המחשב שיש לנו בכל תא

ראיון עם פרופ' אורי אלון לרגל זכייתו בפרס ברונו

פרופ' אורי אלון ממכון ויצמן חוקר את התפר שבין הפיסיקה והביולוגיה. בכל אחד מהתאים בגוף האדם, ולמעשה בכל תא חי, יש מעין “מחשבים ביוכימיים”, המורכבים מאלפי סוגים של חלבונים. חלק מהחלבונים הללו משמשים כחיישנים הקולטים את המתרחש בסביבה ומעבירים מידע לחלבונים אחרים באמצעות ריאקציות כימיות. כתוצאה מכך, התא מבצע פעולות כגון התחלקות, התאבדות, שינוי מקום או הרכב ועוד.

לדברי פרופ' אלון, תקלות במחשב הזה הן הבסיס למחלות רבות, כאשר התאים מבצעים פעולות שאינם אמורים לבצע. בעשורים האחרונים הצטבר ידע רב על החלבונים והתגובות המתרחשות ביניהם, אך עדיין קיים פער בין המידע הזה ובין הבנת הפעולה הביולוגית של התאים, שהיא פעולה משותפת של חלבונים רבים ורכיבים אחרים הפועלים כמערכת. “במעבדה במכון ויצמן אנו מנסים להבין את עקרונות התכנון של מעגלים ביולוגיים. המחקר מבוסס על מודלים מתמטיים ועל ניסויים בדיוק גבוה, שבהם אנו מפענחים את פעולת החלבונים בתוך תאים חיים”, הוא מסביר.

“התגלית הידועה ביותר של המעבדה הייתה בשנת 2002. הגענו למסקנה שרשת התגובות בין החלבונים השונים בתא, שיכולה הייתה להיות מסובכת לאין שיעור ואשר כוללת אלפי תגובות, מורכבת למעשה ממספר קטן של תבניות שחוזרות על עצמן שוב ושוב. ניתן להשוות כל אחת מהתבניות הללו למעגל בסיסי של חלבונים שמבצע פעולה ספציפית, כגון סינון רעשים, קביעת סדר זמנים מדויק של פעולות או ניסיון לסכום או לבצע אינטגרל ונגזרת (כשם שפעולת הנגזרת מאפשרת לגלות שינויים ברגישות גבוהה, כך עושים גם חלבונים מסוימים בתוך התא). את התבניות הללו אנו מכנים מוטיבים, והם שקולים למוטיבים החוזרים על עצמם בציור או במוזיקה. מוטיבים אלה, שהתברר כי הם קיימים בכל סוגי התאים, מספקים למדענים שפה שבה ניתן לדבר על המעגלים הבסיסיים של המחשב התאי. מאז חוקרים אותם אצלנו ובמעבדות רבות בעולם. המוטיבים נחשבים לאחד מאבני היסוד של תחום חדש – ביולוגיה של מערכות (SYSTEMS BIOLOGY)”.

אלון, שכתב את ספר הלימוד העיקרי בתחום זה, מסביר כי על מנת לחקור את המעגלים הללו פיתח צוות המעבדה שיטות ניסיוניות לצפייה בפעולת החלבונים בתוך תאים חיים, כאשר כמודלים ראשוניים נלקחו חיידקים ותאי סרטן אנושיים. לדבריו, כל מעגל כזה דורש תוכנית מחקר שלמה, וכך גם סוגיות כגון בניית מערכות מורכבות בעזרת שילוב מספר מעגלים בסיסיים כאלה.

במעבדתו של אלון בחנו החוקרים גם כיצד המנגנונים הללו עברו אבולוציה. במיוחד מסקרנת אותם השאלה מדוע בכלל התא מורכב ממספר כה קטן של מעגלים בסיסיים. מבחינת החוקרים זוהי אומנם תכונה מועילה, המאפשרת להם להבין את פעולתם, אך מדוע פיתח הטבע את המנגנון הזה? “עקרון הרכבת מערכות מסובכות מרכיבים פשוטים משמש היטב את המהנדסים”, הוא מסביר. “ייתכן שלמערכות ביולוגיות יש עקרונות תכנון דומות לעקרונות התכנון של ההנדסה, משום שעקרונות אלה הם הדרך היחידה בה ניתן לקיים מערכות מורכבות שפועלות בעולם. המחקר הבסיס על עקרונות כאלה מהווה נקודת מוצא טובה להבנה כיצד פועלים המחשבים בתא, ובעתיד גם לרדת לשורשן של מחלות הנגרמות בשל שיבושים במחשב התאי”.

הסקרנות הביאה את אלון לעסוק במדע בסיסי. “חשוב מאוד להדגיש שההמצאות או פריצות הדרך הפרקטיות החשובות ביותר שהשפיעו על חיינו נבעו מתגליות של מדענים שהלכו אחרי סקרנותם ללא כוונה לפתור בעיה פרקטית. לכן, מדע בסיסי חשוב לא רק כפעילות תרבותית של רכישת ידע חדש, אלא גם כדי למצוא פריצות דרך בלתי צפויות”.

כיצד בכלל מגיעים במאה ה-21 למדע כה בסיסי, זו שאלה מעניינת בפני עצמה, שכן תמיד כשנדמה לנו שאנו מבינים פעולה של מערכת, מתברר שקיים בטבע רובד נוסף. לדברי אלון, הבנת המערכת התאית תלויה בכל כך הרבה פיסות מידע, שלקח עשרות שנים עד שהפעילות המדעית הצליחה לספק את הידע הנדרש אודות החלבונים וקשרי הגומלין ביניהם, שיאפשר למדענים לעבור שלב – ולפתח תיאור מתמטי של מערכת חלבונים הפועלת ביחד. “בנוסף, נדרשו גם התפתחויות טכנולוגיות המאפשרות לנו לצפות בפעולות החלבונים”, הוא אומר. “מתוך בסיס הידע הזה אנו יכולים להגיע לרמה חדשה של הבנה אודות האינטגרציה של החלקים לכדי מערכות, שאותן ניתן להבין באותה רמה שבה מבינים מערכות בפיסיקה ובהנדסה. המחקרים הללו מאפשרים להבין טוב יותר כיצד בנויים המעגלים ביולוגיים המרכיבים את המחשב התאי. לאורך השנים היה זרם כזה בביולוגיה, אך כיום הוא הפך מזרם שולי לתחום מרכזי. לשמחתנו, פריצות הדרך בתחום הזה מתרחשות בארץ, לדוגמת העבודה של נעמה ברקאי, שקיבלה את פרס ברונו לפני מספר שנים”.

למרות ההישגים המדהימים שלו, מתברר שביולוגיה אינה תחום העניין היחיד של אלון. “מעניין אותי למצוא גשרים בין מדעי ההתנהגות ומדעי הרוח למדעי הטבע”, הוא אומר. “כיוון אחד הוא הוספת חינוך ושפה בעת הכשרת המדענים, כך שירכשו ידע רב יותר אודות יחסים בין אישיים והיבטים רגשיים וסובייקטיביים במדע. הדבר יביא לסביבה שתשפר את איכות החיים במדע ולדעתי תאפשר גם מדע מקורי יותר. חשוב בפרט חינוך שיפקח את “העיניים הפוליטיות” של דוקטורנטים ומדענים צעירים, כדי שלא נהיה פסיביים. רק מדענים מאוחדים יכולים להגן על המדע כמקצוע מפני קיצוצים וניסינות לנגוס במעמדו הציבורי”.

האדם שהשפיע עלי ביותר: דב שוורץ ודוד מוקמל, שהיו המנחים שלי בדוקטורט. כשאני מנחה סטודנטים אני שומע את קולם בראשי, ואני אסיר תודה.

דעתי על מצב החינוך בארץ: למדינת ישראל יש פוטנציאל אדיר מבחינה תרבותית ומדעית בזכות היכולות של תושביה, ולכן חשוב שהחינוך, המחקר והתרבות יהיו בראש סדר העדיפויות של המדינה.