כיצד התאים בגופנו חשים את סביבתם?

לתאים יש חוש ריח מהימן המאפשר להם לגדול לכיוון הנכון, בהתאם למקור הריח. חוקרים הצליחו כעת להבין כיצד פועל חוש הריח בתאים.

בעיה נפוצה הניצבת בפני תאים טמונה בכך שהם מוקפים בענן של ריחות וצריכים לקבוע את כיוון המקור שלהם. תאי עצב, למשל, יוצרים שלוחות ארוכות הנמשכות לכיוון האותות המגיעים מתאים אחרים, זאת במטרה ליצור את הרשת המהווה את מערכת העצבים; באופן דומה, תאים לוכדים מזהים את הריח של חיידקים מזיקים במטרה לרדוף אחריהם ולהשמיד אותם. אולם, כיצד מצליחים התאים להריח את האותות הללו, ההופכים לחלשים יותר ויותר עם ההתרחקות מהמקור? כיצד תאים “קוראים” את האות ההולך ונחלש הזה – הידוע בשם מפל אותות – במטרה לנתב את כיוון הצמיחה שלהם או את התנועה שלהם לעבר מקור האות? האופן שבו תאים מאתרים אותות במרחב מהווה שאלה חשובה בתחום הביולוגיה – ועד היום חידה זו נותרה ללא מענה ראוי.

כעת, ייתכן ונמצא הפתרון על ידי צוות חוקרים בראשותו של פרופסור Matthias Peter, מהמכון הטכנולוגי של ציריך (ETH). לתאי שמרים יש אמצעי רב-תכליתי רגיש ביותר המאתר אותות כימיים, מעבד אותם בהתאם, ויוזם את המענה המתאים – צמיחה לעבר מקור האות. לפיכך, תאי שמרים מסוגלים “להריח” את מיקומם של שותפים אפשריים לרבייה בסביבתם, וכך הם יכולים לנוע לעברם. הביולוגים ביצעו את המחקר שלהם בעזרת שילוב של תצפיות במיקרוסקופ ומודל ממוחשב שהם פיתחו תוך שיתוף פעולה בינתחומי עם חוקרים אחרים. אם התא חושד שנמצא מפל אותות בסמיכות אליו, הוא ממקם את אמצעי האיתור שלו במיקום אקראי על גבי הקרומית. אמצעי זה הינו חלבון גדול המורכב מיותר ממאה רכיבים שונים; החלבון כה גדול עד שאפשר לזהות אותו במיקרוסקופ פלואורסצנטי. החוקרים מכנים את המצב הזה בתור ‘אתר הקוטביות’ מאחר ונוצרת צמיחה קוטבית באותו המיקום.

בעזרת שימוש במיקרוסקופ פלואורסצנטי, החוקרים הצליחו לצפות כיצד אתר הקוטביות מאתר את המקור למפל האות. בשלב הראשון, האתר נע לאורך הקרומית עד לנקודה שבה האות הוא החזק ביותר. ברגע שהוא מזהה את האות החזק ביותר, כלומר – ריכוז האות במפל הוא הגבוה ביותר – הוא מפסיק לנוע. בשלב הבא, האתר יוצר בליטה בתא בנקודה זו, בליטה הממשיכה להתרחב לעבר מקור האות. באופן טבעי, האות נוצר על ידי השותף לרבייה ושני התאים מתמזגים ברגע שהם נפגשים אחד עם השני.

בכדי להבין את המנגנונים המולקולאריים של תהליך זה, החוקרים ניצלו מודל ממוחשב. “המודל הזה סייע לנו לצמצם את המורכבות של אתר הקוטביות ושל התהליך למספר מועט בלבד של רכיבים חיוניים”, אומר אחד מהחוקרים, שהיה שותף גם למאמר שפורסם בכתב העת המדעי Developmental Cell. רכיבים חיוניים אלו כוללים את הקולטן שמקבל את האות ומעביר אותו הלאה; רכיבים אחרים כוללים את החלבון Cdc42, אשר מעביר את הקולטן דרך קרומית התא, ואת החלבון Cdc24, אשר מווסת את פעילות החלבון Cdc42. “ניתן לדמות את הקולטן בתור האף, את החלבוןCdc42 בתור ההגה של המכונה ואת החלבוןCdc24 בתור הבלמים שלה”, מסביר החוקר הראשי. בעוד שהאתר הקוטבי נע לאורך קרומית התא תוך חיפוש האות הכימי החזק ביותר, רק מספר מולקולות של החלבוןCdc24 נמצאות בתוך המכונה עצמה. ברגע שהוא מאתר את הנקודה בה ריכוז האות הוא הגבוה ביותר, האתר הקוטבי, האף כביכול, מבקש ומקבל מולקולותCdc24 נוספות, המאוחסנות באופן רגיל בגרעין התא. ככל שמגיעות יותר מולקולותCdc24 נוספות, כך המכונה פועלת לאט יותר. יחד עם זאת, רק כאשר מספרן מגיע לסף מוגדר, האתר הקוטבי מפסיק את פעילותו ומתחיל ליצור את הבליטה בתא.

“בתחילה, הצלחנו לאתר את תנועתו של האתר הקוטבי בעזרת מיקרוסקופ פלואורסצנטי. בשלב הבא דימינו את התנועה הזו במודל ממוחשב, מה שאפשר לנו לנסח את ההשערה בנוגע לאופן שבו ניתן יהיה לשלוט בתנועה זו. בשלב הבא הצלחנו לאמת באופן ניסויי את ההשערה שלנו באמצעות הכנסת מוטציות לתאים ובעזרת השימוש במיקרוסקופ פלואורסצנטי”, מסביר החוקר. הוא מוסיף ומציין כי המודל הממוחשב הפשוט שהם ניסחו אפשר להם לקבל בסיס מצוין לתכנונם של ניסויים במסגרתם הם יכלו לשנות את הרכיבים במהירות ולזהות את האלמנטים החשובים. המודל הפך את המחקר לפשוט יותר, מאחר והוא הפך למיותר את הצורך בביצוע ניסויים רבים.

החוקרים מעריכים כי לא רק תאי השמרים משתמשים באמצעי האיתור הזה – התנהגות דומה נצפתה גם בתולעים עגולות, ללא הסבר מולקולארי עד כה. חוקרי המכון הטכנולוגי של ציריך סיפקו כעת את ההסבר ההגיוני ותיארו בפרטי פרטים, לראשונה אי פעם, כיצד תאים מצליחים לאתר ולחוש את מפל האותות. מחקר זה סולל את הדרך למחקרים נוספים בתחום של חישת אותות מרחביים על ידי תאים – הן בתאי שמרים והן בתאים אנושיים. מציין אחד מהחוקרים: “על אף העובדה כי כרגע איננו רואים יישומים רפואיים ישירים הצומחים ממחקר זה, בעתיד הרחוק הממצאים יוכלו להביא תועלת רבה לרווחת האנושות. כרגע, הממצאים בעיקר מהווים התקדמות חשובה במסגרת המחקר הבסיסי של התנהגות תאים”.

• הידיעה על המחקר
• תקציר המאמר