RESEARCH

ד"ר גילי ביסקר מהמחלקה להנדסה ביו רפואית ומנהלת המעבדה לאופטיקה, ננו-טכנולוגיה, וביופיזיקה, הצטרפה לפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב אחרי 6 שנים באוניברסיטה היוקרתית ואחת הטובות בעולם - MIT שם עבדה במעבדה ניסיונית במחלקה להנדסה כימית ופתחה ננו-גלאים אופטיים המבוססים על ננו-צינוריות מפחמן וגילתה ננו-גלאים לחלבונים פיברינוגן ואינסולין. לאחר מכן עסקה במחקר תיאורטי במחלקה לפיזיקה ב- MIT שם עבדה על תהליכי הרכבה עצמית מחוץ לשיווי משקל, ובהסקת מסקנות לגבי מערכות מורכבות מחוץ לשיווי משקל מתוך מידע חלקי.

פיתוח שיטות לאבחון וטיפול חדשות

"המעבדה בפן הניסיוני, מתמקדת בפיתוח כלים ננו-טכנולוגיים שיאפשרו לעקוב אחרי תהליכים מולקולרים, בשאיפה להבין את הדינמיקה של אותם תהליכים. כלים אלו מבוססים על ננו-חלקיקים הפולטים פלורסנציה בתחום האינפרא אדום, ויכולים לגלות שינויים בסביבה הקרובה שלהם או ספיחה של מולקולות על פני השטח שלהם. בעזרת מעקב אחרי התכונות האופטיות של הננו-חלקיקים הללו במערכות ביולוגיות אפשר ללמוד עליהן ולקבל מידע חדש על תהליכים מיקרוסקופיים שאחראיים על ההתנהגות המקרוסקופית שלהן. כך מסבירה ד"ר ביסקר.

בין השאר, ניתן להשתמש באותם ננו-חלקיקים כסנסורים למולקולות ביולוגיות עבור אפליקציות ביורפואיות על מנת לפתח שיטות אבחון וטיפול חדשות. למשל, במעבדה מפתחת ד"ר ביסקר ננו-סנסורים לחלבונים וביו-סמנים של מחלות כגון סרטן וסכרת, לצורך גילוי מוקדם, ניטור התקדמות המחלה, ובדיקה של יעילות טיפול.

שבירה של סימטריית ההיפוך-בזמן

המעבדה אף מתמקדת בפן התיאורטי בו ד"ר ביסקר מפתחת כלים אנליטיים ונומריים לזיהוי של חוסר שיווי-משקל תרמודינאמי על מנת להבין תהליכים מולקולרים שאחראים לקיומם של חיים. למשל, תא חייב להשקיע אנרגיה על מנת להעביר מטען מקצה אחד של התא לקצהו השני, או על מנת לשנות את מבנה השלד שלו לטובת תנועה במרחב. אלו הן דוגמאות לתהליכים מחוץ לשיווי משקל החיוניים לתפקוד תקין של התא.

כל המערכות החיות נמצאות רחוק משיווי משקל, שמתבטא גם בשבירה של סימטריית ההיפוך-בזמן. כאשר יש במערכת תנועה בכיוון מועדף, או זרם הנראה לעין, קל לזהות שהמערכת אינה בשיווי משקל. לעומת זאת, בהעדר זרם זיהוי הכוחות הפנימיים או החיצוניים שדוחפים את המערכת מחוץ לשיווי-משקל נהיה מאתגר. במקרה זה, ד״ר ביסקר ומשתפי פעולה מאוניברסיטת קומפלוטנסה של מדריד ומאוניברסיטת מישיגן בארה״ב, הדגימו כיצד ניתן לכמת את שבירת הסימטריה להיפוך-בזמן ללא זרמים.

המחקר, שהתפרסם לאחרונה בעיתון  Nature Communications, מראה אין ניתן להשתמש בשיערוך המבוסס על פילוג ההסתברות של זמני המתנה כדי לזהות חוסר שיווי משקל. בעזרת השוואת ההתפלגויות של תזמון התהליכים הנצפים במערכת לבין ההתפלגויות של תזמון התהליכים ההפוכים בזמן, ניתן לכמת את אותה שבירת סימטריה ובכך לתת חסם תחתון לכמה רחוקה המערכת משיווי משקל. מדד זה יכול לעזור להבנה בסיסית של מערכות חיות, וללמד אותנו על יעילות של תהליכים מולקולרים, או על המחיר התרמודינמי ההכרחי לדיוק שלהם. ההבנה הזו יכולה גם לעזור לפיתוח מערכות סינטטיות השואבות השראה ממערכות ביולוגיות.

חלקיק נע בקו חד מימדי, עם הסתברות שווה לקפוץ למעלה או למטה. בממוצע, אין זרם במערכת, אך מתוך פרקי הזמן בהם החלקיק מבלה במצבים השונים, לפני קפיצה למעלה לעומת לפני קפיצה למטה, ניתן להסיק שבירת סימטריה להיפוך בזמן.

לינק למאמר 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

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.