התא המאלתר

חוקרים בטכניון ובמכון ויצמן למדע מציגים מודל חדש המתאר הסתגלות ביולוגית לאתגרים בלתי צפויים

פרופ' נעמה ברנר מהפקולטה להנדסה כימית בטכניון

פרופ’ נעמה ברנר מהפקולטה להנדסה כימית בטכניון

מחקר המתפרסם בכתב העת Nature Communications מציג מודל חדש של הסתגלות תאים ואורגניזמים לסביבה: אלתור תגובות חדשות מול אתגרים בלתי צפויים.

המחברים, חוקרים מהטכניון וממכון ויצמן למדע, מבססים את המחקר על מודל מקורי של רשת הבקרה הגנטית.

“מערכות ביולוגיות יודעות להתמודד לא רק עם אירועים שגרתיים אלא גם עם הבלתי צפוי,” מסבירה פרופ’ נעמה ברנר מהפקולטה להנדסה כימית בטכניון. “יכולת ההסתגלות לשינויים ולאתגרים בלתי צפויים מעידה שמעבר ל’ארגז הכלים’ שהתפתח בו במהלך האבולוציה, מצויד האורגניזם גם ביכולת אלתור; במילים אחרות, האורגניזם הוא מערכת לומדת המסוגלת להגיב אד-הוק לסיטואציות חדשות.”
פרופ’ ברנר חקרה את יכולת הלמידה האמורה ברמה המיקרוסקופית עם הדוקטורנט הלל שרייר מהתכנית הבין-יחידתית למתמטיקה שימושית בטכניון ועם ד”ר יואב סואן מהמחלקה למדעים ביו-מולקולריים במכון ויצמן למדע. לדבריה, “הבסיס החישובי שלנו הוא מודל רשת המתאר את כושר ההסתגלות של האורגניזם לסביבה המשתנה.”

“אבולוציה מסוג מסוים מתרחשת בתוך גופנו כל העת”, אומר ד”ר סואן. “כל תא בגוף, כל צמח וכל בעל חיים נדרשים להתאים את עצמם למבול בלתי פוסק של שינויים פנימיים ייחודיים לאותו הפרט. הברירה הטבעית אינה יכולה להסביר באופן מספק כיצד התאמות אלה מתרחשות, שכן מנגנון הברירה הטבעית אינו מחולל שינויים בתוך פרטים אלא על פי רוב ‘בורר’ אותם על בסיס מוטציות גנטיות שהופיעו באקראי. מנגנון הברירה הטבעית מסביר על כן תהליכי הסתגלות באוכלוסייה גדולה, אך לא בתוך כל פרט ופרט.”

 

מערכות ביולוגיות, בניגוד למערכות הנדסיות, הן תוצר של האבולוציה; הן אינן מתוכננות מראש אלא מתפתחות תוך כדי תנועה בתגובה לשינויים ולאתגרים חדשים. לדברי פרופ’ ברנר, “לתא הביולוגי מספר עצום של דרגות חופש שבאמצעותן הוא מאלתר, ובתגובה למצבים חדשים ולא מוכרים הוא מסוגל להניע תהליכים שונים של ארגון-עצמי.”

 

מתעקשים על המדע הבסיסי

הדוקטורנט הלל שרייר מהתכנית הבין-יחידתית למתמטיקה שימושית בטכניון

הדוקטורנט הלל שרייר מהתכנית הבין-יחידתית למתמטיקה שימושית בטכניון

פרופ’ ברנר עומדת בראש אחת המעבדות לחקר רשתות ביולוגיות (Network Biology Research Laboratories) הפועלות במסגרת מרכז לורי לוקיי למדעי החיים וההנדסה. “המטרה שלנו היא לקדם מדע בין-תחומי החוקר את המערכות והתופעות הביולוגיות השונות: סינפסות, רשתות נוירונים, רשתות גנטיות, התפתחות אורגניזם רב-תאי, אוכלוסיות, אבולוציה ועוד. אנחנו חיים בתקופה מרתקת – מדעי החיים והטכנולוגיות המחקריות מתפתחות ומשתכללות במהירות. למעשה, הטכנולוגיות האלה, למשל ריצוף הגנום, מקדימות את היכולת שלנו להבין את המידע שהן מספקות לנו. לכן יש לנו המון עבודה: לפתח תיאוריות על סמך הניסויים שמאפשרת לנו הטכנולוגיה. יש קושי ואתגר להגיע להבנה מעמיקה, מעבר לקורלציות סטטיסטיות שעשויות להיות בעלות ערך יישומי. לנו כמדענים באקדמיה יש הזכות והאחריות להתעקש על המדע הבסיסי.”

 

 

פרופ’ ברנר השלימה תואר ראשון באוניברסיטה העברית (פיזיקה, מתמטיקה ומדעי המחשב) והמשיכה לדוקטורט בפקולטה לפיזיקה בטכניון, בהנחיית פרופ’ שמואל פישמן. לאחר הדוקטורט החליטה לעשות “טוויסט” לכיוון מדעי החיים ויצאה לפוסט-דוקטורט אצל הפרופסורים ביל ביאליק ורוב דה רויטר ון סטיבנינק (Bialek & de Ruyter van Steveninck) במעבדות NEC – מכון מחקר פרטי הממוקם בפרינסטון, ניו ג’רזי. שם נכנסה לתחום החישוביות העצבית –  .Computational Neuroscienceאחר כך עבדה שלוש שנים באינסייטק, החברה הישראלית שפיתחה טכנולוגיה לניתוח לא פולשני – הסרת גידולים באמצעות אלומת גלי אולטרה סאונד ממוקדת. בשנת 2001 הוזמנה על ידי הפקולטה להנדסה כימית בטכניון לקחת חלק בתכנית לימודים משותפת עם הפקולטה לביולוגיה. “כאן התחלתי לחקור רשתות בקרה גנטיות בשמרים יחד עם פרופ’ ארז בראון, שאותו הכרתי בתקופת הדוקטורט כמרצה בקורס לביופיזיקה. זו היתה תקופה מדהימה – כל שבוע גילינו משהו חדש. בעבודה עם פרופ’ בראון, ובניסויים שערך פרופ’ סואן על זבובים, נחשפה יכולתם של תאים ואורגניזמים להסתגל לסביבה המשתנה באמצעות אלתור. ניסויים אלה נתנו את ההשראה לעבודה התיאורטית הנוכחית על הסתגלות ברשתות בקרה.

 

במקביל נכנסה פרופ’ ברנר לפרויקט של ניטור האבולוציה של קהילות חיידקים בטכנולוגיה חדשה – גידול חיידקים במיקרו-טיפות. בפרויקט זה מנסים החוקרים לפתח “מכונת אבולוציה” שתאפשר להם לעקוב במעבדה אחר תהליכים אבולוציוניים בין תאים בתוך הטיפה ובין אוכלוסיות הגדלות בטיפות שכנות. פרויקט זה נערך בשיתוף פעולה עם שלוש קבוצות חוקרים נוספות באירופה ובניו זילנד, ובמימון Human Frontier Science Program (HFSP).

 

למאמר המלא בכתב העת Nature Communications לחצו כאן

באיור: רשתות בעלות מבנה הומוגני (A) נבדלות מרשתות הטרוגניות (B) ביכולתן להסתגל לשינויים באמצעות אלתור.  ברשתות מהסוג הראשון (הומוגניות), כל קודקוד משפיע על מספר מצומצם של קודקודים אחרים. כתוצאה מכך נוצרת דינמיקה כאוטית ותהליך החיפוש (אקספלורציה) אינו מתכנס למצב יציב. ברשתות ההטרוגניות, לעומת זאת, כמה מהקודקודים (מסומנים כעיגולים גדולים) משפיעים על חלקים גדולים של הרשת ויוצרים דינמיקה המובילה למצב יציב

באיור: רשתות בעלות מבנה הומוגני (A) נבדלות מרשתות הטרוגניות (B) ביכולתן להסתגל לשינויים באמצעות אלתור. ברשתות מהסוג הראשון (הומוגניות), כל קודקוד משפיע על מספר מצומצם של קודקודים אחרים. כתוצאה מכך נוצרת דינמיקה כאוטית ותהליך החיפוש (אקספלורציה) אינו מתכנס למצב יציב. ברשתות ההטרוגניות, לעומת זאת, כמה מהקודקודים (מסומנים כעיגולים גדולים) משפיעים על חלקים גדולים של הרשת ויוצרים דינמיקה המובילה למצב יציב

פרופ' יואב סואן ממכון ויצמן למדע.

פרופ’ יואב סואן ממכון ויצמן למדע.