Category Archives: תמונה ראשית

לפני חמישים שנה השלימה דפנה שאשא דוקטורט בפקולטה למתמטיקה בטכניון בהנחייתו של פרופ’ אבי ברמן. כעת, 35 שנים לאחר מכן, נכדה בן ה-24 נעם קרופניק הוא סטודנט למדעי המחשב ומתמטיקה במסגרת תוכנית הטכניון למצוינים ומתחיל להשתתף במחקר בהנחייתו של פרופ’ ברמן.

דפנה שאשא נולדה בחיפה להורים שעלו מרוסיה. בתיכון היא בחרה במגמת ספרות אבל בהמשך השתקעה באהבתה הגדולה – מתמטיקה. לאחר התואר השני היא המשיכה ללימודי דוקטורט, אך אלה הופסקו מכיוון שחשה שהיא זקוקה לזמן כדי לטפל בילדיה. לאחר 10 שנים דפנה חזרה לטכניון ללימודי הדוקטורט, בהנחיית הפרופסורים אבי ברמן ודניאל הרשקוביץ, והשלימה אותו. היא לימדה במכללת תל חי ושם, לדבריה, הבינה לראשונה כמה חשובה המתמטיקה. חשובה למה? “להכול. הכול מבוסס על מ

בתמונה, מימין לשמאל: חיה קרופניק, נעם קרופניק, פרופ’ אבי ברמן ודר’ דפנה שאשא בכנס בחיפה

תמטיקה, ולכן ידע מתמטי הוא בסיס חיוני לתחומים רבים במדע ובהנדסה.”

“גדלתי במשפחה של לימודים, חשיבה והמון מתמטיקה,” מספר נעם, “והמתמטיקה עניינה אותי מגיל צעיר.” בכיתה ג’ הוא אובחן כמחונן ונכנס לתוכנית המחוננים במכללת אורנים. “שם נתקלתי בפעם הראשונה במתמטיקה שדורשת חשיבה מעמיקה, הבנה אמיתית, ונמשכתי לזה.” בכיתה ח’ הוא השתתף בנבחרת ישראל הצעירה במתמטיקה ובכיתה ט’ הצטרף לתוכנית הנשיא למדעני וממציאי העתיד, שהתקיימה בטכניון.

הטכניון לא היה זר לנעם מפני שסביו, סבתו והוריו למדו בטכניון. אביו חגי השלים תואר ראשון ושני בפקולטה להנדסת חשמל ואימו חיה – תואר ראשון בפקולטה למתמטיקה ותואר שני בפקולטה למדעי הנתונים וההחלטות שנקראה אז הפקולטה לתעשייה וניהול. יותר מכך – הם הכירו בטכניון, ונעם עצמו נולד כשהתגוררו בדירת סטודנטים בתקופת לימודיהם.

בלימודיו בתוכנית הנשיא התוודע נעם כנער לפרופ’ ברמן, שלימד קורס באלגברה מודרנית. “הייתי בן 15 והקורס פתח לי את העיניים. מייד הבנתי שיש לנו עסק עם ‘נפיל מתמטיקה’ שמאחוריו עשייה עצומה בתחום. מכיוון שסבתא שלי היא מתמטיקאית שלמדה בטכניון, שאלתי אותה אם היא מכירה את פרופ’ ברמן.”

התשובה הייתה חיובית. “בפעם הראשונה נפגשנו כשני סטודנטים בפקולטה למתמטיקה בטכניון,” מספרת דפנה על ההיכרות עם פרופ’ ברמן. “לימים המשכתי ללימודים מתקדמים והוא כבר היה חבר סגל, ורק טבעי היה שהוא ינחה אותי. לכן, כששמעתי שהנכד שלי לומד אצל אבי, זאת הייתה התרגשות גדולה.”

במהלך לימודיה נישאה דפנה לשאול שאשא ז”ל, שלמד רפואה באוניברסיטה העברית ובהדסה. שאשא התמנה לפרופסור בטכניון, בפקולטה לרפואה, וגם ניהל את המרכז הרפואי לגליל בנהריה בשנים 2006-1987. הוא עסק רבות בנושא של רפואה ורופאים יהודים בשואה וייסד כנסים בנושא זה. במרכז הרפואי לגליל הוא הקים את בית החולים התת-קרקעי – יוזמה שהצילה חיים בימי מלחמת לבנון השנייה. פרופ’ שאשא הלך לעולמו בנובמבר 2021, ונעם זוכר אותו כסבא קרוב ואוהב, והאיש החכם ביותר שאי פעם פגש.

לשאול ולדפנה ארבעה ילדים – חיה, ענת, הדס ויואב – ו-11 נכדים. נעם, בנה של  חיה, הוא בכור הנכדים, והקשר בינו לבינם תמיד היה חזק ומשמעותי.

נעם שירת כמתכנת ביחידת אופק בחיל האוויר – “שירות נפלא עם המון טכנולוגיה ואתגרים.” הוא השתחרר ב-2019 וטס לטיול באוסטריה עם סביו האהובים שאול ודפנה. “הקשר איתם תמיד היה חזק ומשמעותי, והתייעצתי איתם בכל תחנה שבה נדרשו החלטות רציניות.”

בתמונה, מימין לשמאל: נעם קרופניק, פרופ’ אבי ברמן ודר’ דפנה שאשא בכנס בחיפה

על הלימודים בטכניון הוא החליט בלי התלבטויות משמעותיות. “לא לחצו עלי במשפחה, וסבא אפילו נהג לומר לי תמיד לבחור בעצמי. ‘תעשה מה שאתה אוהב,’ הוא היה אומר, ‘ותאהב מה שאתה עושה’. אבל אני דור שלישי למתמטיקה בטכניון, ומן הסתם המורשת הזאת השפיעה עלי.”

בין הצבא לטכניון הוא הספיק לעבוד במשך שנה בפיתוח בחברת סטארט-אפ ולטייל בדרום אמריקה – טיול שנקטע בשל מגפת הקורונה. הוא הגיש מועמדות לתוכנית המצוינים – והתשובה החיובית לא איחרה לבוא.

תכנית הטכניון למצוינים מונה כ-400 בוגרים המשתלבים בחזית התעשייה והאקדמיה מתוכם רבים חברי סגל במוסדות המובילים בכל רחבי העולם ובפרט 11 בטכניון.

“תוכנית הטכניון למצוינים היא באמת מסגרת נפלאה למי שאוהב ללמוד,” הוא אומר. “יש כאן גברים ונשים מכל המגזרים, במנעד רחב של גילים ועם שלל עיסוקים ותחומי עניין – אני למשל השלמתי בגרות בפיזיקה ובמוסיקה – ומנגן בגיטרה, פסנתר, בס ותופים. מה שמשותף לרבים מאיתנו הוא שיש לנו שאיפות גדולות: לשנות משהו משמעותי בעולם. אף אחד לא ממהר לסיים את התואר במהירות, ולפחות לגביי אין ספק –אם לא יהיו הפתעות, אני אמשיך לתואר שני לפחות. ”

נעם, חיה, דפנה ופרופ’ ברמן נפגשו ב-26 בינואר בכנס לכבוד יום הולדתו ה-80 של פרופ’ ברמן.

הכנס התקיים במרכז חמ”ה – המרכז לחקר מחוננות ומצוינות באוניברסיטת חיפה.

פיתוח חדש של חוקרי הפקולטה לפיזיקה והמכון למצב מוצק בטכניון: הֶתְקֵן ראשון מסוגו הפולט באופן רציף פוטונים בודדים וזהים במצבי אשכול שזורים. הפיתוח החדשני, שהתפרסם בכתב העת Nature Photonics, הוא הישג נוסף בשרשרת ההישגים המדעיים של קבוצת המחקר של פרופ’ דוד גרשוני. המחקר בוצע בהובלתו של ד”ר דן קוגן ובהשתתפותם של ד”ר זו-אן סו וד”ר עודד קנת.

פרופ’ דוד גרשוני

פוטון הוא חלקיק אור, ופירוש הדבר שהוא החלק היסודי של האור – לא יתכן “אור מחצי-פוטון”. כמות האנרגיה שנושא פוטון בודד קרויה קוונטה – היא גדלה ביחס ישר לתדירות האור ונמצאת ביחס הפוך לאורך הגל של האור.

פוטונים שזורים (entangled photons) הם פוטונים המקיימים ביניהם קשר קוונטי ייחודי – מדידת מצבו של אחד מקבעת את מצבם של האחרים גם אם הם נמצאים מרחק שנות אור רבות מהפוטון הנמדד. במילים אחרות, מגבלת מהירות האור אינה חלה כביכול על הקשר בין פוטונים שזורים.

שזירות קוונטית בין חלקיקים נובעת מהתיאוריה הפיזיקאלית של מכניקת הקוונטים שנוסחה על ידי נילס בוהר, ורנר הייזנברג וארווין שרדינגר בשנות ה-20 של המאה הקודמת. בניגוד למכניקה הקלאסית, תורת הקוונטים איננה דטרמיניסטית והיא מתארת את הטבע באופן הסתברותי. אלברט איינשטיין התנגד לרעיון זה וטען כי “אלוהים איננו משחק בקוביות”. הוא טען שתורת הקוואנטים איננה שלמה והתווכח על כך במשך שנים רבות  עם נילס בוהר שהגן על התורה החדשה. מספרים שבוהר השיב לו: “איינשטיין, אל תגיד לאלוהים מה לעשות”.

ב-1935 ניסח איינשטיין את התנגדותו במאמר נודע שפרסם עם בוריס פודולסקי ונתן רוזן, לימים ממייסדי הפקולטה לפיזיקה בטכניון והדיקן הראשון שלה. המאמר זכה לכינוי “פרדוקס EPR” – האותיות הראשונות בשמות המחברים איינשטיין, פודולסקי ורוזן. הפרדוקס התבטא בכך שאם אכן קיימת שזירות, הרי שדי במדידת חלקיק במקום מסוים בכדי לקבוע את מצבו של חלקיק השזור אליו במקום אחר. מדובר בהשפעה מיידית שאינה כפופה כביכול למגבלת מהירות האור, דבר הנוגד את חוקי הטבע לפי תורת היחסות. לכן הסיק איינשטיין שמכניקת הקוונטים איננה תורה מלאה, ואת השזירות כינה “מעשה כשפים במרחב” (spooky action at a distance). נילס בוהר טען בתגובה כי אותה פעולה מרחוק דווקא אפשרית משום שאינה מבוססת על “השפעה מכאנית” אלא על “השפעה לוגית”. איינשטיין לא נותר חייב והגדיר את תגובתו של בוהר כ”פלפול תלמודי”.

ד”ר דן קוגן

בשנת 1962 הראה הפיזיקאי האירי ג’ון בל כי את מחלוקת איינשטיין-בוהר אפשר לבדוק באופן ניסויי. הוא הוכיח כי אם הקורלציות המדודות בין שני חלקיקים סותרות אי-שוויון מתמטי, שני חלקיקים אלה חייבים להיות שזורים. הרעיון של בל נבדק בשורה של ניסויים שנערכו בשנות ה-70, ה-80 וה-90 של המאה הקודמת על ידי ג’ון קלאוזר, אלן אספה ואנטון ציילינגר, חתני פרס נובל לפיזיקה ב-2022. הפרס, שניתן להם על “ניסויים עם פוטונים שזורים, הוכחת סתירת אי השוויון של בל והחלוציות במדע האינפורמציה הקוואנטית”, מבטא את הכרת הקהילה המדעית בצדקתו של נילס בוהר ובחשיבותה של תופעת השזירות הקוונטית.

העבודה הנוכחית של קבוצת המחקר של פרופ’ גרשוני מהווה הלכה למעשה את הדרך הטובה ביותר כיום לייצר באורח דטרמיניסטי פוטונים שזורים ולהשתמש בהם לצורכי עיבוד אינפורמציה קוונטית.

בפקולטה לפיזיקה בטכניון התפרסמו בעבר מחקרים מובילים בתחום חשוב זה, ראשית על ידי פרופ’ מחקר אשר פרס ז”ל, פיזיקאי בעל שם עולמי בעל תרומות עצומות בעיבוד אינפורמציה ובטלפורטציה קוונטית. לאחר מכן המשיכו בכך פרופ’ דוד גרשוני, פרופ’ נתנאל לינדנר ופרופ’ יוסי אברון.

ההתקנים שפיתח פרופ’ גרשוני מבוססים על נקודה קוונטית (Quantum Dot) במוליך למחצה. בשל ממדיהן הננומטריים של הנקודות הקוונטיות הן מסוגלות לכלוא אלקטרונים ברמות בדידות, בדומה לרמות האלקטרוניות של האטום, ולכן הן קרויות גם “אטומים מלאכותיים”. כאשר פולס של אור פוגע בנקודה הקוונטית הוא גורם למעבר של אלקטרון מרמת היסוד לרמה מעוררת, וכאשר האלקטרון ש

ד”ר זו-אן סו

ב לרמת היסוד נפלט פוטון אחד באנרגיה המתאימה להפרש האנרגיה בין הרמה האלקטרונית המעוררת לרמת היסוד האלקטרונית. אנרגיה זאת מגדירה בדיוק רב את אורך הגל (או צבעו) של הפוטון.

בשנת 1999 הדגימה קבוצת המחקר של פרופ’ גרשוני לראשונה כי נקודה קוונטית יכולה להיות מקור אור של פוטונים בודדים הנפלטים על פי דרישה. ב-2005 הדגימה הקבוצה יצירה של זוגות של פוטונים שזורים, ובשנת  2016 הוכיחה הקבוצה כי נקודות קוונטיות יכולות להוות התקנים הפולטים אשכולות של פוטונים שזורים באופן דטרמיניסטי.

על מחקריו פורצי הדרך זכה פרופ’ גרשוני בשנת 2012  בפרס ההתקן הקוונטי של האגודה היפנית ISCS, בשנת 2014 בפרס לנדאו למדעים ואמנויות בתחום הפיסיקה ובשנת 2021 בפרס למחקר מהקרן הגרמנית ע”ש אלכסנדר פון הומבולדט.

בעבודה הנוכחית מעוררים החוקרים נקודה קוונטית בודדת באופן מחזורי כ-500 מיליון פעמים בשנייה, באמצעות פולסי לייזר קצרים. בתגובה לכל פולס פולטת הנקודה פוטון בודד. תזמון הפולסים, עוצמתם, גודלם וכיוונו של השדה המגנטי החיצוני הפועל על הנקודה הקוונטית מתוכננים כך שהפוטון הנפלט שזור עם הפוטון שנפלט לפניו ועם זה שייפלט אחריו וכך נוצרת שרשרת ארוכה מאד של פוטונים שזורים במצב אשכול. החוקרים הראו שכל עשרה פוטונים עוקבים בשרשרת שזורים ביניהם. יתר על כן, הם הצליחו לראשונה לתכנן את ההתקן כך שהפוטונים הנפלטים ממנו יהיו כמעט זהים לחלוטין זה לזה (indistinguishable photons). תכונה זאת חשובה ביותר, שכן  היא מאפשרת (בעזרת התאבכות) אינטראקציה בין שני פוטונים מאותו מצב אשכול או בין שניים ממצבי אשכול שונים. בכך ניתן ליצור מצבי אשכול גדולים יותר ובעלי קישוריות גדולה יותר, תכונות חשובות ביותר לצורך שימוש במצבי האשכול בעיבוד אינפורמציה קוונטית.

ד”ר עודד קנת

פרופ’ גרשוני מסביר כי להישג המדעי של בניית “מכונת תפירה השוזרת פוטונים” תיתכנה השלכות יישומיות מרחיקות לכת. לדבריו, “שזירות היא תנאי חיוני בפעולה של מחשבים קוונטיים, תקשורת קוונטית וטלפורטציה, ואנחנו לא מציגים כאן קונספט בלבד אלא התקן פיזי פועל שיכול להשתלב במערכות כאלה. מאחר שהטכנולוגיות הקיימות כיום במחשוב, בתקשורת, באחסון מידע וכן הלאה מבוססות ממילא על מוליכים-למחצה, ההישג שלנו המבוסס על מוליך למחצה מתכתב היטב עם עולם ההייטק העכשווי. להערכתי יש כאן תרומה משמעותית לקראת יישומים של טכנולוגיה קוונטית בשימוש נרחב בעתיד הלא רחוק”

המחקר נערך בתמיכת הנציבות האירופית למחקר (ERC) והקרן הלאומית למדע (ISF).

לקריאת המאמר – לחצו כאן

פריצת דרך מדעית-טכנולוגית נרשמה אמש בתחנת החלל הבין-לאומית, כשהאסטרונאוט איתן סטיבה יצר בתחנה רכיבים אופטיים בטכנולוגיה שפותחה בטכניון. הניסוי הוא חלק משיתוף פעולה בין הטכניון לבין מרכז המחקרNASA Ames , כחלק ממשימת רקיע בהובלת קרן רמון ובתמיכת משרד החדשנות, המדע והטכנולוגיה.

אחד היישומים הצפויים של הטכנולוגיה החדשנית היא יצירת עדשות גדולות ומדויקות לטלסקופי חלל. לטלסקופים אלה חשיבות עצומה הן במשימה המדעית של חקר החלל והן במשימות יישומיות ובהן ניטור אסטרואידים המסכנים את כדור הארץ. גודל עדשת הטלסקופ, המשפיע על הרזולוציה המתקבלת, מוגבל כיום על ידי אילוצי שיגורם של הרכיבים האופטיים. שיגורן של מערכות הייצור, הכוללות מתקני כרסום וליטוש, אינו ריאלי.

הטכנולוגיה החדשנית שפותחה בטכניון תאפשר לייצר עדשות אלה בחלל.

את הטכנולוגיה החדשנית פיתח בטכניון צוות המחקר של פרופ’ מורן ברקוביץ מהפקולטה להנדסת מכונות. מדובר ביצירת עדשות באמצעות עיצוב נוזל בתנאי מיקרו-כבידה על סמך פיזיקה של נוזלים. אם הנוזל האמור הוא פולימר, אפשר גם להקשיח אותו לטובת ייצור רכיבים אופטיים בכל גודל.

בשלבים קודמים בחנו חוקרי הטכניון את הטכנולוגיה במערכת שבנו במעבדה; לאחר מכן הם ייצרו את העדשות במהלך טיסה פרבולית, היוצרת תנאים של מיקרו-כבידה; וכעת, לראשונה, הודגמה הטכנולוגיה בתחנת החלל על ידי האסטרונאוט איתן סטיבה במסגרת משימת רקיע. הניסוי בחלל, שארך כארבע שעות, כלל הזרקה של הפולימר, חילוץ הבועות שנוצרו בו ופילמור (התקשחות הנוזל) לכדי עדשה מוצקה. חברי קבוצת המחקר של פרופ’ ברקוביץ, שהו במהלך הניסוי בחדר הבקרה של ‘רקיע’ בתל אביב, והיו בקשר בזמן אמת עם בקרי תחנת החלל על מנת לפתור בעיות ולעקוב אחר הניסוי ל עקבו בשידור חי אחר העדשות שייצר סטיבה. כעת הצוות  ויחכו לחזרתן ארצה.

פרופ’ ברקוביץ מעריך כי זהו צעד דרמטי בדרך ליצירת טלסקופים גדולים בחלל – אתגר מורכב שעמו מתמודדים כל הגופים העוסקים בחקר החלל. “כל זה היה אפשרי בלי שיתוף פעולה אמיתי וחיובי בין כל השותפים בפרויקט המרגש הזה, ואני רוצה להודות אישית לאיתן  סטיבה, על כל הזמן שהקדיש לנו – גם בהכנות וגם בזמן היקר בתחנת החלל. זה היה ניסוי מורכב שלא היה יכול להצליח ללא היכולות הטכניות, קור הרוח והדיוק של איתן. הכישרון שלו הוא כמעט על אנושי. תודה לאנשי “רקיע” שדרך ההזדמנות הנפלאה הזו הזרימו עוררו את כל קהילת החלל בישראל לד”ר אדוארד בלבן, שותפי מנאס”א שדוחף איתי קדימה את החזון של ייצור אופטיקה בחלל, ותודה עצומה לצוות שלי, שבלעדיו כל זה לא היה קורה: ד”ר ולרי פרומקין, שהתחיל את הנושא לפני שנתיים ומעורב יחד איתי בכל אספקט של הפיתוח, עומר לוריה ומור אלגריסי שהובילו את תכנון מערכת הניסוי ובנייתה, אלכסיי רזין שבנה את המערכת במו ידיו וד”ר חאלד גומיד, עליזה שולצר, דניאל וידקר, ישראל גבאי וד”ר סיוון פרל שהתגייסו כולם ותרמו להשלמת המערכת בזמן.”

לסרטון מהניסוי אתמול:

פרופ’ שולמית לבנברג (מימין) והדוקטורנטית איריס ינוביץ’

הצלחה ביצירת סיבי שריר למאכל באמצעות הדפסה של פיגום ממקור צמחי – בכך עוסק מאמר חדש של פרופ’ שולמית לבנברג והדוקטורנטית איריס ינוביץ’ מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון, בשיתוף חברת הבשר המתורבת אלף פארמס. במחקר המתואר במאמר שותפים גם ד”ר ידידיה זגורי, ד”ר עידן רדנסקי וד”ר נטע לבון.

במאמר שהתפרסם בכתב העת Biomaterials מציגות החוקרות תהליך של יצירת סיבי שריר, תוך צמצום השימוש בחומרים הלקוחים מן החי. להערכתן, מעבר להישג המדעי-הנדסי, ייתכן שטכנולוגיה זו תאפשר בעתיד ייצור מהיר של בשר מתורבת בקנה מידה רחב.

פיתוח בשר מתורבת הוא אתגר משמעותי בעידן זה מכמה סיבות ובהן הצורך הגובר במוצרי בשר כתוצאה מגידול האוכלוסייה, הנזקים הסביבתיים שמחולל גידול הבקר והרצון למניעת צער בעלי חיים. כדי להתמודד עם אתגר הבשר המתורבת דרושות טכנולוגיות המאפשרות ייצור של נתחי בשר הדומים ככל האפשר לאלה המיוצרים מן החי, זאת בהיבטים של טעם, ריח, מרקם ובטיחות. מעבר לכך, כדי להפוך את הבשר המתורבת למזון פופולרי נדרשים תהליכי ייצור מהירים בקנה מידה גדול ובמחיר שאינו עולה משמעותית על מחיר הבשר מן החי.

פרופ’ שולמית לבנברג מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון היא מומחית בעלת שם עולמי בהנדסת רקמות. היא נכנסה לתחום הבשר המתורבת לפני כמה שנים, זאת מתוך הבנה שהמצאותיה בתחום הנדסת רקמות לצרכים רפואיים רלוונטיות לגידול בשר מתורבת. מחקריה בנושא זה הובילו להקמתה של חברת אלף פארמס, שתמכה במחקר המתפרסם כעת. בשנה שעברה הציגה אלף פארמס את נתח האנטריקוט המתורבת הראשון בהיסטוריה, שיוצר במעבדת לבנברג בטכניון, והיא ממשיכה בפיתוח מוצרים חדשים. מנכ”ל החברה הוא דידיה טוביה, פרופ’ לבנברג היא היועצת המדעית הראשית של החברה וד”ר נטע לבון היא מנהלת הטכנולוגיות הראשית.

האתגרים הגדולים בתחום הבשר המתורבת עמדו גם במרכז המחקר הנוכחי: ייצורם של נתחים עבים ויישום חומרים אלטרנטיביים כפיגומים למטרה זו. השמירה על חיוּת התאים בעומק הרקמה המתורבתת אינה משימה פשוטה, ומרבית החומרים  המשמשים כפיגומים לגידול רקמה מופקים כיום מבעלי חיים. חוקרות הטכניון מציעות במאמרן לפתור בעיות אלו באמצעות הדפסה תלת-ממדית, בדיו ביולוגי, של פיגומים שמקורם מן הצומח. הדיו מכיל את התאים שמהם תצמח הרקמה השלמה – תאי לווין שמקורם בביופסיה שנלקחה מבקר.

דיו ביולוגי זה מורכב משילוב של אלגינט (alginate, חומר שמקורו באצות) ומחלבונים שבודדו מהצומח – סויה או אפונה. הוא מוזרק בתהליך ההדפסה ליצירת פיגומים מועשרי חלבון בגאומטריות שונות. הדיו הביולוגי מודפס באמבט התומך בחומר המוזרק במהלך ההדפסה וההתמצקות.

התוצאות: לאחר הדפסת הפיגומים נצפתה חיוּת גבוהה מאוד של התאים, שגם עברו התבגרות לכדי יצירת סיבי שריר במהלך גידול הרקמה. מאחר שניתן לשלוט בגיאומטריה של הפיגומים, אפשר לשלוט בכניסה של חומרי תזונה ובסילוק של פסולת מן הרקמה המתפתחת.

התמונות מציגות את יכולת ההיצמדות וההתפרסות של תאי הלווין (באדום) על פיגומים שהודפסו בתלת-ממד לפי גיאומטריה שהוגדרה מראש, והן צולמו שבוע לאחר זריעתם על הפיגומים. תהליך זה נצפה גם בפיגומים המורכבים משילוב אלגינט עם חלבון סויה (שורה עליונה) וגם באלה המורכבים משילוב אלגינט עם חלבון אפונה (שורה תחתונה). בשני המקרים צולמו תמונות בהגדלות שונות ( 5x – טור שמאלי ואמצעי; 10x- טור ימני).

לדברי פרופ’ לבנברג, “בתהליך ההנדסי שפיתחנו במעבדה ניסינו במידה רבה לחקות את התהליך הטבעי של יצירת הרקמה בגוף החיה, והפיגום אכן תמך בהידבקות התאים, בגדילתם ובהתחלקותם. הדיו הביולוגי סייע בפיזור האחיד של התאים ואיפשר גדילה של התאים עליו. מאחר שהשתמשנו בחומרים שאינם מן החי, ובהם חלבון אפונה הידוע בכך שאינו גורם אלרגיות, יש בממצאים שלנו הבטחה גדולה להמשך פיתוח שוק הבשר המתורבת.”

למאמר בכתב העת Biomaterials  לחצו כאן

מימין לשמאל: אסיל שומר, פרופ’ עמרי ברק ופרופ’ נעמה ברנר. קרדיט: רמי שלוש, דוברות הטכניון

למרות ההתקדמות העצומה ברפואת סרטן בעשורים האחרונים, שתי תופעות פיזיולוגיות עדיין גובות קורבנות רבים בקרב החולים: גרורות סרטניות ועמידות לטיפול תרופתי. גרורות – נדידתם של תאי סרטן מהגידול הראשוני לאיברים מרוחקים – אחראיות לכ-90% ממקרי המוות מסרטן. התפתחות של עמידות לתרופות היא תופעה שונה, שגם היא נפוצה וקטלנית מאוד.

ההסבר הנפוץ לתופעות אלו מושתת על העקרונות הדרוויניסטיים המוכרים: היווצרות אקראית של מוטציות בזמן חלוקת התאים הסרטניים וברירה טבעית המוכתבת על ידי הטיפול התרופתי ורקמות היעד של הגרורות. עם זאת, תצפיות אמפיריות רבות מאתגרות גישה זו, והטיפולים המושתתים עליה אינם מגדילים משמעותית את תוחלת ההישרדות של המטופל אלא רק בחודשיים-שלושה בממוצע.

כעת מציגים חוקרים בטכניון , במאמר בכתב העת iScience, תפיסה חדשה ושונה באשר לגרורות ולעמידות. על המאמר חתומים הדוקטורנטית אסיל שומר והמנחים פרופ’ נעמה ברנר (הפקולטה להנדסה כימית ע”ש וולפסון) ופרופ’ עמרי ברק (הפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט). השלושה גם חברים במרכז לרשתות ביולוגיות. עבודה זו היא המשך של מחקר תאורטי שפרסמה פרופ’ ברנר ב-2017 בכתב העת Nature Communications.

חוקרי הטכניון מתייחסים לסיבוכים האמורים – גרורות ועמידות – כאל מופע של תהליך למידה. בתהליך זה, הלומדים הם התאים הסרטניים עצמם והלמידה מסייעת להם להתגבר על העקה שבה הם מצויים כתוצאה מהטיפול התרופתי או מאופי הסביבה החדשה אליה הגיעו מהגידול הראשוני. למידה זו אינה מבוססת על תפקיד מוגדר של חלבונים או מסלולים ספציפיים אלא על רשת האינטראקציות ביניהם. היא מבוססת על ניסוי וטעייה ברמת הרשת המוגברים על ידי העקה. מאחר שהתא אינו מצויד ב”תוכנית מגירה” להתמודדות זו, הוא מבצע חיפוש-אפשרויות אקראי.

במאמרם מציעים החוקרים אנלוגיה בין תהליכי למידה במוח וברשתות מלאכותיות לבין התהליכים המתרחשים בתוך תא בודד ברמת הרשת. הם טוענים כי תורת הלמידה מספקת מסגרת מחשבתית וכלים מתמטיים לתיאור התופעה והבנתה ומראים כיצד מושגים מתורת הלמידה שופכים אור על תופעות בלתי מובנות בתהליכים סרטניים.

הקישור בין תהליכים ביולוגיים לתורת הלמידה הוא חלק מתפיסה חדשנית המתפתחת בשנים האחרונות במרכז לרשתות ביולוגיות בטכניון. תפיסה זו מתייחסת למערכות ביולוגיות כמערכות לומדות המסוגלות להגיב אד-הוק ולהסתגל על ידי אלתור תגובות חדשות נוכח אתגרים בלתי צפויים. ניסויים שערכו חוקרי המרכז בתאי שמר, תאי עצב, סינפסות, זבובים והידרה חשפו היבטים של מורכבות במערכות הללו: ריבוי סקאלות זמן, דינמיקה בממדים גבוהים, אינטראקציות בחוג סגור, ריבוי פתרונות ואי-הדירות מיקרוסקופית. כל אלה הן תופעות משותפות המאפיינות מגוון רחב של מערכות ביולוגיות – תופעות המהוות בסיס לתהליכי הסתגלות ואינן מובנות תאורטית די צורכן. במרכז חוקרים תכונות אלו של מערכות דינמיות מורכבות ומנסים, תוך שיתופי פעולה, לחבר תצפיות ניסיוניות לתאוריה המתפתחת בתחומי הבקרה והלמידה. במרכז חברים חוקרים מפקולטות שונות בטכניון: הנדסת חשמל, פיזיקה, רפואה והנדסה כימית.

המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע. במחקר הדוקטורט של אסיל שומר תומכת האקדמיה הישראלית למדעים באמצעות מלגת אדמס. שומר השלימה בטכניון תואר ראשון בהנדסה ביוכימית (הפקולטה להנדסה כימית ע”ש וולפסון) ואת שני התארים המתקדמים בהנחיית חברי סגל מהמרכז לרשתות ביולוגיות. את הדוקטורט היא עושה בהנחיית פרופ’ נעמה ברנר (הפקולטה להנדסה כימית ע”ש וולפסון) ופרופ’ עמרי ברק (הפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט).

למאמר ב- iScience לחצו כאן

איור – אילוסטרציה רעיונית של קרב השחמט בין התאים הסרטניים לתרופות האנטי-סרטניות. רוב התמותה ממחלת הסרטן קשורה להתפתחות עמידות בפני תרופות והיווצרות גרורות. בשני התהליכים, התאים הסרטניים מתמודדים עם אתגרים קשים וחדשים ועם עקה: מציאת מעקף לתרופה, או דרך להסתגל לרקמה זרה ועוינת. למרבה הצער, לעיתים קרובות התאים מצליחים להתגבר על אתגרים אלו. כיצד זה קורה? זהו תהליך מורכב, ובין השאר התאים עוברים תהליך של למידה, הכרוך בניסוי וטעייה, תוך חיפוש בין מספר רב של תצורות ומצבים פנימיים. התיאוריה של תורת הלמידה מהווה מסגרת מחשבתית ומתמטית להבנת תהליכים אלה. סקירה של הספרות העדכנית מראה כי מושגים יסודיים של תורת הלמידה מספקים הסבר לתוצאות שאינן מתאימות לתפיסה הרווחת. קישור תהליך החיפוש למודל מתמטי קונקרטי מדגים את היתכנותו. (איור: מעיין הראל)