הנכון, אולם כדי לקבוע את הדרך המדויקת שבה הם עושים זאת, יש צורך במחקר נוסף.

תקציר הרצאה במדע על הבר - 2014

פורסם במקור ב"גליליאו" 188, מאי 2014.

כיצד הכל התחיל? - עומר מרקוביץ

 

איך אפשר לחקור את ראשית החיים?

אחת השאלות הגדולות וחסרות המענה במדע היא כיצד נוצרו החיים מהחומר הדומם בראשיתו של כדור הארץ. בכדור הארץ הקדום התרחשה אבולוציה כימית בתוך ״מרק קדמוני״ של חומרים אורגניים. בעקבותיה נוצרו תחילה מולקולות שהיו מסוגלות לשכפל עצמן - שכפול שהוא הכרחי לקיום החיים כפי שאנו מכירים אותם כיום. לפי התפישה הרווחת המולקולות המשתכפלות הראשונות היו מולקולות ביולוגיות שאותן אפשר למצוא גם כיום בתא החי, והמועמדות העיקריות הן מולקולות RNA.

תיאוריה חלופית של פרופ׳ דורון לנצט וחברי קבוצתו, בהם הדוקטורנט עומר מרקוביץ׳, מעלה את האפשרות שהחיים התחילו מאבולוציה של מבנים פשוטים העשויים מחומרים דמויי שומן וקרויה ״עולם השומנים״ (או ״עולם הליפידים״). מולקולות השומן הן בעלות מבנה פשוט יחסית הכולל ראש וזנב. למרות פשטותן הן בעלות תכונה מיוחדת: ראשן ״אוהב מים״ ואילו זנבן ״אוהב שומן״. כאשר הן מצויות בסביבה מימית, מולקולות השומן נוטות להתקבץ באופן ספונטני בכדוריות ומפנות את צדן אוהב המים כלפי חוץ, בעוד צדן אוהב השומן מוגן בתוככי הכדורית. בלב לבה של תיאוריית עולם השומנים מצויה התייחסות אל כדוריות השומן כמכילות מידע. בניגוד למולקולות RNA, הנושאות מידע ברצף הגנטי שלהן, כדוריות השומן מקודדות מידע בהתאם למבנה שלהן (כלומר, הכמויות והסוגים השונים של מולקולות שומן בכדורית). פותח מודל שמאפשר לבצע הדמיות של התנהגות כדוריות השומן. המודל מתחיל באוסף מולקולות המתחרות על ההצטרפות לכדוריות, והתחרות מסתיימת כאשר הכדורית מגיעה לגודל קריטי. בשלב זה היא מתחלקת לשתי כדוריות בנות, והתחרות על ההצטרפות לכדוריות המשנה מתחדשת. אם החלוקה התרחשה כך שקבוצת מולקולות שומן מוצלחת נמצאת בכדורית מסוימת, היא תעודד הצטרפות מולקולות המתאימות לקבוצה. תהליך זה עשוי לחזור על עצמו בכדוריות נכדות ובכדוריות נינות, ולהיות למעשה מנגנון תורשה חדשני אשר מבוסס על מידע מבני - בניגוד למידע רצפי שעליו מבוססות התיאוריות האחרות.

מודל המתאר דרך להבנת היווצרות החיים מכדוריות המורכבות מליפידים. הציורים מתארים אבולוציה לאורך ציר הזמן, מדור לדור. הריבועים האדומים הגדולים מייצגים הופעת הרכבים בעלי יכולת שכפול גבוהה 

תקציר הרצאה במדע על הבר - 2014

פורסם במקור ב"גליליאו" 188, מאי 2014.

פרסי נובל בכימיה ישראלית - קובי לוי

 

מרכזיותו של מדע הכימיה: כיצד ומדוע קורה שמדענים ישראלים רבים יחסית זוכים בפרסי נובל דווקא בתחום זה?

2011,2009,2004 ועכשיו גם 2013: הפרס היוקרתי ביותר על הישגים במדע הכימיה הוענק לישראלים שחוקרים (או שחקרו) במוסדות מחקר ישראליים. ארבעת פרסי הנובל הוענקו כולם עבור הישגים בתחום הכימיה, אך תחומי המחקר היו שונים זה מזה: אחד מהם היה קרוב יותר לפיזיקה, אחר לרפואה. הפרסים ניתנו כולם עבור הישגים בתחום הכימיה בזכות תרומתם להבנתן של מולקולות מורכבות, המוציאות לפועל תהליכים ביולוגיים. 

מחקריה של פרופ' עדה יונת על הריבוזום, לדוגמה, תרמו להבנת אחד התהליכים הביולוגיים הבסיסיים ביותר בתא - תרגום RNA לחלבונים. אולם סיפקו גם שיטות מחקר ותובנות על פעולתן של מולקולות חלבון גדולות.

מולקולות רבות, החיוניות ביותר לגוף החי, מורכבות ממספר גדול מאוד של אטומים. אלו הם החלבונים וחומצות הגרעין (DNA ו-RNA), הפרוטאוזום והריבוזום, שעמדו במרכז מחקריהם של הרשקו וצ'חנובר ושל יונת, הם דוגמאות לחלבונים כאלה, המכילים אלפי אטומים. 

אחת השאלות המרכזיות הנחקרות כיום על ידי חוקרי חלבונים  היא כיצד מצליחים חלבונים להתקפל במהירות ובדייקנות, ומהי הדינמיקה של התהליך. מחקריהם של ורשל, לויט וקרפלוס הניחו את הבסיס ללמידת התהליך באמצעות הבנה הכוחות הפועלים בתוך המולקולה. הם יצרו משוואות פשוטות יחסית המתארות את התנהגות האטומים במולקולה, ואלה תורגמו לתוכנת מחשב. התוכנה מאפשרת תיאור של האטומים בחלבון (או בכל מולקולה מורכבת אחרת) ומעקב אחר תנועתם.

מתוצאות המחקר של פרופ׳ עדה יונת: מבנה התת יחידה הגדולה של הריבוזום,
ובתוכה מולקולת אנטיביוטיקה החוסמת את פעילותה

תמונה: מכון ויצמן למדע

 היכולות החישוביות המתקדמות של היום מאפשרות להשתמש בבסיס זה כדי ללמוד קיפול חלבונים מתוך שיקולים פיזיקליים וכימיים בלבד, ולהבין כיצד מולקולת חלבון מצליחה לבצע פעילות ביולוגית (להאיץ תהליכים, לקשור מולקולות אחרות ועוד). במקרים רבים מצליחים כלים חישוביים אלה לנבא תופעות הנצפות מאוחר יותר בניסויי מעבדה. גישות תיאורטיות וחישוביות הפכו מקובלות מאוד בתחומי הכימיה והפיזיקה, והן עתידות להפוך לכלי סטנדרטי לצורך הבנת מולקולות גדולות ומורכבות המשתתפות בתהליכים ביולוגיים.

תקציר הרצאה במדע על הבר - 2014

פורסם במקור ב"גליליאו" 188, מאי 2014.

מדרווין ועד ביואינפורמטיקה - צחי פלפל

מה יוצר השילוב בין מדעי המחשב וביולוגיה?

השילוב בין מדעי המחשב וביולוגיה - הביואינפורמטיקה - הפך לאחד הכלים החשובים והבסיסיים במחקר המדעי. פרופ׳ צחי פלפל שמחקריו מתמקדים באבולוציה, משתמש בכלים ביואינפורמטיים כמו מודלים ממוחשבים וסריקה ממוחשבת של מאגרי נתונים עצומים, לצד ניסויי מעבדה המדמים אבולוציה במבחנה. המחשב מהווה בעבורו כלי מחקרי חיוני, אולם כבר בעתיד הקרוב הוא צופה כי המחשב לא יהיה עוד כלי מחקר פסיבי, אלא ייקח חלק פעיל בתהליכים אבולוציוניים. 

הרעיון הזה, שכבר מתחיל לקדום עור וגידים בקהילה המדעית, עלה בראשו בעקבות אחד ממחקריו האחרונים, שבו גרם למוטציה מכוונת בתאי שמרים, אשר הובילה לפגיעה ביכולת הגידול שלהם. השמרים מצאו פתרון לבעיה לאחר תהליך אבולוציוני של כחודשיים, אך העובדה המעניינת היא שצוות המדענים ניחש מראש את האסטרטגיה שינקטו השמרים, כלומר, הם הצליחו לקבוע במדויק את סוג ומיקום המוטציה שתפתור את הבעיה הביוכימית שנוצרה. ״אם כך״, אומר פרופ׳ פלפל, ״מדוע לחכות חודשיים ולא מיד לעזור לשמר?״. בשימוש פשוט במחשב אפשר לסרוק את הפתרונות האפשריים, לבחור בפתרון האידיאלי, ולגרום למוטציה שתעזור לשמר. 

דוגמה נוספת למעורבות אפשרית של המחשב בתהליך האבולוציוני קשורה לתופעה ביולוגית הנפוצה בעיקר בעולמם של החד תאיים. כשחיידק נמצא בעקה הוא יכול להפעיל מנגנון המאפשר לו לקלוט מקטעי DNA מיצור אחר בסביבתו, לכלול אותו בגנום ולהשתמש בו. התהליך הוא אקראי, אולם קיים סיכוי שהמקטע אכן יפתור את הבעיה.

העברה כזו אפשרית גם בין יצורים רחוקים מאוד זה מזה מבחינה גנטית, אולם היא דורשת קרבה פיזית ביניהם.

אם נדמיין חיידק הנמצא בעקה בים התיכון, וחיידק באוקיינוס האטלנטי הנושא את הגן שיוכל להציל אותו, המקום היחיד שבו הם יכולים להיפגש הוא במחשב של המדען: שם אפשר ליצור מודל שיבדוק את הגנום של החיידק הנמצא בעקה. לסרוק את כל החיידקים שהגנום שלהם ידוע ולחפש גן שעשוי לפתור את הבעיה. לאחר מכן אפשר לייצר את הגן הדרוש ולהחדיר אותו לחיידק הים תיכוני. 

על פי פרופ׳ פלפל, ״אנו צועדים לקראת עידן שבו המחשב והביואינפורמטיקה יחוללו תהליכים אבולוציוניים. אפשרויות אלה יקנו משמעות חדשה למושג ׳אבולוציה״ השימוש בשיטות חדשות אלה כבר נעשה בפועל - בחברות מסחריות הבוחנות, בין היתר, אפשרויות אלו להשבחת זני צמחים. 

תקציר הרצאה במדע על הבר - 2014

פורסם במקור ב"גליליאו" 188, מאי 2014.

נגיפים ענקיים מסתוריים - ד"ר יעל מוצפי

מאין הגיעו ומה יוכלו לתרום להבנתנו את עולם הנגיפים?

אחת ממשפחות הנגיפים המרתקות היא נגיפי המימי (Mimivirus), הידועים בשל גודלם יוצא הדופן – פי חמישה עד עשרה מכמעט כל נגיף מוכר אחר. המשפחה זוהתה רק בסוף המאה ה-20, כיוון שממדיהם החריגים של "בני המשפחה" לא אפשרו לזהותם באמצעים מקובלים. גם הכמות של החומר הגנטי שהם מכילים גדולה בהרבה מזו הנמצאת בנגיפים רגילים. תכונות אלה מחייבות אותם לפתח שיטות הדבקה יעילות וייחודיות – הן בשלב שבו פולש הנגיף לתא המארח, והן בשלב שבו מיוצרות "קופסאות" חלבוני המעטפת של הנגיף בתא המארח, והחומר הגנטי נוצר ומוזרק לתוכן. ד"ר יעל מוצפי, ממעבדתו של פרופ' אברהם מינסקי, חוקרת את שיטות הפעולה ייחודיות של נגיפי הענק. באחד מהמחקרים סיפקו ד"ר נתן זאוברמן וד"ר מוצפי תמונות תלת-ממדיות של הפתחים שדרכם מועבר החומר הגנטי הנגיפי מהנגיף אל התא המודבק, ושל התהליך שבו "מוזרק" החומר הגנטי הנגיפי אל תוך קופסאות חלבוני המעטפת. התברר, כי בניגוד לכל הנגיפים שנבדקו עד כה, נגיף המימי משתמש בשני פתחים שונים – אחד לצורך יציאת החומר הגנטי מהנגיף אל התא המאחסן, ושני לצורך כניסת החומר הגנטי לתוך קופסאות חלבוני המעטפת. נוסף על כך, סלילי ה-DNA המועברים אינם מאורגנים כחוט ארוך (כפי שקורה בנגיפים אחרים), אלא כגוש דחוס וארוז היטב. המדענים סבורים כי סידור זה נדרש לצורך ייעול התהליך, לאור הכמות הגדולה של החומר הגנטי. תמונות שצולמו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים, במהלך פלישה של נגיף מימי לתא אמבה, מראות בפרטי פרטים את תהליך ההדבקה. הפאות של קופסת חלבוני המעטפת של הנגיף נפרדות ונפתחות כלפי חוץ ויוצרות שער גדול דמוי כוכב. הקרומית הפנימית של הנגיף מתאחה עם קרומית תא האמבה, ונוצרת תעלה רחבה, המובילה אל תוך התא. נוסף על כך, הראו החוקרים כי הנגיף יוצר מרכז ויראלי ענק בתא המאכסן, שבו מתרחשים השכפול וההרכבה של הנגיפים הגדולים. המדענים אומרים כי חקר מחזור החיים של נגיפי מימי עשוי להניב תובנות באשר לנגיפים רבים אחרים, לרבות כאלה הגורמים למחלות בבני אדם.

נגיפי mimivirus מבעד למקרוסקופ האלקטרונים
באדיבות מכון ויצמן למדע

תקציר הרצאה במדע על הבר - 2014

פורסם במקור ב"גליליאו" 188, מאי 2014.

הסרטן והנגיף המוזר - יום הולדת 100 לאחד הביולוגים הבולטים במאה ה-20 - איתי נבו

רנאטו דולבקו (Dulbecco), מחשובי חוקרי הנגיפים והסרטן, במאה ה-20 נולד במחוז קלבריה שבדרום איטליה, לפני 100 שנים (22.2.1914). בגיל 16 כבר סיים את לימודי התיכון, והצטיין מאוד במתמטיקה ובמדעים מדוייקים. בסופו של דבר בחר דווקא בלימודי רפואה. בגיל 22 כבר סיים לימודי רפואה באוניברסיטת טורינו, אך נהנה יותר מהמחקר הביולוגי שעשה במעבדתו של הפרופסור לאנטומיה והיסטולוגיה, ג'וזפה לוי. שם התוודע דולבקו לשני סטודנטים שיהיו לימים חבריו הקרובים: ריטה לוי מונטלצ'יני (Levi Montalcini) וסלבדור לוריה (Luria), שניהם יזכו בעתיד בפרס נובל ברפואה.

רנאטו דולבקו - 2012-1914

מהמחתרת לארה"ב

לאחר לימודיו גוייס דולבקו לצבא. כעבור שנתיים שוחרר וחזר למחקר אצל לוי, אבל עם פרוץ מלחמת העולם השניה גוייס שוב, נפצע בחזית הרוסית ושוחרר מהצבא. לאחר נפילת משטרו של מוסוליני, הצטרף למחתרת שפעלה נגד הנאצים, והיה שותף בעיקר לפעילותה הפוליטית. במקביל, שב לעבודת המחקר, ואף למד קורסים מתקדמים בפיסיקה. לאחר המלחמה דחקה בו לוי-מונטלצ'יני, לצאת לעבוד בארה"ב, כפי שהיא עצמה עמדה לעשות, וב-1947 הם חצו יחד את האוקיינוס האטלנטי. דולבקו הצטרף לעמיתו לשעבר, לוריה, במעבדה קטנה באינדיאנה, שם ניצל את הידע שלו בפיסיקה לחקור את השפעת האור על נגיפים תוקפי חיידקים (בקטריופאג'ים). זמן קצר לאחר מכן הוצעה לו משרת חוקר במכון הטכנולוגי של קליפורניה (CalTech), שם המשיך בחקר הבקטריופאג'ים. בשנות ה-50 קיבל המכון תרומה גדולה למימון מחקר בנגיפים מחוללי מחלות, ודולבקו פנה לתחום הזה. בזכות נסיונו הרפואי הוא פיתח שיטה לגדל נגיפים ולחקור אותם בעזרת תרביות תאים, והצלחותיו בתחום הביאו לקידומו לדרגת פרופסור. בסוף שנות ה-50 נכנס בעקבות תלמידו, הווארד טמין (Temin), לתחום חדש: נגיפים גורמי סרטן.

סרטן ואיידס

ב-1911 גילה החוקר האמריקני פייטון רוס (Rous) כי הזרקת נגיף מסויים לעופות, גורמת להופעת גידולים סרטניים בעוף. התגלית נזנחה לשנים רבות, אבל עם התפתחותם של כלים גנטיים חדשים לאחר פענוח מבנה ה-DNA, שב והתעורר ביתר שאת העניין המדעי בגנטיקה של סרטן. דולבקו ותלמידיו החלו להתעמק בתחום, בנסיון להבין כיצד מחולל הנגיף את השינוי הגנטי הגורם לאובדן הבקרה על חלוקת התאים. ב-1962 עזב דולבקו את קאל-טק, והצטרף למכון מחקר בקליפורניה שייסד ג'ונה סאלק (Salk), מפתח החיסון נגד שיתוק ילדים. שם התחיל לחקור נגיפים שנחשדו כמחוללי סרטן בבני אדם, בהם נגיף הפולימה (Polymavirus) ו-SV-40.

כמו כל היצורים החיים, נגיפים מייצרים חלבונים על סמך מידע גנטי. המידע שמור ב-DNA, וכשהתא זקוק לחלבון מסויים, הוא מעתיק מקטע מה-DNA לעותק קצר של חומר דומה, RNA, ומייצר על פיו את החלבון. ב-1970 גילו שניים מתלמידיו לשעבר של דולבקו, טמין (שהוזכר קודם) ודייויד בלטימור (Baltimore) – ממצא מפתיע. שניהם בודדו בנפרד בנגיפים אנזים העושה את הפעולה ההפוכה, ומייצר DNA על פי המידע האצור ב-RNA. האנזים הזה נקרא reverse transcriptase (כלומר, משעתק לאחור), והנגיפים שהוא קיים אצלם כונו רטרו-וירוסים, משום שהתהליך הגנטי אצלם הפוך מהמקובל. אף על פי שדולבקו עצמו לא היה מעורב ישירות בגילוי המהפכני, הוא נעשה בהשראתו ובשיטות שפיתח במעבדתו, ופרס נובל לרפואה הוענק לשלושתם יחד ב-1975. חשיבותם העצומה של הרטרו-וירוסים התבררה כמה שנים לאחר מכן, עם הגילוי שהם מחוללים מחלות נוספות, ובראשן איידס. הגילויים של טמין, בלטימור ודולבקו הניחו את היסוד לפיתוח התרופות לטיפול במחלה.

אחרית דבר

גם לאחר הפרס המשיך דולבקו במחקר מדעי ועסק רבות בחקר המנגנונים הביולוגיים של סרטן השד. ב-1986 היה מהחוקרים השותפים בהשקת המיזם לפענוח גנום האדם. בשנות ה-90 שב לכמה שנים לאיטליה, שם שימש נשיא המועצה הלאומית למחקר. ב-1997 חזק לקליפורניה, והמשיך לעבור על חקר סרטן השד במכון סאלק, כמעט עד יומו האחרון. ב-2012 הלך לעולמו, ימים אחדים לפני יום הולדתו ה-98. במשך כל תקופת עבודתו המדעית שימש דולבקו חונך ומדריך לשורה ארוכה של תלמידים וחוקרים, ורבים מתלמידיו זכו גם הם בפרסי נובל.

פורסם במקור בבלוג המאור הקטן של רשת ב וגם ב"תפוז בלוגים"