RESEARCH

ד"ר איילת לסמן, מבית הספר להנדסה מכנית, ומנהלת מעבדה לביומכניקה של תאים ורקמות חנכה השבוע ציוד חדש אשר נתרם הודות למענק נדיב ע"י גב' דניאל רובינשטיין ז"ל ואגודת ידידי אוניברסיטת תל אביב בויקטוריה - אוסטרליה, ויעזור רבות למחקריה. ד"ר לסמן ישבה איתנו אחד על אחד והסבירה לנו על השילוב המנצח בין ביולוגיה, פיזיקה והנדסה ומה היא מקווה לגלות.

מה תחום המחקר העיקרי במעבדה?

תחום המחקר שלי הוא ביו-מכניקה של תאים ורקמות. הדגש אצלנו הוא ההבנה כיצד סיגנלים מכניים משפיעים על תהליכים ביולוגיים. למשל איך התכונות המכניות של סביבת התאים משפיעה על נדידת תאים או התקשורת בין תא אחד לשני, וכיצד הכוחות שתאים מפעילים משפיעים על התפקוד שלהם.

מהי אינטראקציה בין תאים וסביבה?

התאים ברקמות בגופנו גדלים בתוך סביבה אשר בנויה מרשת תלת-מימדית של סיבים (תחשבו על מרק ספגטי...נראה משהו כזה). בעצם רקמה = תאים + סביבה.  התאים "נדבקים" לסביבה שלהם וכל הזמן נמצאים  באינטרקציה איתה. אינטרקציה זו יכולה להיות כימית (מולקולות שונות) ומכנית (כוחות). אותנו בעיקר מעניין החלק המכני. למשל, התאים מפעילים כוחות מכניים כנגד הסביבה ויוצרים סביבם שדה תזוזות ומאמצים אשר חשובים ביותר לפעילות הביולוגית ויכולים לאפשר, בין היתר, תקשורת בין תאים רחוקים.

מה את מקווה לגלות?

אני מקווה לגלות את ההשפעה של סיגנליים מכניים על תהליך ההתארגנות של התאים לכדי יצירת רקמה. אני מאמינה שזה יכול לתרום רבות לתחום של הנדסת רקמות ולהבנה של תהליכים בביולוגיה התפתחותית.

מי עובד איתך במעבדה?

יש לי מנהל מעבדה, ‫ד"ר אורן ציצ'יאן, וסטודנטים לתואר שני ודוקטורט ופוסט-דוקטורנטים אשר עושים עבודה מצויינת. אני תמיד מחפשת סטודנטים חדשים אשר מצטיינים בלימודיהם ובעלי סקרנות ומוטיבציה למחקר.

מדוע בחרת לחקור תחום זה?

במהלך שנותי באקדמיה עברתי בין נושאים מגוונים מאוד. התחלתי לימודים בהנדסת חומרים ובדוקטורט עברתי להנדסה ביו-רפואה. הנדסה וביולוגיה תמיד עניינו אותי. התחום שאני עוסקת בו מגוון מאוד ומשלב בין הנדסה מכנית, הנדסת חומרים וביולוגיה ולכן כל הזמן מעניין.

איך את רואה את השילוב בין ביולוגיה, פיזיקה והנדסה?

שילוב מנצח. ‪אצלי במעבדה זה הבסיס. לכל פרויקט יש מוטיבציה מתחום הביולוגיה, ואנחנו חוקרים אותו באופן הנדסי, מכני. השילוב הזה מביא לחשיבה חדשה בעולם הביולוגי ולתגליות חדשות.

מה הגישה שלך לניהול מעבדה? מה תביאי איתך למעבדה?

חשובה לי מאוד העבודה העצמאית, שהסטודנטים יחשבו לבד, יביאו רעיונות יצירתיים ותמיד יחשבו על הצעד הבא ואיך עושים אותו. אני שם לעזור, לכוון, לייעץ אבל הם הכוח המניע. אני מצידי אביא רעיונות חדשים, סבלנות, אופטימיות ותקציבים לממן את המחקר. במחקר הרבה פעמים הולכים לאיבוד ואני שם למצוא את הדרך הנכונה.

​

החודש פורסמה עבודת המחקר של שלומי ליטמן, סטודנט לדוקטורט בהנדסת חשמל, בהנחייתם של פרופ' עדי אריה מאוניברסיטת תל אביב וד"ר רז גבישי מממ"ג שורק ובשיתוף עם ד"ר גלעד הורביץ, בעיתון המדעי היוקרתי OPTICA

שלומי, מהו הנושא המרכזי בעבודה שחקרתם?

"הטכנולוגיה שועטת לכיון שימוש באור ליישומים שונים. למשל העברת מידע ע"י אור. שימוש באור מעורבל מאפשר בין היתר להגביר את קצב המידע בכמה מונים. בעבודה זו פותחו רכיבים אופטיים מתוחכמים וממוזערים פי 100 מהקיים היום, אשר מפרידים את האור המעורבל לפי מידת  העירבול שלו (מספר העירבולים במרחק של אורך גל). הרכיבים שתוכננו על ידינו מאופיינים בצורות תלת ממד מורכבות. מה שמקשה מאד על ייצורם. בכדי להתגבר על אתגר זה , נעזרנו בהדפסה תלת ממדית לייצורם".

על הפרדה וחיבור של אלומות אור מעורבלות

כאשר מערבבים בתנועה סיבובית באמצעות כפית מים בכוס, נוצרת מערבולת של גלי המים. תופעה דומה קיימת גם בגלים אחרים ובפרט בגלי אור, היות והגל חוזר לצורתו המקורית לאחר התקדמות של אורך גל אחד, מספר הסיבובים של המערבולת בכל אורך גל חייב להיות מספר שלם. גל אור מעורבל נושא תנע זויתי, וניתן להשתמש בו להנעה ולסיבוב של חלקיקים קטנים. אפשר להשתמש בגלים אלה לתקשורת אופטית בקצב גבוה, כך שגלים בעלי תנע זוויתי שונה ינועו על אותו מסלול, וכל אחד מהם ישמש להעברת מידע.

שימושים אחרים של גלי אור

שימושים אחרים של גלים אלה הם בתחום ההצפנה הקוונטית ובתחום האסטרונומיה. כיוון שלאלומות אור מעורבלות יש ערכים קוונטים של מומנט תני זוויתי, ניתן  להיעזר בכך כדי להעביר מידע מוצפן, כאשר הערכים הקוונטים ידועים למצפין. היות והמידע נישא על ידי פוטון בודד, אם אדם כלשהו ירצה להאזין או "לגנוב מידע", הוא ישמיד בכך את המידע המשודר וההאזנה תתגלה.

לחבר או להפריד אלומות מעורבלות בצורה יעילה

על מנת לחבר או להפריד אלומות מעורבלות בצורה יעילה, יש צורך בזוג רכיבים אופטיים אשר מעצבים באופן מרחבי את האור העובר דרכם, כך שאלומות שונות ינותבו ויפוצלו לכיוונים שונים בהתאם לערכי התנע הזוויתי שלהן.

איך ניתן למזער את הרכיבים להפרדה או חיבור של אלומות מעורבלות

על ידי שימוש בהדפסת לייזר תלת ממדית ברזולוציה תת-מיקרונית, ניתן למזער את הרכיבים להפרדה או חיבור של אלומות מעורבלות, כך שיוכלו להיות חלק אינטגרלי במערכות אופטיות ממוזערות כדוגמת סיבים אופטיים. הדפסת לייזר תלת ממדית מאפשרת הדפסה של צורות גאומטריות תלת ממדיות שרירותיות. זאת, ע"י סריקה של אלומת לייזר בעלת משך פולס קצר מאד בתוך חומר נוזלי הרגיש לאור, אשר  יכול להפוך למוצק בגאומטריה שנקבעת בהתאם לאופן סריקת הלייזר בחומר.  במחקר זה, אשר פורסם בעיתון Optica, תוכננו ויוצרו בשיטת הדפסה זו התקנים אשר מסוגלים לזהות ולהפריד אלומות מעורבלות בעלות ערכי מומנט תנע זוויתי שונים. יתרה מכך, יוצר גם התקן כמקשה אחת, החוסך פעולות כיוונון מסובכות של שני הרכיבים. 

שלומי, מה התוצאה הסופית של המחקר שלך? איפה נוכל לראות את זה מיושם?

"התוצאה הסופית היא יצירת חיישן זיהוי לאלומות מעורבלות. יישום אפשרי הוא בהגברת קבצי מידע ברכיבים ממוזערים, ו\או תקשורת קוונטית חסינה לציתות. אלו יכולים להיות מיושמים ביישומים ביטחוניים, ובעולם התקשורת (טלקום), ואסטרונומיה".

לכתבה המלאה​

מירית שרעבי, דוקטורנטית מהמחלקה למדע והנדסה של חומרים, בהנחיה של פרופ' ראמי חג'-עלי מבית הספר להנדסה מכנית ושל פרופ' דפנה בניהו מהפקולטה לרפואה, מנסה לענות לשאלה המעניינת את כולנו: "האם בעתיד לבני האדם יהיה שפע של איברי גוף להחלפה?" התשובה נמצאת בראיון שנתנה השבוע למגזין themarker 

'

מירית שרעבי

לכתבה המלאה

במעבדת הסקרנות של ד"ר גורן גורדון באוניברסיטת תל אביב, מפתחים את הדור החדש של רובוטים: רובוטים סקרניים שלומדים לבד כיצד להתנהג - התנהגות שמבוססת על הבנה ומידול מתמטי של מוח האדם. שאלנו את ד"ר גורדון, מתי יהיו לנו רובוטים עם אישיות, שיודעים להבין שפה מורכבת וגם שפת גוף, שמתקשרים, חושבים ואפילו מרגישים?

"כדי להבין מה צריך לקרות כדי שרובוטים כמו C-3PO, R2-D2  וגם התוספת החדשה BB-8 יהיו אפשריים בעולם שלנו, ולא רק בגלקסיה רחוקה מאוד, צריך להפריד בין שני מרכיבים: הפיסי והקוגניטיבי. מבחינה פיסית BB-8 זו דוגמה מעולה לכך שהעתיד כבר כאן: הרובוט אמיתי, זז ועושה באמת כל מה שהוא מציג בסרט. בתחרות  Darpa Robotics Challenge שהתקיימה השנה, ראינו רובוטים שעושים המון פעולות אנושיות, כמו לנהוג במכונית, לפתוח דלתות או להשתמש בכלים. למרות שהיו רובוטים שהצליחו לבצע את כל המשימות, התחרות גם הראתה עד כמה אנחנו רחוקים מרובוטים אנושיים עם יכולות פיסיות אנושיות מלאות."

המרכיב הקוגניטיבי הוא הנקודה המעניינת. האם רובוטים יוכלו לתקשר, להבין ואפילו להרגיש?  "תחום התקשורת הוא המתקדם ביותר", מסביר ד"ר גורדון. "ישנן התפתחויות ענקיות בתחום, כמו זיהוי דיבור וניתוח שפה טבעית, שכבר מגיע לרמות מאוד גבוהות. יש דוגמאות לרובוטים עכשוויים שמשתמשים בזה, כמו פיתוח נפלא שנקרא JIBO, שהוא מאין "עוזר אישי" שיודע להבין ולענות בשפה יומיומית, לזהות את המפעילים שלו ואת הקשר ביניהם וללמוד תוך כדי שימוש איך להיענות לצרכים שלהם. אבל חייבים לזכור שבתקשורת אנושית ישנם מרכיבים רבים לא-מילוליים, כמו שינוי הטון ותנוחת הגוף. גם שם יש התפתחויות גדולות, אבל הדרך לרובוטים שיידעו להבין ולהשתמש בהתנהגות אנושית אמיתית עדיין ארוכה."

מעבדת הסקרנות באוניברסיטת תל אביב

איך נרגיש אם לרובוטים יהיו רגשות?

ומה לגבי רגשות? הסיבה שמיליוני אנשים מתחברים לרובוטים של מלחמת הכוכבים היא שהם שמחים, מתלהבים או נעלבים בדיוק כמו הדמויות האנושיות. לדברי ד"ר גורדון, "יש כבר פיתוח של רובוטים שמראים רגשות על-ידי פרצופים שונים, ואפילו לומדים אילו פרצופים זוכים לתגובות מאנשים שמתקשרים עמם. לדוגמא, בנינו רובוט שמטרתו היתה ליצור אינטראקציה כמה שיותר ארוכה עם אנשים, בעזרת הבעות פנים שחיקו הבעות אנושיות. הרובוט גילה לבד, בלי שתכנתנו אותו ככה, שכשהוא בוכה או עושה פרצוף עצוב, אנשים נשארים לידו הכי הרבה זמן. למעשה ככה גם תינוק לומד – כשהוא בוכה מבוגרים מרימים אותו ומטפלים בו, והוא מתוגמל על צורת התקשורת הזאת.  אבל האם רובוטים שילמדו להביע רגשות באמת ירגישו משהו? כאן הדעות חלוקות לגבי האם זה חשוב, כלומר, אם אנחנו חושבים שהם מרגישים ואפילו מפתחים אמפתיה כלפיהם, האם זה חשוב אם הם באמת מרגישים?"

אחרי שהשתכנענו שרובוטים שנוהגים במכונית ושמזמינים עבורנו משלוח מהמסעדה האהובה עלינו הם רק עניין של זמן, הגיע זמן לשאלה הבאה. כבר יש אנשים שעושים את כל הפעולות האלה, והם גם עושים אותן לא רע. מדוע טובי החוקרים והמדענים משקיעים מאמץ גדול כל כך לייצר מכונות שיהיו כמונו? האם זה רק רצון לחיות את הפנטזיה שגדלנו עליה בסרטי מדע בדיוני, כמו מלחמת הכוכבים?

ד"ר כרמל וייסמן, חוקרת תרבות דיגיטלית מהתכנית הרב תחומית במדעי הרוח, מאמינה שהציפיות הגבוהות כל כך שהחברה שלנו משליכה על רובוטים עתידיים להיות עובדים, מטפלים ובני לוויה טובים, אף יותר מהמקור האנושי, נובעות ככל הנראה מהרגשות המורכבים שלנו כלפי בני האנוש האחרים שמקיפים אותנו. "מכונות הן צפויות, ניתנות לשליטה, ואפשר לנטרל אותן אם הן מאתגרות אותנו. זה משהו שקשה לומר על אנשים. הטכנולוגיה מטפחת בנו את אובססיית השליטה ונותנת לנו הרבה אפשרויות שליטה. יחסים עם רובוטים יכולים להציע לנו לחוות את הרגשות שנלוות לקשר עם מישהו אחר, אבל ללא האחריות והפגיעות שקשר עם אדם אחר תובע מאתנו."

עבור ד"ר וייסמן, האינטראקציות של אנשים עם רובוטים, אפילו בגרסאות הלא מפותחות יחסית שקיימות היום, הן הזדמנות להבין קצת יותר דווקא אותנו ואיך אנחנו פועלים. "מה שמעניין הוא שדווקא עבודות שאנחנו מתייחסים אליהן כפשוטות ואוטומטיות, כמו קיפול כביסה או הרמת כוס, התגלו כמשהו שקשה מאוד ללמד רובוט לעשות. אלו פעולות שמחייבות הפעלה בו זמנית של חושים רבים, ולא ידענו עד כמה הן מורכבות עד שניסינו ללמד רובוטים לעשות אותן. באופן מפתיע, דווקא תחומים בהם חשבנו שהבסיס להצלחתם הוא אינטראקציה אנושית, כגון טיפול ותמיכה נפשית, יש לרובוטים הצלחות מפתיעות – פשוט מעצם העובדה שהרובוט מבצע מחוות של אדם מקשיב."

"אני מתבוננת בתחום הרובוטיקה כשיקוף של מצב החברה האנושית. ההתפתחויות בתחום הזה מצביעות על הצרכים, החולשות והחזקות שלנו. אנו מאד רחוקים מיצירה של תודעה רובוטית עצמאית פשוט כי אין לאף אחד מושג מהי תודעה. בינתיים ישתעשעו הרובוטים בפנינו על המסך ההוליוודי."

אני, רובוט

פרופ' מתי מינץ מבית הספר למדעי הפסיכולוגיה ובית הספר סגול למדעי המוח, מעודד אותנו לאתגר את הדמיון שלנו אפילו יותר. במקום בני אדם שחיים לצד רובוטים, הוא מציג מציאות עתידית שבה נחיה בתוך רובוטים, כאשר הגבולות ביננו ובינם יהיו מטושטשים. "בפרויקט שלקחתי בו חלק יחד עם קבוצת חוקרים מ ETH-Zurich, יצרנו מבנה אינטראקטיבי שאנשים נכנסים לתוכו. המבנה הוא הרובוט, שמתקשר, צופה ומגיב לאנשים המאכלסים אותו. הצגנו את הפרויקט, שכונה ADA (על שם עדה לאבלייס, מתמטיקאית וסופרת מהמאה ה-19 הידועה בתור המתכנתת הראשונה) ביריד EXPO השוויצרי ב2002. (לצפייה בסרטון).

ADA הצליחה לתקשר, לצפות וליצר אינטראקציות שונות עם האנשים שנכנסו אליה. היא גם ידעה להתייחס אחרת למבקרים שהביעו נכונות גדולה יותר לתקשר איתה והתנהגו אליה באופן חיובי. אלו הוזמנו לשחק משחקים שונים וזכו גם לברכת שלום אישית כשעזבו את המבנה. מה שהיה מעניין לגלות הוא שהמבקרים באופן טבעי מאוד תקשרו עם ADA בצורה אנושית ופשוטה. זה לא היה להם יותר מדי מוזר "לדבר" עם החדר שבו הם נמצאים. הסיבה היא כנראה שזו פשוט שיטת התקשורת היחידה שאנחנו מכירים."

"מעבר לכך, אני צופה שבעתיד לא יהיו שתי אוכלוסיות מובחנות – אנושית ורובוטית, שיחיו זו לצד זו, אלא אוכלוסייה אחת שבה לכל פרט יהיה הרכב אחר של איברים אנושיים וסינטטיים. כבר היום מסתובבים ביננו אנשים רבים עם קוצבי לב, מוסתים המושתלים במוח (לחולי פרקינסון) ושתלים חושיים שעוזרים לעיוורים, למשל. בעתיד הרחוק יותר, שתלים במוחנו שיגדילו את נפח הזיכרון שלנו או אפילו את היצירתיות שלנו הם לא בלתי נתפסים."

העתיד שהחוקרים שלנו תיארו פה עדיין רחוק. יש לנו שאלות טכנולוגיות ומוסריות רבות לפתור לפני שהוא יהפוך למציאות. מה שבטוח הוא, שעיסוק ברובוטים ובאינטראקציה שלהם אתנו גורם לנו ללמוד דברים חדשים דווקא על עצמנו. 

לאחרונה, צוות מדענים בראשות ד"ר תמיר טולר מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת תל-אביב, שכלל את הדוקטורנט אלון דיאמנט מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת תל-אביב ואת פרופ' רון פינטר מהפקולטה למדעי המחשב בטכניון, חשפו עקרונות אוניברסאליים העומדים בבסיס הארגון הגנומי באיקריוטים. במחקר שפורסם בכתב העת Nature Communications, מציגים החוקרים תבניות בארגון התלת-ממדי של גנומים, המעידות על קשר חזק בין מיקומם של גנים לבין קשרי הגומלין התפקודיים ביניהם.

באמצעות ניתוח חישובי של נתונים ניסיוניים, הצליחו החוקרים להראות שמרחקים בין גנים במרחב גרעין התא תואמים למרחקים במרחב מתמטי המתאר את הפונקציונאליות של גנים. כלומר, גנים אשר יש ביניהם דמיון רב מבחינת התפקיד שלהם בתא צפויים להימצא קרובים בגרעין התא, ולהיפך – גנים אשר שונים מאוד זה מזה צפויים להימצא רחוקים. הניתוח המקיף כלל לראשונה את כל הגנים הידועים בחמישה גנומים איקריוטיים שונים, בהם אדם, עכבר, צמח ושני מיני שמרים, אשר מדידות של קיפול הדנ"א שלהם תועדו בשנים האחרונות. האנליזה כללה אלפי עד עשרות אלפי גנים בכל אחד מהיצורים. בכל המקרים נמצאה מידה מפתיעה של סדר וארגון בגנומים שנבדקו, ובהתאם לעקרונות זהים.

גנים קרובים-רחוקים

אחד האתגרים המרכזיים במחקר היה הגדרת ומדידת המרחק הפונקציונאלי בין גנים – כלומר, כיצד אפשר למדוד עד כמה זוגות של גנים דומים מבחינת התפקיד שלהם בתא. הגדרת מרחק זה היא שאפשרה את ההקבלה בין מרחקים עבור כל זוג גנים (שנמדדו בניסוי) במרחב הפיזי של התא מחד, לבין מרחקים במרחב הפונקציונאלי מאידך. לשם כך, הציעו החוקרים גישה חדשה המתבססת על השוואת רצפי הדנ"א של גנים שונים, והראו שאמת המידה שהציעו למדידת הדמיון בין הרצפים אכן מקבילה לדמיון בפונקציה של גנים בתא, על-סמך המידע שנאסף עד עתה במאגרי נתונים ביולוגיים.

הקריטריון להשוואת רצפי דנ"א מתבסס על תכונות של הקוד הגנטי, המשותף לכלל היצורים החיים. רצפי דנ"א מורכבים מ-4 סוגי נוקלאוטידים (Nucleotides), הניתנים להקבלה לאותיות בשפת אנוש. מאותיות הנוקלאוטידים ניתן להרכיב "מילים" שונות המכונות קודונים (Codons) – כל קודון מְקוֹדֵד חומצת אמינו אחת בחלבון, וכל רצף קודונים כאלה מתורגם לשרשרת חומצות המרכיבות חלבון שלם. אחת התכונות המעניינות של הקוד הגנטי, היא שניתן לקודד חלבונים הזהים בהרכבם ובתכונותיהם ע"י צירופי קודונים שונים, ומספר גדול מאוד של רצפים אפשריים יכולים לקודד את אותו חלבון. מבין הצירופים האפשריים הרבים, ניתן לראות לעתים קרובות העדפה לקידוד באמצעות קודונים מסוימים בגן (או אף באזור מסוים בתוכו), שתתבטא בשכיחות גבוהה יותר שלהם ברצף. השוואת השכיחות של הופעת קודונים ברצפים של גנים שונים – "אוצר המלים" של הגנים – אפשרה לחוקרים להגדיר את המרחק הפונקציונאלי המוצע במחקר.

חיזוי והבנת תפקידי הגנים

הממצאים האחרונים שופכים אור על עקרונות הארגון הגנומי ביצורים איקריוטיים ומעוררים תקווה לגבי יישומם במחקרים עתידיים, על מנת לשפר את השיטות להבנת הארגון המרחבי של גנומים, למשל בבניית מודלים תלת-ממדיים מדויקים יותר מן הנתונים הניסיוניים. הממצאים גם מאפשרים בניית  מודלים של האבולוציה של הגנום ושל ארגונו ע"י ניתוח מספר מינים במקביל. נוסף על כך, ניתן ליישם את הגישה שהוצעה לצורך חיזוי והבנה של תפקידיהם של גנים, של אופן הביטוי שלהם ושל האבולוציה של תפקודם. בעתיד, ניתן לשער שהנדסה של גנומים תחייב התחשבות בהיבטים הנוגעים לארגון המרחבי שלהם, אשר יש לו חלק חיוני בבקרה על תהליכים בתא.