סיקור מקיף

מגרעין האטום לעובר האדם

פרסי נובל הוענקו השנה למדענים שסייעו בייסודו של ענף מדעי חדש, המנסה להבין את החיים במונחי המערך הסבוך של יחסי גומלין בין החי השלם לבין חלקיו – הביולוגיה המערכתית

כאשר בוחנים את התגליות שזיכו לפני כחודש שישה מדענים מרחבי העולם בפרסי נובל, נדמה כי מדובר באוסף אקלקטי של גילויים מדעיים, אך למעשה קיים קשר עמוק ביניהם. הפרסים הוענקו למדענים מארצות הברית, בריטניה, שווייץ ויפאן. בנימוקי הוועדה נרשם כי הפרס לכימיה הוענק לג'ון פן וקואיצ'י טאנאקה על "שיטה חדשה לספקטרוגרפיית מסות", ולקורט ויטריך על "קביעת מבנה בעזרת תהודה מגנטית גרעינית". בתחום הרפואה והפיסיולוגיה הוענק הפרס לג'ון סאלסטון, רוברט הורביץ וסידני ברנר על "בקרה גנטית של התפתחות איברים".

אדם מורכב מכמיליארד מיליארדי מיליארדים של אטומים – מספר המיוצג על ידי הספרה 1 ולאחריה 27 אפסים. מספר עצום זה של יחידות מבנה מצוי גם בגוש סלע או בחבית מים במשקל דומה. אך בהבדל מובהק מן העצמים הדוממים, האטומים בגוף האדם יוצרים רשת סבוכה ודינמית של תגובות הדדיות, שהיא הבסיס לתופעת החיים. באחרונה נוסד ענף מדעי חדש המנסה להבין את החיים במונחי המערך הסבוך של יחסי גומלין בין החי השלם לבין חלקיו – אטומים, פרודות ותאים. התחום החדשני קרוי ביולוגיה מערכתית, ונראה שפרסי נובל השנה הוענקו למדענים שעזרו לייסדו.

יצורים חיים מורכבים בעיקר משישה סוגים של אטומים – פחמן, מימן, חנקן, חמצן, זרחן וגופרית – קבוצה המכונה CHNOPS על פי האותיות המציינות יסודות אלה. אטומים אלה מסוגלים ליצור מספר אין-סופי כמעט של קומבינציות כימיות המכונות פרודות או מולקולות אורגניות, כלומר פרודות מן החי. אך מכל ובו מגוון רחב של פרודות מעין אלה עדיין אינו ראוי לתואר "יצור חי". באנלוגיה, אם נשליך לאי בודד כמה עשרות אלפי אנשים שנבחרו באקראי מאוכלוסיית העולם, לא בהכרח נקבל חברה בעלת יכולת תפקוד וקיום. כשם שקשרים חברתיים ושפה משותפת חיוניים לקיומה של חברה אנושית מתוקנת, כך גם יכולתן של פרודות להגיב זו אל זו היא ההיבט החשוב ביותר של התופעה המכונה חיים. ה"שפה" שבה "מדברת" פרודה אורגנית אחת עם חברותיה היא שפת התגובות הכימיות החלשות. זאת בהבדל מובהק מן הקשרים הכימיים החזקים (הקרויים קו-ואלנטיים) המחברים אטומים לצורך בנייתה של כל פרודה בנפרד. מעל סף מסוים של סיבוך מסוגלת פרודה אורגנית "לזהות" פרודות אחרות, ממש כשם שמנעול מזהה את המפתח התואם לו. בתא חי נוצר למעשה רב-שיח, שבו פרודות יכולות לנוע באופן דינמי בין בן-זוג אחד למשנהו, תוך כדי יצירת השפעות הדדיות מגוונות.

אחד המאפיינים המובהקים של הביולוגיה המערכתית הוא הרב-תחומיות. כדי לנסות להבין את המכלול השלם של יצור חי חייב מדען לשלוט בהיבטים רבים של כימיה, פיסיקה, מתמטיקה, מיחשוב, ביולוגיה ורפואה. פרסי נובל הוענקו השנה לתגליות מתחום הכימיה, אך בעבור מחקרים שיש בהם גם שילוב מובהק של פיסיקה ומתמטיקה, ושיישומם העיקרי הוא בביולוגיה. לדוגמה, תגליתו של טאנאקה בעניין ספקטרוגרפיית המסות היתה, שניתן לנדף את פרודות הענק של חלבונים בעזרת קרן לייזר ולהריצן בשדה חשמלי באופן המאפשר את זיהוין המדויק. כך ניתן לעשות בזמן קצר אנליזה מקבילית של אלפי חלבונים שונים הנכללים בתא חי, יכולת שהיא מרכיב חיוני בביולוגיה מערכתית. חשיבות השיטה רבה עוד יותר בשל פיתוח נוסף, שבו היא משמשת לזיהוי של מאות אלפי הבדלים גנטיים בין בני אדם.

הפיתוח הכימי של ויטריך גם הוא מתבסס על אפקט פיסיקלי – תהודה מגנטית גרעינית. כאן עוקבים אחר שינויי אנרגיה זעירים בגרעין האטום, המשקפים את שיתופו של האטום בקשר כימי מסוים. לשיטה זו, שקיים בה גם מרכיב מתמטי משמעותי, יש מגוון רחב של יישומים, לרבות מיפוי אברים ברפואה. במקרה הנוכחי משמש האפקט לבחון את הדרך שבה אלפי האטומים הבונים חלבון יוצרים תצורה מרחבית מוגדרת. כך אפשר ללמוד על מבניהם של ה"מנעולים" הביולוגיים ולחזות אילו "מפתחות" יתאימו להם. זהו איפוא כלי חשוב ביותר להבנת מכלול התגובות בין פרודות ביישות חיה.

הביולוגיה המערכתית בנויה נדבך על נדבך. בעזרת מדידות של גרעיני אטומים לומדים על תגובה בין אטומים ופרודות. רשימת כל פרודות החלבון בתא חי, המושגת על ידי ספקטרוגרפיית המסות, מאפשרת למדענים לשרטט תרשים זרימה משוער של התהליכים בתא. בתרשים שכזה נכללות אלפי תגובות כימיות המאפשרות לתא לבנות את עצמו על פי התוכנית הרשומה בדנ"א ואף להשתכפל וליצור אברים. ברמה הגבוהה ביותר בהייררכיה מצוי אחד הסודות המסקרנים ביותר של הביולוגיה – האופן שבו תאים מתקשרים זה עם זה לבניית יצור שלם. תהליך זה הוא המאפשר
לתא יחיד, הביצית המופרית, ליצור גוף מושלם על כל חלקיו, כולל מוח, אברי חוש, שרירים ועצמות.

פרס נובל לרפואה הוענק למדענים שמילאו תפקיד מרכזי בהבנת תהליכים אלה. אף על פי שמכתב הפרס היה אפשר לשער שברנר, סלסטון והורביץ חקרו התפתחות עוברית באדם, אין הדבר כך. אם יישאל מדען המצוי בעניינים על מה ולמה קיבלו המדענים את הפרס לרפואה, תהיה תשובתו המפתיעה "בשל התולעת". יצור זעיר, שעוביו כעובי שערה ואורכו מילימטר, הוא ששימש למחקרים מהפכניים בתחום ההתפתחות העוברית. היה זה ברנר שהצביע על יתרונותיה של תולעת
הנמטודה (המכונה גם סי אלגנס) כחיית מודל למחקר. סלסטון הראה כי אפשר למספר כל אחד מכאלף תאיה ולברר במדויק את הדרך שבה הוא נוצר בחלוקות תא עוקבות. הורביץ הראה כי הממצאים ישימים גם בעוברי אדם.

ברנר וסלסטון זכו לכבוד הגדול גם מסיבה נוספת: שניהם מילאו תפקיד מרכזי בפרויקט הגנום העולמי. תחת שרביטו של סלסטון פוענח הגנום השלם של הנמטודה. התברר שמספר הגנים בגנום התולעת קטן רק בכ-40% מזה שבגנום האדם. זאת אף על פי שמבחינת מספר התאים גדול האדם פי אלף מיליארדים ויותר. אפשר ללמוד מכך, שכשמדובר בביולוגיה מערכתית הגודל אינו קובע. נראה שהאופן שבו ניתן לחקור את נדבכיו השונים של יצור רב-תאי אינו משתנה משמעותית בין תולעת לאדם. ייתכן אף שבאותן שיטות אפשר יהיה להבין את הרשתות הכימיות הזעירות שהביאו לפני מיליארדי שנים להופעת החיים על כדור הארץ. כל שהחוקר זקוק לו הוא מנה גדושה של סבלנות, דמיון ותעוזה, ולפסוע על קווי הגבול שבין הדיסציפלינות. כך, ככל הנראה, יגיע המדע עד תום המאה הנוכחית לפענוח השלם של סוד החיים.

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

לוגו אתר הידען
דילוג לתוכן