עוד רעיונות שישנו את העולם: מרובוטים בגלולה ועד לווייני תקשורת קוואנטיים

חמישה רעיונות שעשויים לפתור בעיות ולשפר את חיי כולנו: תרופה יעילה נגד נגיפים; רובוטים בגלולה; זיהוי ממוחשב של דפוסים חזותיים; לווייני תקשורת קוואנטיים; תרופות אנטיביוטיות חדשות מן היסוד

מאת כתבי סיינטיפיק אמריקן, הכתבה מתפרסמת באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל ורשת אורט ישראל 02.02.2017

ראו פרקים קודמים בסדרה:

• מולקולות־על המורכבות מאטומים שאינם מצויים בטבלה המחזורית
• תוכנה לאיתור מוקדי עוני
• סוללות שיוכלו להוציא פחמן מן האטמוספרה
• בגדים שיקררו את הלובשים אותם

צירוף המלים “שישנו את העולם” מעט שחוק. ועם זאת, כיצד עוד אפשר לתאר באופן מלא את ההשפעה ההיסטורית של המצאות כגון הטרנזיסטור, האינטרנט או הטלפון הסלולרי? יש רעיונות שבאמת מעצבים את ההיסטוריה. עדיין מוקדם לדעת עם סוללות לוכדות פחמן דו־חמצני, רובוטים שאפשר לבלוע אותם בגלולה או לוויינים קוואנטים ועוד שבעה רעיונות נוספים שפרסמנו בשבועות האחרונים ובכתבה זו, יחוללו שינוי דומה. רוב התכניות נכשלות, והרעיונות הגדולים ביותר הם גם בעלי הסיכון הגדול ביותר. אבל המרחק בין רעיון מגוחך ובין רעיון הכרחי הוא קצר. וכמה מן הרעיונות האלה עשויים לחולל שינוי.

תרופה יעילה נגד נגיפים

מוטציה גנטית נדירה יכולה לעזור לפתח את התרופה הראשונה לטיפול בטווח רחב של זיהומים ויראליים

מאת אנני סניד

נגיפים, או וירוסים, ידועים לשמצה בגלל עמידותם בפני תרופות מעשי ידי אדם. אבל מתברר שהם חסרי אונים נוכח מוטציה נדירה בגן ISG15. נשאים של מוטציה זו מתמודדים בהצלחה רבה יותר עם רוב הנגיפים (ואולי עם עם כולם) הפוגעים בבני המין האנושי. אבל המוטציה נדירה: אחד מתוך 10 מיליון בני אדם נושא אותה. דושאן בּוֹגְוּנוֹבִיץ’ מבית הספר לרפואה על שם איקאהן בבית החולים מאונט סיני סבור שאפשר אולי לפתח תרופה שתחקה את המוטציה הזאת. אם הוא צודק, ייתכן שהוא קרוב לפתח גלולה שתקנה למטופלים יכולת זמנית להילחם בהצלחה בנגיף מכל סוג בלי לחלות. התרופה גם תקנה לאנשים שייטלו אותה חסינות למשך כל ימי חייהם לכל זני הנגיפים שאליהם נחשפו במהלך הטיפול בתרופה (אלא אם כן הנגיפים יעברו מוטציות חדשות, כמו אלה שעובר נגיף השפעת).

כדי להבין כיצד בולמת המוטציה את הנגיפים וכיצד תוכל תרופה לחקות אותה, גייסו בּוֹגוּנוֹבִיץ’ ואנשי צוותו שישה אנשים הנושאים את המוטציה הזאת. הם ניתחו את רצף הדנ”א שלהם ובודדו תאי דם ועור של כמה מהם. לאחר מכן חשפו החוקרים תאי עור של שלושה מן האנשים לנגיפים שונים, בהם נגיפי שפעת והרפס. לאחר 24 שעות, מספר העותקים של הנגיפים בתאים אלה היה קטן פי כמה וכמה מאשר בתאים רגילים. את הסיבה לכך הסביר הצוותבמאמר במאי 2016 בכתב העת Nature Communications: המוטציה בגן ISG155 חוסמת תהליך שעוזר לשכך דלקות. דלקת עוזרת לגוף להילחם בנגיפים, ולכן אנשים אלה “מוכנים קצת יותר ממכם או ממני לקראת הנגיף שהם נדבקים בו,” אומר בּוֹגוּנוֹבִיץ’. כתוצאה מכך, גופם נלחם בנגיפים שפולשים לתוכו ומפתח חסינות לפני שהנגיפים מצליחים לשכפל את עצמם ולהתרבות במידה שדי בה לגרום להם לחלות.

בּוֹגְוּנוֹבִיץ’ מבקש למצוא תרופה שתחקה את השפעתה של המוטציה בגן ISG15. “שינוי עדין במערכת יוכל להקנות לנו שליטה בהתפרצות הראשונה של הזיהום,” הוא אומר. במסגרת החיפוש אחר תרופה אנטי-נגיפית מוצלחת בוחנים כעת בקבוצתו של בּוֹגוּנוֹבִיץ’ 16 מיליון תרכובות. לאחר שיימצאו תרכובות מבטיחות יצטרך הצוות לשפר את הרכבן הכימי, לערוך מבדקי רעילות וניסויים בבעלי חיים, ולבסוף לערוך ניסויים קליניים בבני אדם. אין שום ערובה להצלחה. חלק מנשאי המוטציה בגן ISG15 סובלים מעת לעת מהתקפים והם מפתחים סימנים ראשונים של מחלה אוטואימונית הדומה לזאבת, ואסור שהתרופות העתידיות, שאולי יימצאו, יגרמו תופעות לוואי כאלה. (לדברי החוקרים, שימוש בתרופה לזמן מוגבל יכול לעזור להימנע מהן.) בּוֹגוּנוֹבִיץ’ החל לעבוד על הקמת חברת ביו-טכנולוגיה שתתבסס על המחקר שלו. “שום דבר אינו בלתי אפשרי,” הוא אומר. “זהו תהליך, אבל אני חושב שהתהליך הזה מלהיב ביותר.”

רובוטים בגלולה

רובוטים מתקפלים בשיטת אוֹרִיגָמִי ומופעלים מרחוק יאפשרו לבצע הליכים רפואיים בתוך הגוף

מאת ג’ון פָּוולוּס

הרושם הרווח הוא שככל שהתערבות רפואית מתקדמת יותר כן היא פחות פולשנית. ניתוחים בריאטריים לטיפול בהשמנת־יתר, לדוגמה, היו כרוכים בעבר בפתיחה הבטן, מן הטבור ועד לסרעפת. כיום נעשים ניתוחים כאלה בשיטה לפרוסקופית, דרך חתכים שאורכם לא עולה על כמה סנטימטרים. עכשיו בנו חוקרים מן המכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס (MIT) אבטיפוס של רובוט המסוגל לבצע הליכים פשוטים בתוך הקיבה ללא חתכים כלל וללא צורך בחיבור לציוד חיצוני: המטופל פשוט בולע את הרובוט.

הרובוט נכנס למערכת העיכול כשהוא מקופל בגלולת קרח ועושה את דרכו לעבר הקיבה. הקרח נמס, והרובוט נפרס כמו אוריגמי. בשלב זה נראה הרובוט כמו דף נייר מקומט. הוא נע בזכות קיפולים, חריצים וטלאים, הממוקמים בנקודות מפתח על ה”דף”, ומתפשטים ומתכווצים כשחושפים אותם לחום או לשדות מגנטיים. נקודות התנועה האלה פועלות יחדיו כמו מפרקים ושרירים. מנתחים יכולים לנווט את הרובוט מבחוץ באמצעות שדות אלקטרומגנטיים הפועלים על מגנט המשולב בגוף הרובוט. הרובוט יכול גם לזחול למקום שאליו הוא אמור להגיע על ידי מתיחת קיפולי גופו לעומת קירות הקיבה בתנועה הנקראת בשם “היצמדות והחלקה“.

גוף הרובוט מורכב מחומרים המתאימים לפעול בסביבה ביולוגית. חלקו עשוי ממעי חזיר (כמו מעטפת של נקניקיות) והוא מסוגל לשאת תרופות אל פצעים פנימיים או לחבוש אותם על ידי היצמדות לפצע כמו פלסטר. הוא גם יכול להשתמש במגנט שלו כדי לאסוף ולסלק גופים זרים, כמו למשל סוללת שעון שנבלעה.

הרובוט עדיין לא נבדק בבני אדם או בבעלי חיים, אבל דניאלה רוּס, מהנדסת הרובוטיקה שקבוצת המחקר שלה בונה אותו, רואה בו הדגמה מוצלחת לאפשרות לבנות “רובוטים בעלי יכולות רבות עוד יותר” שאולי יכללו בעתיד חיישנים שיאפשרו איתור של דימומים פנימיים. היכולת לסלק עצמים ללא ניתוח טראומטי תהיה התקדמות אדירה. “בשנות ה-70 הייתה לאבי אבן בכליה, ואז פשוט חתכו ופתחו מחצית מגופו כדי להוציא את הדבר הזה,” אומרת רוס. “יעברו עוד כמה שנים לפני שאפשר יהיה להשתמש ברובוטים הזעירים האלה, אבל אם זה יקרה, דמיינו את ההשלכות שיהיו לכך על ההליכים האלה.”

כיצד רובוטים מתקפלים:

https://www.youtube.com/watch?v=jS2eW6FBpG4

זיהוי ממוחשב של דפוסים חזותיים

גישה חדשה לבינה מלאכותית מאפשרת למחשבים לזהות דפוסים חזותיים טוב יותר מבני אדם

ג’ון פָּוולוּס

אם היו מראים לכם תו יחיד מאלפבית בלתי מוכר ומבקשים מכם להעתיק אותו על דף נייר, קרוב לוודאי שהייתם מצליחים לעשות זאת. מחשב, לעומת זאת, לא היה מצליח להתמודד עם המשימה, אפילו לא מחשב המצויד במיטב האלגוריתמים ללמידה עמוקה כמו אלה שבהם משתמשים בגוגל לקִטלוּג תמונות. כדי להצליח אפילו בהבחנות הפשוטות והגסות ביותר בין תמונות צריכות מערכות כאלה לעבור אימון המתבסס על כמויות אדירות של נתונים. הן יכולות להתאים למכונות במרכזי הדואר הממיינות מכתבים לפי מיקוד, אבל היכן שדרושות הבחנות חריפות יותר, כמו בתרגום בזמן אמת בין שפות, גישה המתבססת על למידה מכמות מוגבלת של דוגמאות יכולה להיות יעילה הרבה יותר.

הקפיצה שצריכים מחשבים לעשות כדי להצליח במשימות כאלה היא כיום אפשרות מציאותית יותר בזכות מסגרת ללמידת מכונה ששמה “למידת תוכנה בייסיאנית” (BPL). צוות חוקרים מאוניברסיטת ניו יורק, מן המכון לטכנולוגיה של מסצ’וסטס (MIT) ומאוניברסיטת טורונטו הראה שבזיהוי תווים בלתי מוכרים בכתב יד ובחזרה עליהם, מחשב המשתמש ב-BPL יכול להשיג ביצועים טובים יותר משל בני אדם לאחר חשיפה לדוגמה יחידה. (הגישה ה”בייסיאנית” היא דרך הסקה הסתברותית שאפשר להשתמש בה כדי לעדכן השערות בלתי ודאיות בהתבסס על מידע חדש.)

גישת BPL ללמידת מכונה שונה באופן מהותי מ”למידה עמוקה” שאינה אלא דגם גס של יכולתו של המוח האנושי לזהות דפוסים. מקור ההשראה של BPL, לעומת זאת, הוא היכולת של המוח האנושי לתכנן סדרת של פעולות שיוכלו לשחזר דפוס נתון. לדוגמה, בזכות יכולת זו יכול המוח להבין שאפשר לבנות את האות א על ידי סרטוט קו נטוי ושני קווים אנכיים היוצאים ממנו. “המחשב מייצג את האות א על ידי בנייה של תכנית מחשב פשוטה המחוללת גרסאות שונות של האות בכל פעם שהקוד רץ,” אומר ברנדן לֵייק, חוקר מידע מן התכנית על שם מוּר וסְלוֹן באוניברסיטת ניו יורק שהשתתף במחקר. עיבוד בייסיאני מאפשר לתוכנה להתמודד עם אי־הוודאות שביצירת אותיות בלתי מוכרות מחלקים קטנים יותר שכבר מוכרים לה (כמו אחד הקווים האנכיים באות א, לדוגמה).

למידת מכונה מסוג זה היא למידה גמישה ויעילה יותר. התהליך שבו משתמשת תוכנת BPL כדי לנתח תו בלתי מוכר ולאחר מכן לשחזר אותו יוכל ביום מן הימים לעזור ליישומי בינה מלאכותית להגיע למסקנות על דפוסי סיבה ותוצאה בתופעות מורכבות (כמו זרימה של נהר) ולאחר מכן להשתמש בהן לטיפול במערכות שונות לגמרי. בני אדם מרבים להשתמש ב”חשיבה אופקית” מופשטת מסוג זה. BPL תוכל להקנות יכולת דומה למחשבים. “אנחנו מנסים ליצור מחשבים שיהיו מסוגלים ללמוד מושגים שלאחר מכן יהיה אפשר ליישם אותם במשימות ובתחומים רבים אחרים”, אומר לייק. “זהו אחד מהיבטי הליבה של התבונה האנושית.”

החוקר ברנדן לייק מסביר כיצד פותחה התוכנה הבייסיאנית לזיהוי תבניות:

https://www.youtube.com/watch?v=shT-dFKU2WA

לווייני תקשורת קוואנטיים

שידור של מפתחות הצפנה קוואנטיים מן החלל עשוי להקנות לאינטרנט חסינוּת בפני פריצות

ג’ון פָּוולוּס

הצפנה בטוחה לגמרי אינה מצריכה טכנולוגיה אקזוטית יותר מנייר ועיפרון: בוחרים מחרוזת אקראית של אותיות ומספרים שתשמש כמפתח להודעה מוצפנת. כותבים את המפתח על חתיכת נייר, משתמשים במפתח פעם אחת, ולאחר מכן שורפים את הנייר. הדבר החשוב הוא להבטיח שאיש אינו מיירט את המפתח ואינו משנה אותו. ובאינטרנט כל הזמן גונבים מפתחות ומשנים אותם בזדון.

החלפת מפתחות קוואנטית (QKD) פותרת את הבעיה על ידי יצירת מפתח חד־פעמי מפוֹטונים שְזוּרים, כלומר משני חלקיקי אור שמצביהם הקוואנטיים קשורים זה לזה. כל הפרעה באחד מהם משתקפת מיד באחר ללא תלות במרחק ביניהם. הבעיה בהחלפת מפתחות קוואנטית היא שאיש עדיין לא מצא דרך להעביר פוטונים שְזוּרים למרחקים גדולים. אבל באוגוסט 2016 עשתה האקדמיה הסינית למדעים צעד גדול לקראת פתרון הבעיה כשהציבה במסלול סביב כדור הארץ את הלוויין הקוואנטי הראשון בעולם.

התכנית, הקרויה “ניסויים קוואנטיים בקנה מידה חללי” (QUESS), מתקיימת בשיתוף פעולה עם האקדמיה האוסטרית למדעים. הרעיון הוא להשתמש בלוויין כדי לשדר מפתחות קוואנטיים לשתי נקודות תצפית בקצוות שונים של סין שביניהן מפרידים 1,200 קילומטרים, יותר מפי שמונה המרחק הגדול ביותר שהצליחו חוקרים להשיג עד כה. לדברי אנטון ציילינגר, שהוביל את הצוות שהשיג את השיא הקודם ב-2012, וכיום עובד בשיתוף פעולה עם תלמידו לשעבר, פָּן שִיאֶן-וֶּאִי, המשמש כמדען הראשי של QUESS, פלטפורמה בחלל היא האפשרות היחידה: “אין על פני כדור הארץ מקום שיש לו קו ראייה של 1,000 קילומטרים.” ציילינגר הוא פיזיקאי המשמש כיועץ למערכת סיינטיפיק אמריקן.

אם החוקרים הסינים יקבעו שיא חדש של מרחק, לוויינים יוכלו לשמש בעתיד כפלטפורמות שיחוגו סביב כדור הארץ ויאפשרו ליצור אינטרנט “חסין לפריצות” שבו חוקי הפיזיקה יהיו ערבים לאבטחתן של חבילות מידע מוצפנות. “אנחנו מקווים לבנות תקשורת קוואנטית בין־יבשתית,” אומר ציילינגר. “זה אינו רק רעיון של מדע בדיוני. כך מחשבים יתקשרו ביניהם בעתיד.”

הערה: מאז כתיבת הידיעה הלוויין הסיני קבע שיא חדש של מרחק בהעברת פוטונים שְזוּרים

תרופות אנטיביוטיות חדשות מן היסוד

שיטה לבניית תרכובות חדשות עשויה להביס חיידקים עמידים לתרופות

אנני סניד

קשה לדמיין עולם בלי אנטיביוטיקה, אבל בשל שימוש־יתר נרחב, זהו הכיוון שאליו אנו צועדים. לפי המרכזים האמריקניים לבקרת מחלות ולמניעתן (CDC), מדי שנה מתים בארה”ב לבדה יותר מ-23,000 אנשים מזיהומים שתרופות אנטיביוטיות כבר אינן יכולות לרפא. מחקר שהזמינה ממשלת בריטניה העריך שעד 2050 יהיו בעולם 10 מיליון מקרי מוות בשנה כתוצאה מעמידות לאנטיביוטיקה. מדענים מתקשים לפתח תרופות חדשות שיצליחו להרוג את חיידקי העל האלה. קחו למשל את קבוצת התרופות האנטיביוטיות העיקרית, המקרולידים. תרופות אלה משמשות לטיפול בזיהומים חיידקיים שכיחים, ובהם כאלה הגורמים דלקת ריאות, דלקות בגרון, זיהומי אוזניים ועור, ומחלות המועברות במגע מיני.

אמנם נעשים ניסיונות לעדכן את המבנה הכימי של החומרים האנטיביוטיים האלה כדי לשפר את יעילותם נגד זנים עמידים, אך עד כה לא נחלו החוקרים הרבה הצלחה. קשה לשנות את המבנה הכימי של מקרולידים. חומרי הגלם הנחוצים להכנתם מיוצרים במכלים גדולים של חיידקים תעשייתיים, וזה תהליך שלא קל לעשות בו שינויים עדינים ומדויקים. “הכימאים אובדי עצות זה כמה עשרות שנים,” אומר אנדרו מיירס, פרופסור לכימיה ולביולוגיה כימית באוניברסיטת הרווארד.

אבל לאחרונה מצאו מיירס וצוותו דרך מעשית לבנות מקרולידים במעבדה, שלב אחר שלב. לשם כך הם חילקו את מבנה המקרולידים לשמונה אבני בניין פשוטות ולאחר מכן הם מצרפים אותן מחדש בצורות שונות ותוך כדי כך משנים מעט את המבנה הכימי שלהם. במאמר שפרסמו מאייר וקבוצתו במאי 20166 בכתב העת נייצ’ר הם דיווחו על הצלחתם לסנתז יותר מ-300 תרכובות חדשות. כשניסו אותן על 133 סוגי חיידקים גורמי מחלות, רוב התרכובות בלמו את החיידקים, וכמה מהן הצליחו להתגבר על זנים עמידים לתרופות.

מאז יצרו חוקרים יותר מ-500 תרכובות חדשות, ומיירס הקים חברה ששמה Macrolide Pharmaceuticals, ומטרתה להביא לשוק את התרופות המופקות בתהליך. הקבוצה החלה לעבוד על שתי קבוצות אנטיביוטיות נוספות, לינקוסמידים ואמינוגליקוזידים. רק מקצת התרכובות שהם יוצרים יהיו בסופו של דבר שימושיות כתרופות אנטיביוטיות, וזמן רב יעבור אפילו עד שתרופות אלה יגיעו לבתי המרקחת. אבל מיירס מקווה שמחקרים כמו שלו יעזרו להביס את חיידקי העל. “אני אופטימי לגמרי שככל שנמשיך לחקור, התוצאות רק ילכו וישתפרו,” הוא אומר.