מחקרים

"קל להפוך ביצה לחביתה, אבל אי אפשר להפוך חביתה לביצה", אומר הפתגם הישן. כאשר מבשלים ביצה, החלבונים משנים את צורתם בצורה בלתי הפיכה. אבל חוקרים מאוניברסיטת תל אביב זיהו מנגנון ביולוגי שאולי יעמיד את הפתגם המוכר בספק ויאפשר לטפל בשורה של מחלות הנוצרות כתוצאה מהצטברות (אגרגציה) חלבונים בתאים. המחקר פורץ הדרך נערך במעבדה של פרופ' מרטין קופייק מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית ולביוטכנולוגיה בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס.וייז באוניברסיטת תל אביב. תוצאות המחקר התפרסמו בסוף השבוע שעבר בכתב העת Molecular Cell.

"עם הגיל נוצרים גושי חלבונים, או אגרגטים, בתאים", מסביר ד"ר קובי סימפסון-לביא שערך את המחקר במעבדתו של פרופ' קופייק. "הגושים האלה נוצרים מסיבות רבות, וזה נחשב למצב בלתי הפיך. התופעה אופיינית למספר מחלות קשות, ובמיוחד למחלות המתאפיינות באובדן תפקוד מוחי".

ככלל, רוב התהליכים בתוך התאים שלנו מבוצעים על ידי חלבונים. בדרך כלל, אלו הן מולקולות מסיסות המסוגלות לעבור ממקום למקום בתא. גושי חלבונים משבשים את היכולת הזאת ואחראים למספר מחלות, כגון סוכרת, אלצהיימר, פרקינסון וספגת המוח ("הפרה המשוגעת"). התאים מנסים לפרק את הגושים, או לערום אותם במקומות מסוימים בתא כדי למזער את ההפרעה.

תגובה לרמות משתנות של סוכר

במחקר החדש, ד"ר סימפסון-לביא בחן את התגובה של תאי שמרים לנוכחות סוכרים, ומצא שהוספת הסוכר גלוקוז למצע הגידול גורם להיערמות של חלבון בשם Std1. "תהינו האם לגושים של Std1 יש תפקיד פיזיולוגי", אומר פרופ' קופייק. "לכן עקבנו אחר התאים וראינו כי כאשר רמות הסוכר בתא ירדו, הגושים נעלמו והחלבון Std1 חזר למיקומו הטבעי בגרעין, שם נמצא הגנום של התא. מכיוון של- Std1תפקיד מרכזי בתגובה לנוכחות סוכרים שונים במצע הגידול, אנחנו משערים שההצטברות ההפיכה שלו היא מנגנון בקרה, המאפשר לתאים להגיב במהירות לרמות משתנות של סוכר בסביבת הגידול.

יצירת הגושים בחלבון Std1 תלויה באותן המערכות התאיות המובילות למחלות ניווניות של המוח. בכך, החוקרים חשפו מנגנון ביולוגי חדש לוויסות פעילות של גנים בעקבות שינויים בתנאים הסביבתיים, בדרך של הצטברות הפיכה. מחקר זה מעלה את האפשרות שלא כל הצטברות של חלבון גורמת למחלה, ושאפשר אולי להפוך הצטברות לא הפיכה להפיכה.

"תוצאות אלה מעודדות אותנו להמשיך ולחקור את המנגנון, במטרה להבין טוב יותר את המסלולים לפירוק גושי חלבונים", אומר פרופ' קופייק, "מחקר שעשוי לאפשר פיתוח טיפולים עתידיים למחלות נוירודגנרטיביות ואחרות".

במחקר חדש שהתפרסם בכתב העת Nature Astronomy, מציעים חוקרים דרך חדשה לשפר בצורה משמעותית ביותר, יחסית למדידות שהתבצעו בעבר, את השיטה הנוכחית למדידת המסה של חורים שחורים. קבוצת המחקר חוצת היבשות כוללת את פרופ' חגי נצר מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב, ד"ר חולין מחיה-רסטרפו ופרופ' פאולינה לירה מאוניברסיטת צ'ילה, ד"ר בני טרכטנברוט ממכון ETH בציריך, וד"ר דן קפלופו מאוניברסיטת מקגיל בקנדה.

המחקר מבוסס על מדידות ספקטרליות מפורטות ביותר (מדידות של אור הנפלט מגלקסיות רחוקות), מן האולטרא-סגול ועד לאינפרא-אדום, של כ-40 חורים שחורים פעילים השוכנים בגלקסיות שגילן כ-4 מיליארדי שנים. המחקר התבצע בעזרת טלסקופי ענק במצפה האירופי הדרומי ESO (European Southern Observatory). הוא איפשר לחוקרים למפות בצורה מדויקת את הפליטה הנפלטת מגוף המכונה "דיסקת ספיחה", סמוך מאד לחור השחור וקרוב הרבה יותר מענני הגז המשמשים למדידות המסה. החוקרים שניתחו את מאפייני הקרינה, מצאו שניתן למדוד בעזרתה את מסת החור השחור בדיוק רב. זוהי שיטה נוספת, בלתי תלויה בשיטה שהייתה מקובלת עד עתה, והתבססה על תנועת ענני הגז הרחוקים. היא מאפשרת לכייל ולתקן את תוצאות המדידה של השיטה הישנה כך שהמסה הנמדדת תהיה מדויקת יותר.

איך התנהגו הגלקסיות כשהיו צעירות?

לדברי פרופ' חגי נצר, "ניתן יהיה בעתיד לערוך תיקונים מעין אלה למדידות המסה הישנות במרבית החורים השחורים הפעילים." פרופ' נצר, העוסק מזה שנים רבות בפיתוח שיטות מדידת מסה של חורים שחורים, סבור כי הדבר יאפשר הבנה טובה יותר של הדרך בה חורים שחורים גדולים שהתפתחו ביקום הצעיר, השפיעו על הגלקסיות הצעירות שנוצרו באותה התקופה.

"במיוחד יש לצפות לשיפור משמעותי בהבנת התהליכים הקושרים בין הגלקסיות והחורים השחורים ביקום הצעיר, כאשר גילו היה פחות מ-4 מיליארד שנים. לדוגמא, ככל שהחור השחור גדול יותר וסופח אליו יתר גז, כך גדלה השפעת הקרינה הנפלטת מדיסקת הספיחה על הסביבה. קרינה כזו יכולה "לנקות" את הגלקסיה מענני הגז מהם נוצרים כוכבי הגלקסיה וכך להגביל ואפילו לעצור את התפתחותה. "מדידה מדויקת יותר של מסת החור השחור תאפשר לחשב טוב יותר את התהליך בו הפכה גלקסיה קטנה ביקום הקדום לגלקסיה ענקית ביקום הנוכחי", מסכם פרופ' נצר.

בתמונה: תיאור סכמתי של האזורים השונים ליד חור שחור פעיל. בצהוב ובאדום - דיסקת גז חם בעזרתה התבצעה מדידת המסה החדשה, וענני גז רחוקים (בצבע חום) שבאמצעותם התבצעו המדידות הקודמות (קרדיט: ריקרדו רמירז).

את המחקר הייחודי, שתוצאותיו מתפרסמות בימים אלה בכתב העת Nature Medicine, הובילו ד"ר ניר מהפקולטה לרפואה ע"ש סאקלר ומבית ספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל אביב, ופרופ' יצחק פריד, גם הוא מהפקולטה לרפואה ע"ש סאקלר וכן מאוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס (UCLA). 

המחקר נערך בשיתוף פעולה בינלאומי, עם חוקרי השינה פרופ' קיארה סירלי וג'וליו טונוני מאוניברסיטת וויסקונסין-מדיסון, תלמיד המחקר עמית מרמלשטיין מבית הספר סגול למדעי המוח וצוותי מחקר נוספים בפריז וב-UCLA.

"חלקים במוח נרדמו"

כדי לבדוק את המנגנון הנוירולוגי שמאחורי התגובות הלקויות בזמן חסך השינה, החוקרים ניצלו הזדמנות נדירה בה חולי אפילפסיה עוברים השתלה של אלקטרודות תוך-מוחיות, במאמץ לאתר את האזור המוחי הגורם להתקפים. למחקר התנדבו 12 מטופלים ב-UCLA, אשר אושפזו למשך שבוע בעת שהפעילות המוחית שלהם נרשמה, ובמקרים מסוימים נשארו ערים כל הלילה.

למשתתפים במחקר הוצגו תמונות של דמויות ומקומות מפורסמים, והם נתבקשו לסווג את התמונות מהר ככל האפשר, במטרה לבדוק את ערנותם. בסדרה של למעלה מ-30 ניסויים, צוות החוקרים רשם את הפעילות החשמלית של קרוב ל-1,500 נוירונים במוח.

"המחקר העלה שבזמן חסך שינה, תגובת הנבדקים לתמונות נהייתה איטית, חלשה וארוכה מהרגיל", מסביר פרופ' פריד. "הצלחנו להראות שבזמן הזה, גם תגובות של נוירונים בודדים באונה הטמפורלית - אזור המקושר עם תפיסה ראייתית וזיכרון - השתנו כתוצאה מהעייפות".

"חשוב להדגיש שמעידות אלו אינן תוצאה של מיקרו-שינה, המלווה בעצימת עיניים, מה שנקרא אצלנו 'התעפצות'", מוסיף ד"ר ניר. "כאן הנבדקים הישירו מבט לתמונה, בשעה שחלקים ספציפיים במוח שלהם פשוט נרדמו".

למדוד עייפות ולמנוע תאונות

המבט הייחודי לגבי פעילות המוח האנושי, שהתאפשר במחקר זה, חושף כיצד חסך שינה משפיע לא רק על תהליכים של קבלת החלטות ושליטה על שרירים, אלא גם על תהליכים מוקדמים של זיהוי אובייקטים, תפיסה וזיכרון. ככזה, המחקר מהווה בסיס עתידי למדידת עייפות בכבישים.

"כשאנו עייפים, גלי מוח דמויי-שינה 'פולשים' לפעילות המוח הער בזמן שאנחנו מבצעים משימות, הרבה לפני שאנחנו נרדמים ממש, או סתם עוצמים את העיניים", מסכם ד"ר ניר. "מאחר שהנהיגה בזמן עייפות מסוכנת ממש כמו נהיגה בשכרות, אנחנו מקווים שהמחקר החדש ישמש כבסיס למדידה אובייקטיבית של גלי השינה המתעצמים, כמו 'הינשופים' שמודדים את ריכוז האלכוהול בדם – לפני שהעייפות הזאת הופכת למסכנת חיים".

לכן, כאשר פרופ' מארק קרלינר מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב ועמיתו ג'ונתן רוזנר מאוניברסיטת שיקגו, הצליחו לחשב את כמות האנרגיה שעשויה להיווצר מהיתוך של סוגים שונים של קווארקים – חלקיקי יסוד שהם מאבני הבניין הבסיסיות ביותר של החומר ביקום, ומצאו כי היא עשויה להיות גדולה פי 10 מהאנרגיה שנוצרת בהיתוך גרעיני, לא פלא שהם שקלו לשמור את התגלית שלהם בסוד.

"היתוך גרעיני הוא תהליך מוכר, שבו מתמזגים גרעיני אטומים ופולטים אנרגיה. התהליך מתרחש באופן טבעי בליבות כוכבים ביקום, כמו השמש שלנו, ולמצער בני האדם למדו לנצל אותו בפצצות מימן." מסביר פרופ' מארק קרלינר מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב. "כיום נעשים ניסיונות להשתמש בתהליך זה לייצור אנרגיה בכורי היתוך גרעיני, אך ניסיונות אלה טרם הבשילו לרמה תעשייתית. במקביל, מדענים שואלים כבר זמן רב אם קיים גם היתוך בין חלקיקים זעירים יותר: חלקיקי יסוד הקרויים קווארקים, המהווים אבני בניין בסיסיות של החומר ביקום. שני סוגי הקווארקים הקלים ביותר מרכיבים את הפרוטונים והנויטרונים המצויים בתוך גרעיני האטומים. קווארקים אחרים, כבדים יותר, מרכיבים 'בני דודים' של הפרוטון והנויטרון, המכונים באריונים."

לפני חודשים אחדים גילו פיזיקאים ניסיוניים, במאיץ החלקיקים CERN הסמוך לג'נבה שבשווייץ, חלקיק מסוג חדש - באריון המכיל שני קווארקים כבדים מהסוג הקרוי 'קסום' (charm) וקווארק קל אחד. המסה של החלקיק החדש תואמת במדויק   חישוב תיאורטי שביצעו פרופ’ קרלינר ושותפו פרופ' רוזנר כבר בשנת 2014. התגלית הניסיונית, המאשרת את החיזוי התיאורטי, עוררה הדים רבים בקהילה המדעית בעולם.

כוחה של נוסחה

פרופ' קרלינר ופרופ' רוזנר הבינו כי המדידה המדויקת של מסת החלקיק בעל שני הקווארקים 'הקסומים' מאפשרת להם לראשונה לדמות תהליך של היתוך ברמת הקווארקים, ולחשב את תוצאותיו. "חישבנו מה קורה כשבאריון מהסוג שהתגלה במאיץ נוצר מהיתוך של שני באריונים שכל אחד מהם מכיל קווארק 'קסום' אחד," אומר פרופ' קרלינר. "בהיתוך כזה הקווארקים למעשה נארזים בצורה יעילה יותר. שני הקווארקים הכבדים, שקודם לכן היו נפרדים לחלוטין, נקשרים זה לזה בקשר חזק ביותר, ולכן נפלטת אנרגיה רבה. בלשון אחרת, אריזה יעילה יותר של קווארקים בתוך באריונים משחררת אנרגיה, בדיוק כשם שאריזה יעילה יותר של פרוטונים ונויטרונים משחררת אנרגיה בתהליך היתוך גרעיני רגיל."

"בהינתן המסה של החלקיקים המעורבים, לפני ואחרי ההיתוך, ניתן לחשב במדויק את כמות האנרגיה הנפלטת, בעזרת הנוסחה הידועה של אלברט איינשטיין, e=mc²." החישוב הראה שכמות האנרגיה הנפלטת בהיתוך בין שני באריונים בעלי קווארק 'קסום' היא 12 מיליון אלקטרון-וולטים, כמות דומה לזו הנפלטת בהיתוך גרעיני בין שני איזוטופים כבדים של מימן.

בהמשך ביקשו החוקרים לחשב מה יתרחש בהיתוך של שני קווארקים כבדים יותר - קווארקים מהסוג 'התחתון' (bottom), הכבדים פי 3 מקווארקים 'קסומים'. מכיוון שהתברר כי הם חזו במדויק את המסה של באריון בעל שני קווארקים 'קסומים', הם הסתמכו כעת על חיזוי נוסף, מאותו מאמר מ-2014, לגבי מסה של באריון בעל שני קווארקים 'תחתונים'. החישוב העלה כי כמות האנרגיה שתיפלט במקרה כזה גדולה כמעט פי 10 מזו הנוצרת בהיתוך גרעיני.

צפירת הרגעה

"חשוב להדגיש שלמרות שהממצאים שלנו עוררו עניין רב מבחינה תיאורטית, אין להם כל יישום מעשי," מסכם פרופ' קרלינר. "היתוך גרעיני המתרחש בכור, או להבדיל, בפצצת מימן, הוא תגובת שרשרת במצבור של חלקיקים רבים, וכך נוצרת כמות עצומה של אנרגיה. דבר כזה אינו אפשרי בהיתוך של קווארקים כבדים, פשוט מפני שלא ניתן לצבור את 'חומר הגלם' לתהליך ההיתוך. הקווארקים הכבדים מתפרקים עשירית פיקו-שנייה (*10^-13 שנייה) לאחר שנוצרו. אילו חשבנו לרגע שלגילוי שלנו יש יישום מסוכן כלשהו, לא היינו מפרסמים אותו."

את הטכנולוגיה המעניינת והייחודית הזו פיתחה הדר אלאור, דוקטורנטית בבית הספר להנדסת חשמל, בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, בהדרכת פרופסור דניאל כהן-אור מבית הספר למדעי המחשב. 

התוכנה מאפשרת הקלטה של הבעות פנים ומימיקות שונות, החל משמחה, הפתעה, כעס, חיבה ואכזבה, והטמעה של הבעות אלה בתמונת יעד, עד לכדי יצירת סרטון אנימציה. 

הפרויקט החדשני, בשיתוף שני חוקרים נוספים מפייסבוק (ד"ר יוהאנס קופף וד"ר מיכאל פ. כהן), זכה בשבוע שעבר לחשיפה באתרים בינלאומיים, בהם גם ה-BBC NEWS.

האתגר - אנימציות פנים אמינות

"המחקר עוסק בהנפשת פנים מתמונה בודדת", מסבירה אלאור, שעבודת הדוקטורט שלה מתמקדת בגרפיקה ממוחשבת ואנימציה. "הצלחנו לייצר אנימציות שונות שבהן הפנים בתמונה מחייכות, כועסות, ובאופן כללי מביעות הבעות שונות".

"זהו אחד התחומים החשובים בגרפיקה. מכל האובייקטים שניתן להנפיש ולהחיות, כנראה שפנים של בני אדם הן המעניינות והנחקרות ביותר. רצינו לייצר אנימציות אמינות - בעיה מאתגרת כיוון שבני אדם מאוד רגישים להבעות פנים, ושינויים קלים בלבד יכולים ליצור אפקט לא אמין".

בשלב הזה מאפשרת התוכנה הנפשה של תמונות דו-מימד בלבד, אך בהמשך, מבטיחה אלאור, ניתן יהיה לשלב את הטכנולוגיה הזו עם מציאות מדומה (virtual reality) ולייצר דמות תלת מימדית שמביעה רגשות מתמונה בודדת.