פרסי וולף ברפואה, בכימיה ובפיזיקה מכירים בחקר חוש הטעם, בשיטות לריצוף DNA ובהתקדמות בשליטה באטומים קרים.
לצד הפרס במתמטיקה לשני חוקרים ישראלים, הכריזה קרן וולף ב־1 באוקטובר 2026 על שישה זוכים נוספים ברפואה, בכימיה ובפיזיקה. הזוכים הוכרזו בבית הנשיא בירושלים; הענקת הפרסים מתוכננת ליוני 2027.
רפואה: איך המוח מזהה טעם?
פרופ' צ'ארלס ס' צוקר מאוניברסיטת קולומביה ומהמכון הרפואי הווארד יוז הוא הזוכה בפרס וולף ברפואה. קרן וולף בחרה בו על מחקרים ששינו את הבנתנו את חוש הטעם. בעבודותיו זוהו תאי חישה וקולטנים המעורבים בקליטת מתוק, חמוץ, מר, מלוח ואומאמי, ונחקרו המסלולים העצביים שמעבירים את המידע מן הלשון אל המוח.
ההבחנה החשובה היא בין זיהוי חומר בפה לבין החוויה שהמוח מעניק לאות. צוקר ועמיתיו הראו כיצד מסלולים עצביים שונים נושאים מידע על סוגי טעם שונים. זהו מחקר בסיסי על מערכת החישה, ולא הכרזה על טיפול רפואי חדש.
צ׳ארלס צוקר: מדוע חומר מר גורם לדחייה?
השאלה אינה רק איזה חומר נקשר לאיזה קולטן בלשון, אלא כיצד הפעילות הזאת מקבלת משמעות במוח. צוקר ועמיתיו חקרו את התאים והקולטנים המשתתפים בחישת חמש איכויות הטעם הבסיסיות: מתוק, חמוץ, מר, מלוח ואומאמי. הם שילבו כלים גנטיים, מדידות עצביות וניסויים התנהגותיים כדי לקשר בין זיהוי כימי לבין תגובה.
אחד הניסויים המתוארים באתר הפרס המחיש את ההבדל בין קולטן לבין מסלול עצבי. החוקרים גרמו לעכברים לבטא קולטן המזהה חומר מר דווקא בתאים המשתתפים בדרך כלל בחישת מתוק. בתנאי הניסוי, אותם חומרים הפעילו את המסלול הזה והעכברים הפגינו משיכה אליהם במקום דחייה. אי אפשר לשאול עכבר מה בדיוק הרגיש, ולכן הממצא הישיר הוא שינוי בהתנהגות.
הניסוי מראה שהתגובה אינה נקבעת רק לפי זהות החומר או הקולטן. חשוב גם איזה סוג תא הופעל ולאילו מסלולים במוח הוא מחובר. זהו ניסוי סיבתי: במקום להסתפק במתאם בין טעם לפעילות עצבית, משנים רכיב במערכת ובודקים כיצד התגובה משתנה. בניסויים נוספים, הכנסת קולטנים אנושיים לתאי טעם של עכברים שינתה את העדפותיהם, והדגימה כיצד הבדלים בקולטנים תורמים להבדלים ברגישות ובהעדפה.
פענוח מנגנונים אלה אינו אומר שכל חוויית האכילה מצטמצמת לחמישה טעמים. ריח, מרקם, ניסיון ומצב הגוף משתתפים גם הם בחוויה. תרומתו של צוקר היא הבהרת חלק מוגדר וחשוב בשרשרת: כיצד אות כימי מזוהה בתאי חישה וכיצד הפעלתם מניעה תגובה עצבית והתנהגותית.
כימיה: שלושה נתיבים שהוזילו את קריאת הגנום
פרס וולף בכימיה יוענק לפרופ' שנקר בלסוברמניאן ולפרופ' דייוויד קלנרמן מאוניברסיטת קיימברידג', ולפרופ' פסקל מאייר מצרפת. נימוק הפרס הוא פיתוח שיטות לריצוף DNA בהיקפים גדולים ובעלות נמוכה, שהרחיבו את האפשרויות במחקר גנומי וברפואה גנומית.
בלסוברמניאן וקלנרמן היו ממפתחי הגישה שהובילה לריצוף במקביל של המוני מקטעי DNA ולחברת Solexa. מאייר הגה ופיתח שיטה להגברת מקטעי DNA על משטח, כך שכל מקטע יוצר צבר של עותקים שאפשר לקרוא. טכנולוגיית הצברים שולבה בהמשך בפלטפורמת הריצוף. לכן הפרס המשותף מכיר בתרומות משלימות: כימיית הקריאה, ההגברה וההנדסה שהפכו ריצוף רחב היקף למעשי.
ריצוף מהיר וזול יותר מאפשר לחוקרים להשוות גנומים, לחקור גידולים ולזהות שינויים גנטיים. בדיקה גנומית כשלעצמה אינה אבחון ודאי לכל מחלה, ויש להבחין בין היכולת לקרוא רצף לבין פירושו הרפואי.
הכימיה: איך אפשר לקרוא מיליוני מקטעי DNA בבת אחת?
ריצוף DNA הוא קביעת סדר ארבעת סוגי הבסיסים המסומנים באותיות A, C, G ו־T. הגנום האנושי מכיל מיליארדי בסיסים, ולכן גם שיטה מדויקת לקריאת מקטע יחיד אינה מספיקה אם היא איטית ויקרה. האתגר היה להפוך פעולת מעבדה מצומצמת לתהליך שמבצע מספר עצום של קריאות במקביל.
בגישה שהתפתחה לפלטפורמת Solexa/Illumina מחלקים את ה־DNA למקטעים ומצמידים אותם למשטח בתוך תא זרימה. כל מקטע משמש תבנית ליצירת עותקים, והמערכת קוראת את סדר הבסיסים באמצעות בניית גדיל משלים. אנזים בשם DNA פולימראז מוסיף לגדיל בסיס המתאים לבסיס שבתבנית. סימון פלואורסצנטי מאפשר לזהות את התוספת באמצעות צילום, והצטברות האותות לאורך מחזורי הקריאה יוצרת רצף.
המקביליות היא השינוי המכריע: אותו מחזור כימי מתרחש באתרים רבים, והמצלמה קוראת את האתרים יחד. המחשב מתרגם את התמונות לרצפים, שאפשר להשוות לגנום ייחוס או להשתמש בהם לשחזור רצף. המכשיר אינו קורא כרומוזום שלם מתחילתו ועד סופו במהלך יחיד, אלא אוסף מידע ממקטעים רבים ומעבד אותו.
שנקר בלסוברמניאן: להפוך סינתזה של DNA לשיטת קריאה
בתיאור הרשמי של קרן וולף מודגשת תרומתו של בלסוברמניאן למעבר מחקר סינתזה של DNA ברמת מולקולות בודדות לשיטה אנזימטית מקבילית על משטח. עבודתו שילבה בסיסים בעלי סימון פלואורסצנטי, אנזימים מתאימים ובקרה על זרימת החומרים. יחד עם קלנרמן היה ממייסדי Solexa.
כדי לקרוא רצף מחזור אחר מחזור צריך למנוע מצב שבו האנזים מוסיף בסיסים רבים לפני שהמצלמה הספיקה למדוד. הפתרון בשיטת הריצוף באמצעות סינתזה הוא שימוש בבסיסים עם חסימה זמנית: לאחר התוספת מצלמים, מסירים את החסימה ואת הסימון, ואז מתחילים את המחזור הבא. כך כל תמונה מוסיפה מידע על המיקום הבא ברצף. הסרת החסימה חיונית לא פחות מעצירת הסינתזה, משום שהמטרה היא לחזור על התהליך שוב ושוב.
דייוויד קלנרמן: לראות את פעולת האנזים
קלנרמן תרם את הכלים מן הכימיה הפיזיקלית והדימות של מולקולות בודדות. על פי אתר הפרס, ניסיונו במיקרוסקופיה פלואורסצנטית ובמנגנון הפעולה של DNA פולימראז היה מרכיב מרכזי בדרך מתצפיות ביוכימיות בסיסיות לפלטפורמת ריצוף בעלת תפוקה גבוהה.
הקושי אינו מסתכם בהמצאת סימון צבעוני. מערכת מדידה צריכה להבחין בין אות אמיתי לרקע, לזהות את הבסיס שנוסף ולשמור על אמינות לאורך מחזורים רבים. כאן נפגשים הכימיה של הסימון, האופטיקה של המכשיר והתנהגות האנזים. שותפותו של קלנרמן עם בלסוברמניאן חיברה בין הבנת התגובה הכימית לבין היכולת למדוד אותה.
פסקל מאייר: מושבות DNA שמחזקות את האות
תרומתו של מאייר הייתה רעיון מושבות ה־DNA: הגברה של מקטעים ישירות על משטח, כך שכל מקטע יוצר מושבה מקומית של עותקים זהים. אתר הפרס מתאר רעיון שהגה ב־1996, הגשת בקשות פטנט ב־1997 והצגת הוכחה ניסויית ב־1998. בהמשך פותחה הטכנולוגיה ב־Manteia ושולבה עם כימיית הריצוף הנפרדת של Solexa.
מושבה כזאת פותרת בעיית מדידה פשוטה להבנה: אות אור של מולקולה יחידה חלש, ואילו עותקים רבים של אותה תבנית יכולים לספק אות שקל יותר לזהות. מכיוון שהעותקים נשארים באזור מוגדר על המשטח, אפשר להפריד בין האות של מושבה אחת לזה של שכנותיה. אין מדובר במושבת חיידקים, אלא בצבר עותקי DNA.
כך התחברו שתי יכולות משלימות: יצירת מערך צפוף של תבניות קריאה והוספה מבוקרת של בסיסים לשם זיהוי הרצף. ההתקדמות נשענה גם על הנדסת תאי זרימה, צילום אוטומטי וניתוח ממוחשב. חשיבותה היא הרחבת היקף המחקר הגנומי והאפשרות לחקור הבדלים גנטיים ומחלות באמצעות הרבה יותר דגימות.
פיזיקה: אטומים קרים ושעונים מדויקים
פרס וולף בפיזיקה יחולק בין פרופ' עמנואל בלוך, הפועל במכון מקס פלאנק ובאוניברסיטת מינכן, לבין פרופ' ג'ון יה (Jun Ye) מאוניברסיטת קולורדו ומהמכון האמריקני לתקנים ולטכנולוגיה, NIST. נימוק הפרס מדגיש התקדמות בשליטה במערכות של אטומים קרים מאוד.
בלוך משתמש באטומים הלכודים ברשתות אור כדי לדמות ולחקור מערכות קוונטיות מורכבות: כשהאטומים מסודרים בסביבה שאפשר לשלוט בה, ניתן לבחון כיצד תכונות קולקטיביות של חומר נוצרות ומשתנות. יה פיתח שעונים אטומיים אופטיים בעלי דיוק ויציבות גבוהים במיוחד. השעונים האלה משמשים גם ככלי ניסוי לשאלות יסוד, למשל לבחינת השפעות של תורת היחסות או יציבות קבועים פיזיקליים.
למרות הקשר בין שני סוגי הניסויים באמצעות שליטה באטומים, אלה הישגים מדעיים שונים: סימולציה של חומר קוונטי מצד אחד, ומדידת זמן ותדירות ברמת דיוק קיצונית מצד אחר.
עמנואל בלוך: מעבדה לחומר קוונטי הבנויה מאטומים ומאור
בחומר מוצק, תכונות כמו הולכה ובידוד נובעות מהתנהגות משותפת של חלקיקים רבים. כאשר יחסי הגומלין ביניהם חזקים, חישוב המערכת עלול להיות קשה מאוד. בלוך פיתח דרך ניסויית לחקור בעיות כאלה באמצעות אטומים אולטרה־קרים הלכודים בסריג אופטי — מערך מלכודות שנוצר מאור לייזר.
במקום להסתפק במדידה של חומר קיים, החוקרים בונים מערכת שבה אפשר לשנות את תנאי הניסוי באופן מבוקר. האטומים אינם אלקטרונים בתוך מתכת, אבל מערכת אטומים מתאימה יכולה לממש מודל של התנהגות קוונטית מרובת חלקיקים. זהו הרעיון של סימולציה קוונטית: מערכת קוונטית נשלטת משמשת לחקר מערכת או מודל קוונטי אחר.
קרן וולף מציינת בין הישגיו של בלוך את התצפית במעבר מנוזל־על למבודד מוט של בוזונים. בנוזל־על מופיע מצב קוונטי משותף התומך בתנועה קוהרנטית; במבודד מוט, יחסי הגומלין מגבילים את מעבר האטומים בין אתרי הסריג. בניגוד לבידוד שמוסבר רק באמצעות המבנה של חלקיק יחיד, כאן ההתנהגות נובעת באופן מרכזי מן האינטראקציות בין החלקיקים.
בלוך היה גם מחלוצי המיקרוסקופיה של גזים קוונטיים, המאפשרת לחקור את המערכת ברמת אתרי הסריג. המעבר ממדידה ממוצעת של ענן אטומים לבחינת המבנה המיקרוסקופי שלו פתח דרך לבדוק קשרים וסדר קוונטי בין חלקיקים. אלה כלים לחקר החומר; אין צורך להציג כל ניסוי כזה כמחשב קוונטי כללי כדי להבין את חשיבותו.
ג׳ון יה: שעון שהוא מכשיר לחקר חוקי הטבע
שעון אטומי משתמש במעבר בין רמות אנרגיה באטום כנקודת ייחוס לתדירות. בשעון אופטי, המעבר נמדד באמצעות אור בתדירות גבוהה, ולא באמצעות מיקרוגל. קבוצתו של יה משתמשת באטומים קרים ובמלכודות אור, לצד לייזרים יציבים מאוד, כדי לבצע מדידות מדויקות של המעבר הזה.
יש כאן קושי עדין: גם הכלים שמחזיקים את האטומים עלולים לשנות את התוצאה. אור הלכידה, הסביבה ויחסי הגומלין בין האטומים יכולים להזיז את תדירות המעבר. אתר פרס וולף מדגיש את השליטה המדוקדקת בגורמים האלה ואת פיתוח הלייזרים היציבים. דיוק של שעון אינו תלוי רק במספר התנודות שסופרים, אלא גם ביכולת לזהות ולצמצם השפעות שיטתיות.
במחקר שעליו דיווח NIST ביולי 2024 נעשה שימוש בסריג אור עדין יותר, שהפחית השפעות של אור הלכידה ושל אינטראקציות בין אטומים. מדידת אטומים רבים יחד מוסיפה מידע ומשפרת את ביצועי השעון. זו דוגמה לאופן שבו שליטה במערכת קוונטית מתורגמת למדידה שימושית.
השימושים חורגים מקביעת השעה. תורת היחסות הכללית מנבאת ששינוי בגובה, ולכן בפוטנציאל הכבידה, משנה מעט את קצב השעון. ב־2022 דיווח צוות JILA על מדידת הבדל כזה בתוך ענן אטומים בעובי של כמילימטר. השוואת שעונים יכולה אפוא לשמש לבדיקת היחסות ולמדידות של פוטנציאל הכבידה. אתר הפרס מזכיר גם חיפוש אחר שינויים בקבועי יסוד ותרומות לפיתוח שעונים גרעיניים, הנשענים על מעבר בגרעין האטום.
שאלות ותשובות
האם כל ששת החוקרים זכו על אותה תגלית?
לא. הפרסים ניתנים בשלושה תחומים שונים: צוקר ברפואה; בלסוברמניאן, קלנרמן ומאייר בכימיה; בלוך ויה בפיזיקה.
מתי יוענק הפרס?
לפי הדיווח על ההכרזה, ביוני 2027. ב־1 באוקטובר 2026 פורסמו שמות הזוכים לשנת 2026.
מקורות
- קרן וולף: צ'ארלס צוקר
- קרן וולף: שנקר בלסוברמניאן
- קרן וולף: דייוויד קלנרמן
- קרן וולף: פסקל מאייר
- קרן וולף: עמנואל בלוך
- קרן וולף: ג'ון יה
- מחקר קבוצת יה על ביצועי השעון האופטי
- NIST: שיפור השעון האופטי במחקר מ־2024
- NIST: מדידת היחסות בקנה מידה של מילימטר
- Illumina: כיצד פועל ריצוף באמצעות סינתזה
