רשתות של גנים, תאי עצב במוח, שרשרות מזון, וכן רשת האינטרנט מתארגנות על-פי עקרונות בנייה שחלקם משותפים
יבשם עזגד
קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/weitzman101102.html
קבוצת מחקר שבראשה עמד ד"ר אורי אלון מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא במכון ויצמן למדע, חשפה כמה מתכונים (מוטיבים) שלפיהם מתארגנות רשתות מסוגים שונים. במחקר שממצאיו התפרסמו בכתב העת המדעי "סיינס", גילו המדענים שכמה מאותם עקרונות בנייה משותפים לרשתות של גנים, או תאי עצב במוח, או שרשרות מזון בטבע, ואפילו לרשת האינטרנט. תגלית זו היא צעד חלוצי וחשוב בדרך לפיתוחה של הרפואה העתידית, שתאפשר "תיקון" והחזרה לפעולה של מערכות ביולוגיות ש"התקלקלו".
השיטה המתמטית שבאמצעותה בוצעה התגלית הוצעה על-ידי ד"ר אלון במאמר שפורסם לפני חודשים אחדים בכתב העת "ניצ'ר ג'נטיקס". במחקר הנוכחי הצליח ד"ר אלון להוכיח שעקרונות השיטה אכן מתקיימים בפועל במספר רב של מערכות ורשתות בתחומים שונים.
השיטה נולדה כתוצאה מהערכתו של ד"ר אלון שמתכוני בנייה שממלאים תפקיד חשוב בטבע יופיעו בתדירות גבוהה הרבה יותר מזו הצפויה באופן אקראי. קו מנחה זה, סבר ד"ר אלון, עשוי להוביל למציאת העקרונות של בניית רשתות שונות במערכות ביולוגיות. באמצעות אלגוריתם שפיתח, בחן ד"ר אלון ממצאים מדעיים רבים הקיימים במערכות של מספר מיקרו-אורגניזמים ובעלי-חיים שנחקרו רבות ושהמידע שהצטבר עליהם רחב ומקיף. במחקר זה הוא הבחין בעובדה שמספר תבניות במערכות אלה הופיעו בתדירות הרבה יותר גבוהה בהשוואה לשיעור שבו הופיעו ברשתות אקראיות שהוא בנה לצורך ההשוואה. ד"ר אלון שיער כי תבניות אלה, החוזרות על עצמן, מייצגות עקרונות עמוקים שלפיהם מתארגנות מערכות ורשתות ביולוגיות.
"באופן מפתיע", אומר ד"ר אלון, "מצאנו שני מוטיבים משותפים במערכות גנטיות ועצביות. כפי הנראה שתי המערכות האלה, ששתיהן עוסקות בעיבוד מידע, בחרו להתארגן בדרך דומה. ייתכן שהמוטיבים המשותפים נבחרו במגמה להפחית את עוצמת ה'רעש הביולוגי' ולאפשר בכך הפעלה וכיבוי מורכבים ומדויקים יותר של הגנים או תאי העצב. אנו סבורים שהתבניות המשותפות מעצבות מעגלי תקשורת חשובים במיוחד, הממלאים תפקידי מפתח בתהליכי הבקרה של התא. תפיסה 'אדריכלית' או 'הנדסית' זו מזכירה את דרך פעולתם של מהנדסי אלקטרוניקה המשלבים שוב ושוב את אותם מעגלים אלקטרוניים ידועים במרכזן של מערכות טכנולוגיות שונות".
חשיפת אופיים של עקרונות הבנייה של מערכות ורשתות ביולוגיות, וכן העובדה שכמה מהם משותפים למערכות שונות, עשויה לסייע למדענים לקטלג את המערכות (כפי שגמלים ועכברים שייכים שניהם לאותה משפחה, משפחת היונקים, מערכות גנטיות ועצביות יוכלו גם הן להיות משויכות לאותה המשפחה). משמעותו של השיוך המשפחתי עשויה להיות רחבה למדי. ד"ר אלון אומר שייתכן שבדרך זו אפשר יהיה, למשל, ללמוד על המערכת העצבית של בעלי-חיים, באמצעות חקירתה של המערכת הגנטית בחיידקים, שהיא יותר נגישה.
"החלום", אומר ד"ר אלון, הוא למצוא ולהבין את כל החוקים המושלים בגופנו, ובכך לחשוף לגמרי את דרך פעולתו של התא החי, ואת הדרכים לתקנו, אם וכאשרה הוא מתקלקל. יום אחד, בעתיד הרחוק, אנו מקווים שעבודתו של רופא תהיה דומה לזו של מהנדסי חשמל היום: הם בוחנים את תוכנית הבנייה של בעל-החיים או האדם ה'מקולקל', ואז, פשוט מתקנים אותו ומחזירים אותו לפעילות תקינה".
בצוות המחקר של ד"ר אלון השתתפו תלמידי המחקר רון מילוא, שלו איצקוביץ, נדב קשטן, ושי שן-אור.
עקרונות בנייה משותפים לרשתות שונות:
1. היזון קדמי
תבנית זו הקרויה "היזון קדמי" מצויה ברשתות של בקרת גנים וברשתות עצביות, והיא משמשת, כנראה, לניטרול "רעש ביולוגי" ולביצוע של מדידות מהירות.
כדי שגן Z יתבטא, או כדי שתא עצב Z ישגר אות חשמלי, שני התאים X ו- Y חייבים לשלוח אליו אות בעת ובעונה אחת (מולקולת תקשורת במקרה של הגנים, או אות חשמלי בדוגמת תאי העצב).
2. מתג קומבינטורי
תבנית זו, המכונה "מתג קומבינטורי", מיושמת בבקרת גנים וברשתות עצביות. שילובים שונים של X ו- Y, נותנים תוצאות שונות של a ו – b.
3. פס ייצור
תבנית זו, המכונה "פס ייצור", מיושמת ברשתות של בקרת גנים.
כש – X מופעל, אפילו בעוצמה נמוכה יחסית, הדבר יתבטא בתוצר a. ככל שעוצמת הפעילות תעלה, יתחילו להיווצר, לפי הסדר, גם b, c, ו- d. "כיבוי" המערכת יתבטא בהפחתת הייצור של התוצרים השונים, בסדר הפוך.
4. שרשרת מזון
תבנית זו – השונה ממתכונות הפעולה הקיימות ברשתות של גנים ותאי עצב – מתארת עקרון מבני של שרשרות מזון בטבע. טורפים, בדרך כלל, אינם אוכלים את המזון של בעלי-החיים שהם טורפים. למשל, אריה טורף את הצבי שאוכל עשב, אבל האריה אינו אוכל עשב.
אוכלי-כל, דוגמת בני-אדם, הם נדירים בטבע, והתבנית המתארת את שרשרת המזון שלהם היא זו המכונה "היזון קדמי".
5. מסלולים מקבילים
תבנית זו מיושמת, למשל, בשרשרות מזון בטבע וברשתות עצביות. בעלי-חיים הנטרפים על-ידי אותו טורף (לדוגמה, צבי וזברה, הנטרפים שניהם על-ידי אריה), ניזונים בדרך כלל מאותם סוגי מזון (בדוגמה זו – עשב). תבנית זו לא נמצאה במידה מובהקת ברשתות של גנים, אך היא מופיעה ברשתות של תאי עצב: אם שני נירונים מופעלים על-ידי נירון אחד, האות שהם משגרים יפעיל פעמים רבות את אותו הנירון.
עמוד הבית של ד"ר אורי אלון במכון ויצמן
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~368661737~~~65&SiteName=hayadan
