מערכות מורכבות, עקרונות פשוטים וחוצפה של פיזיקאי
לפני 20 שנה החל הפיזיקאי פרופ’ עודד פרגו, ראש המחלקה להנדסה ביורפואית באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, לעסוק בתחום הביופיזיקה. מאז הוא עוסק ב”קו התפר” שבין הפיזיקה לביולוגיה. עמדה ייחודית זו מאפשרת לו להתבונן בסוגיות ביולוגיות “מן הצד”, ולשלב כלים פיזיקליים בחקר של קרומים ביולוגיים באמצעות סימולציות ממוחשבות.
החיים אינם אקס בוקס
“סימולציות ממוחשבות הפכו ב-20 השנים האחרונות לכלי בעל חשיבות עצומה,” אומר פרופ’ פרגו. “הדבר נכון במיוחד במערכות מורכבות מאוד, כמו מערכות ביולוגיות. המחקר שלנו מתמקד בממברנות, ה’עטיפות’ שתוחמות את התא כולו ואזורים מסוימים בתוכו. ממברנה כזו היא מעטפת שעשויה משכבה שומנית, בדומה לבועות סבון. אך לעומת בועות הסבון המרחפות באוויר, הממברנות הביולוגיות מוקפות בתמיסה מימית; ולעומת בועת הסבון, שהרכבה הכימי פשוט מאוד, ממברנה ביולוגית מכילה מספר עצום של מרכיבים שונים. אי-אפשר לתאר מערכת מורכבת כזו במשוואות מתמטיות – וגם לא באמצעות סימולציה ממוחשבת”.
סימולציה ממוחשבת של ממברנות ביולוגיות, ושל מערכות ביולוגיות מורכבות אחרות, היא משימה בלתי-אפשרית משתי סיבות. ראשית, עדיין איננו יודעים מספיק על מרכיבי המערכת ועל הכוחות הפועלים ביניהם; ושנית, דרוש לכך כוח חישוב גדול בהרבה מהעומד לרשותנו. “המחשבה שנוכל לכתוב תוכנה כמו אקס בוקס שתדמה נאמנה את הדינמיקה בתא היא נאיבית”, אומר פרופ’ פרגו. “המורכבות של מערכות כמו תאים ביולוגיים היא גדולה יותר בכמה סדרי גודל”.
אם אי-אפשר ליצור סימולציה ממוחשבת שתתאר נאמנה את המערכת המורכבת הזאת, אולי אפשר ליצור סימולציה שתתאר אותה בדרך פחות נאמנה – כלומר באופן מפושט מאוד. “נדרשת ‘חוצפה’ של פיזיקאי”, אומר פרופ’ פרגו בחיוך, “כדי לקחת חלבון שמורכב ממאות אטומים ולייצג אותו כיחידה אחת, ובמקום כל סוגי הליפידים שיש בממברנת התא, להסתפק בשניים-שלושה – רמת מורכבות שמערכות המיחשוב שלנו יכולות להתמודד איתה. אם מנסים לייצג את המורכבות האמיתית של הממברנה, כוח החישוב שלנו מספיק כדי לייצג רק קטע קטנטן, אבל אם מפשטים אותה אפשר לייצג פיסת ממברנה גדולה בהרבה”.
לפישוט, כמובן, יש מחיר: התוצאות של סימולציה תלויות במידע שמזינים לתוכה. כאשר משתמשים במודל מפושט מאוד, המסקנות שאפשר להפיק ממנו הן בהכרח מוגבלות.
הגביע הקדוש של הפיזיקאים
מחקריו הנוכחיים של פרופ’ פרגו, שזכו במענק מהקרן הלאומית למדע, משלבים שאלות ביופיזיקליות מעניינות עם יישום רפואי. בעזרתו של תלמיד המחקר נדיב דהרן, חוקר פרופ’ פרגו את אזור המגע בין תא דם לבן לבין חיידק שהוא לוכד ומצמיד אליו. אזור מגע זה נקרא “סינפסה אימונולוגית”. היצמדות התאים מתרחשת הודות לקולטנים על פני תא הדם הלבן, המזהים מולקולות מסוימות על פני החיידק.
קולטנים אלה שייכים לשתי משפחות עיקריות: האחת יוצרת קשרים ארוכים יחסית והאחרת יוצרת קשרים קצרים יותר. באזור המגע בין שני התאים, הקשרים הקצרים נמצאים במרכז והקשרים הארוכים מקיפים אותם. לארגון זה אחראים שני גורמים: מנועי חלבון שדוחפים את הקשרים הקצרים למרכז, וכן נדידה ספונטנית של הקשרים הקצרים לאזור המרכז בהשפעת כוחות אלסטיים המתפתחים בממברנה, תוך יצירת הפרדה בינם לבין הקשרים הארוכים. המחקר מראה כי שני הגורמים, וכן ההשפעה ההדדית ביניהם, תורמים להיווצרות הדגם האופייני. משך התהליך הוא כ-30 דקות – ארוך מכדי שיהיה אפשר לבצע סימולציה שלו בכלים מסורתיים. במחקר זה נעשתה סימולציה מפושטת שלו.
מחקר נוסף עוסק בארגון ממברנה המכילה שני מרכיבים: ליפידים הנושאים “שערות” פולימריות וליפידים “עירומים”. כאשר מרכיבים אלה מתארגנים לבועת ממברנה, הליפידים ה”שעירים” נמצאים בצד החיצוני והליפידים ה”עירומים” – בצד הפנימי. כלומר, מתקבלת ממברנה א-סימטרית. מהם הגורמים האחראים לארגון א-סימטרי זה? והאם מודל מפושט של מערכת זו יניב אותן תחזיות כמו מודל ברמת פירוט של אטומים יחידים?
“ביולוגים שואפים לתיאור מדויק ומפורט של המציאות,” אומר פרופ’ פרגו, “ואילו פיזיקאים שואפים לתאר מערכות על סמך שניים-שלושה עקרונות בסיסיים. תיאור מופשט ככל האפשר, מינימליסטי, הוא הגביע הקדוש של פיזיקאים. ביולוגים הם ספקנים כלפי הגישה הזאת; אבל בעיניי זוהי מתנה שהפיזיקה יכולה לתת לביולוגיה”.
החיים עצמם:
פרופ’ פרגו מתעניין מאז צעירותו במוזיקת רוק ואינדי. אילו לא היה מדען, היה רוצה להיות עורך מוזיקלי ברדיו.
עוד בנושא באתר הידען:
