אחת התעלומות הגדולות העומדות כיום בפני המדע היא – האם ייתכן שהחיים על פני כדור הארץ החלו באוסף דומם של מולקולות דוממות * חוקר מקאלטק גילה את האלגוריתם האחראי לכך
אחת התעלומות הגדולות העומדות כיום בפני המדע היא – האם ייתכן שהחיים על פני כדור הארץ החלו באוסף דומם של מולקולות? על פי פרופ' אריק וינפרי (Erik Winfree) מהמחלקה לחישוביות ומערכות עצביות במכון הטכנולוגי של קליפורניה הבסיס לתשובה נעוץ בהבנת הפעילות החישובית, האלגוריתם. כלומר, כיצד כמות קטנה של מידע מכוונת ליצירה וארגון של מבנים והתנהגויות.
במערכות ביולוגיות היכולת ליצירה של העתקים עצמיים (או במילים אחרות – רביה) היא בעצם סוג של עיבוד מידע. התהליכים ההתפתחותיים משקפים את האופן בו מידע גנטי תמציתי מתפרש לאורגניזם בוגר. כיצד מגדירים באופן תמציתי אובייקטים מורכבים היא בעצם שאלת האלגוריתם.
בטבע, נראה שכמעט כל מורכבות ומגוון החיים, החל בוירוסים, חיידקים, צמחים ועד לבעלי החיים השונים והאדם, וכן, כל המסלולים הביוכימיים בתאים, “תוכניות המתאר” ליצירת הגוף וליצירה של איברים מורכבים כמו המוח – הכל מקודד על ידי מולקולות הדנ”א. איך זה קורה?
לדברי פרופ' וינפרי המחקר כיום מתמקד בשני ענפים מרכזיים. האחד – הביולוגיה המולקולרית, תחום החוקר כיצד פועל התא, האופן בו מתקבל המידע בתאים וכיצד הוא מעובד. השני – טכנולוגי, תיאורתי, בניית מערכות המחקות מערכות ביולוגיות, בדרך כלל תוך שימוש במודלים מתמטיים ובמחשבים. לדבריו, יש מעט מאוד מודלים חישוביים או יישומיים המתבססים על ביוכימייה מולקולרית אמיתית, כפי שקיימת בטבע (“חישוביות ביומולקולרית”).
על פי גישה זו של חישוביות ביומולקולרית, במקום לנסות ולחקור לפרטים תהליכים המתרחשים באורגניזמים שונים, פרופ' וינפרי וקבוצתו נוקטים בגישה הנדסית. כלומר, מנסים לבנות מערכת שתכיל מספר מרכיבים בסיסים (כלומר, מולקולות אמיתיות) ושיטות שישלבו אותם למערכת שתוכל לתאר התנהגות דינמית. בהשלכה מעולם המחשבים, שימוש במעין “שפת תיכנות” וקומפיילר.
במאמר שפורסם בכתב העט Science החוקרים מתארים מערכת שנבנתה על ידם, ומתבססת על מולקולות דנ”א בלבד. על פי המערכת, ניתן להכניס מספר מוגדר של מולקולות (input, קלט), המכילות מידע. מידע זה מאפשר יצירה של תוצר (output, פלט), כלומר מולקולות חדשות. בהמשך, זירוז תגובות נוספות באופן מהיר ומשמעותי, כאשר הכוח המניע לתהליך נובעת מתוך שינויים מבניים במולקולות (תגובות המונעות על ידי אנטרופיה), ומאפשר את הגברת התהליך. במערכת מסוג זה ניתן ליצור מעגלים מוגדרים שונים, ובמידה שונה של מורכבות, בהתאם ל”קלט” שהוכנס.
החוקרים בחרו להשתמש במולקולות דנ”א משום שניתן לתכנן אותן לשמש למגוון משימות, ובין היתר, שימוש כמבנים גיאומטריים, הכלת מידע ועיבודו, זרזים כימיים (קטליזטורים), הנעה ועוד. הראקציה הבסיסית כוללת גדיל דנ”א המשמש כ”דלק”, שלושה גדילי דנ”א המהווים סובסטרט (מצע), וזרז המאפשר הפרדה של הגדילים שהם תוצרי הפלט והסיגנל מהחלק הקשור אליהם ומהווה תוצר פסולת. כל המרכיבים במערכת הם מולקולות דנ”א, אשר האינטראקציה ביניהם מתבססת על התאמה בין בסיסים.
בתאים חיים, המסלולים הביוכימיים מתאפשרים ומתקיימים באופן אמין ועקבי, בסביבה המלאה במרכיבים כימיים שונים. ייחודה של המערכת שנבנתה על ידי פרופ' וינפרי, תלמיד המחקר שלו דיויד יו זנג (David Yu Zhang) ושותפיהם היא בכך שהמעגלים הביוכימיים שהם תכננו על בסיס מולקולות הדנ”א, יכולים להתרחש בסביבה המכילה תערובת של מקרומולקולות רבות אחרות. מערכת זו יכולה לשמש לזיהוי של סיגנלים ביוכימיים ופיתוח כלים ננוטכנולוגיים על בסיס דנ”א. בנוסף, היא עשוייה לקרב אותנו להבנת העקרונות בבסיס קיומם של התהליכים בטבע.
לתקציר המאמר המדעי בסיינס
8 תגובות
יונתן היקר
לא טענתי בשום נקודה בתגובה הקודמת שRNA נוצר באופן ספונטני, ולכן איני מבין מדוע המאמר ששלחת (אגב, מאמר מעניין מאוד) אמור לסתור את דברי. מה שאני טוען הוא שמולקולת ה RNA המשכפלת העצמית ככל הנראה קדמה למולקולת DNA שעל בסיסה נבנה גדיל RNA וממנו מיתרגם חלבון. זהו אחד השלבים באבולוציה המולקולרית של מולקולת הDNA. כמו שהמאמר מתאר יפה, ככל הנראה היו מערכות פשוטות יותר שקדמו להיווצרות מולקולת ה RNA.
אם המגיב מעלי הוא פרופ’ אהרן צ’חנובר ולא מתחזה כלשהו, אז כדאי שתעיין במאמרו של פרופ’ רוברט שפירו בגליון 31 של סיינטיפיק אמריקן:
http://clickit3.ort.org.il/Apps/WW/Page.aspx?ws=85a7134d-1c7c-4582-8621-cd2748720225&page=fb76dffb-ac17-4243-a91b-410ff1a3497e&box=5bbd9e16-fbe1-4e1a-bb53-578ae0872339&_pstate=item&_item=1a99b52d-2990-4266-be56-c491f34c1467
למגיב המגניב
אחת מתכונות ה RNA היא שבנוסף לתפקידו כתבנית לבניית החלבון ישנם רצפי RNA בעלי פעילות קטליטית(למשל ליבת הריבוזום). זה אומר שרצף RNA מסויים יכול, בגלל המבנה המרחבי הספציפי שלו, להתנהג כמו אנזים ולבצע פעילויות שונות בתא. אם כך יש לנו מולקולת RNA שמכילה מידע מסוים, מסוגלת לבצע פעולות שונות על מולקולות RNA אחרות ומסוגלת לשכפל אותן ואת עצמה. אחת התיאוריות להיווצרות חיים טוענת שבתחילה נוצרו מולקולות RNA שהיו בעלות יכולת שכפול עצמי (ללא תלות בחלבונים או חומרים אחרים) ורק אחר כך נוצרו מתאים ראשוניים אלו יצורים מבוססי DNA ושבהם רוב הפעילות התאית מתבצעת באמצעות חלבונים.
ליהונתן היקר
סמכתי על הקוראים שיבינו לבד שהתעוררתי בשלב כלשהוא משנת הבוקר שנפלה עליי (זה קורה ברוב הבקרים בזמן האחרון) והתיישבתי לכתוב את התגובה !
אבל אני מבין שזה לוחץ לך בנקודה של הרצון של הדנא והמולקולה והלאה! שים לב שלא שללתי את קיומו של רצון על! ולא שאני מאמין בקיומו …אלא שאתה בטח חושב ורוצה ומאמין כי האל מעורב בכל שלב של יצירת החיים ובכלל בכל דבר בחיים !
הייתי מוסיף לתגובתי לפני שאלך לישון כי אני מקווה כי בעתיד יחקרו את הדנא מהנקודה של הרצון וכפי שציינתי בסוגריים בתגובתי הקודמת זהו דחף הניתן לכימות ויצירה …לכן בעתיד אם יצליחו ליצור את "הדחף" בעוצמות וצורות שונות ולגרום לדנא להתחיל לנוע ..הדנא יבצע את רצון החוקרים ויתחיל לפתח דברים אותם תיכננו !
עוד יהיה מעניין.. חלומות פז !
לד. פרץ הנכבד
מדבריך עולה שכתבת את התגובה בזמן שישנת, הואיל ולא כתוב שלאחר מכן התעוררת. כל הכבוד! איך עשית את זה?
נניח ויש DNA או RNA או what ever.
איך הגרעין מידע הזה יכול לבנות תא? לא צריך מלא אינזימים מורכבים וחמצן ומינרלים וויטמינים ומלא מלא שטויות כדי שהתא יוכל לשכפל את עצמו? (או במקרה שלנו להכין את עצמו)
כתבה טובה ומעניינת. תודה!
הבוקר לפני שנרדמתי בחזרה שאלתי את עצמי האם לדנא יש רצון? האם יכול להיות לו רצון? האם מותר שיהיה לו רצון ? כי אם לדנא יהיה רצון משלו ..אולי לא יתחשק לו לפעמים לעשות פעולה כלשהיא? ואז כל הגוף הבנוי ממנו יקרוס !
מצד שני אולי הרצון בגדלים האלה שונה ממה שאנו מכירים ומתקיים בעוצמות ובדרכים אחרות ? ולכן אולי רצון הדנא יוצר את המולקולה שהיא בתורה ברצונה (דחף הניתן לכימות וליצירה ) יוצרת את הריקמה ..וכן הלאה עד יצירת הגוף הביולוגי שלו כבר יש רצון גדול יותר מסך כל רצונות מרכיביו !!
זה צץ אצלי בעקבות מחשבות על הכתבה הקודמת מה27 של תחילת החיים מגביש נוזלי..אבל הכתבה הזאת נראת לי מתאימה גם כן !
אז ניתן לקרא לאלגוריתם הזה "הדחף הראשוני ליצירת החיים " וכרצון ביולוגי !!
ואולי גם לרצון שלנו יש אלגוריתם המייצג אותו? מסובך ומורכב יותר כמובן !
אגב עם אלגוריתם של רצון ניתן יהיה להנפיש דמויות וירטואליות כמציגות מציאות מבלי להגיד להם מה לאן ואיך לעשות כלומר בלי תסריט אלא על חי! ולא רק בני אדם אלא גם בעלי חיים כמו חתול למשל..ננסה לבדוק מה יעשו עשרים חתולים ביחד? אבל בעצם השאלה הראשונה תהיה האם הם מכירים ? והאם יש ביניהם קשרי משפחה וכו וכך לבנות את הסאגה הוירטואלית הטלנובלה החתולית שרק לחיצת כפתור תפסיק או תתחיל אותה מהנקודה בו הסתיימה מבלי שנדע לאן זה יוביל וכו