חדשות

עדי בן-ארי ולירון בן-ארי הם סטודנטים להנדסת חשמל ופיזיקה, בשנה ד' ובתוכנית המצטיינים של הפקולטה להנדסה. אין זה במקרה שיש להם שם משפחה זהה, מדובר על תאומים זהים עם גאווה כפולה במיוחד לאור העובדה שמאמרם פורסם לראשונה החודש במגזין המדעי והיוקרתי The Journal of Chemical Physics. המאמר נכתב בהנחייתה של ד"ר גילי ביסקר, בנושא:  "Nonequilibrium self-assembly of multiple stored targets in a dimer-based system"

ד"ר ביסקר מפתחת במעבדה שלה ננו-חיישנים אופטיים תוך שימוש בתכונות האופטיות של ננו-צינוריות מפחמן כדי לזהות ולכמת מולקולות ביולוגיות בצורה ספציפית וסלקטיבית. בנוסף, היא חוקרת מערכות מורכבות מחוץ לשיווי משקל תרמודינמי, בהשראת מערכות ביולוגיות.

מערכות הרכבה עצמית

במערכות רבות, ובפרט בגוף האדם, מתרחשים תהליכים של הרכבה עצמית – תהליכים בהם מספר אבני בניין, כמו חלבונים, מסתדרים במבנה מסוים שנחוץ לפעולה ביולוגית ספציפית. כאשר תהליכי הרכבה עצמית מתרחשים בשיווי משקל תרמודינמי, כאשר חום נכנס מהסביבה או יוצא אליה רק באופן איטי ומבוקר, ניתן לתאר אותם ולחזות את תוצאותיהם מתוך התורה של מכניקה סטטיסטית בשיווי משקל.

אולם, תהליכים בגוף האדם מתאפיינים בחוסר שיווי משקל ואינם הפיכים, מה שמצריך כלים מתקדמים יותר על מנת לנתח אותם. במחקר, מודלה מערכת כללית של אבני בניין משני סוגים שונים שיכולות לשחזר מספר מבני מטרה, בהשראת מערכות ביולוגיות.

באמצעות סימולציות מחשב של המערכת, בהן הדינמיקה הוצאה משיווי משקל על ידי כוח לוקאלי (מקומי) – שמשפיע על האינטראקציה בין אבני בניין שכנות, הצליחו החוקרים להדגים מספר תכונות מעניינות. למשל, התאפשרה הרכבה של מבני המטרה מתוך מבנים התחלתיים קטנים יותר ביחס לאלו הנחוצים בשיווי משקל, הוגדלו מספר מבני המטרה שניתן לקודד למערכת, וכן שופרו היציבות ומהירות ההרכבה.

איור מתוך המאמר: סימולציה של הדינמיקה של המערכת. ככל שהזמן עובר, מצטרפים עוד חלקיקים לגרעין ההתחלתי ומבנה המטרה מורכב. בנוסף לחלק שחופף למבנה המטרה (בירוק), נבנים גם מבנים שגויים, שאינם שייכים למבנה המטרה (באדום).

איך המחקר יכול לסייע בעתיד?

מחקר זה יוכל לסייע בתכנון ושיפור מערכות המסוגלות לאחסן מספר מבני מטרה ולשחזר אותם, למשל חומרים מסתגלים שיכולים להסתדר במבנים שונים כתלות בתנאים חיצוניים. בפרט, הקטנת המבנים ההתחלתיים הדרושים, כפי שהוצג במחקר, יכולה להוות בסיס לאחסון יעיל יותר של מידע באמצעות מערכות מורכבות.

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

עבודתה של ד"ר גילי ביסקר ומנהלת המעבדה שלה ד״ר עדי הנדלר-נוימרק בנושא, התפרסמה בכתב העת המדעי Materials Today Bio בה הן חושפת את השיטה החדשנית למעקב אחר ננו-הצינוריות מפחמן בתוך תולעים. במחקר הייתה שותפה גם ד״ר ורנה וולף, פוסטדוקטורנטית במעבדתה של גילי.

ד"ר ביסקר מפתחת במעבדה שלה ננו-חיישנים אופטיים תוך שימוש בתכונות האופטיות של ננו-הצינוריות מפחמן כדי לזהות ולכמת מולקולות מטרה בצורה ספציפית וסלקטיבית. החיישנים מבוססים על ננו-צינוריות מפחמן הפולטות פלורסנציה בתחום האינפרא-אדום הקרוב, וכך מתאפשר לראות עמוק יותר בתוך הרקמה ובדוגמאות ביולוגיות, ולשפר את היחס בין האות לרעש.

תולעים כחיית מודל

תולעים משמשות חיית מודל נפוצה בזכות דמיון גנטי גבוה לבני אדם בגנים מחוללי מחלות כמו למשל במחלת הפרקינסון. למרות היתרונות הרבים שלהן כגון גודלן הקטן ושקיפותן, חסרון אחד משמעותי הוא האוטופלורסנציה שלהן בכל התחום הנראה, הנובעת מחלבונים שנמצאים בתוך התולעת עצמה הפולטים פלורסנציה. חסרון זה קיים לא רק בתולעים, אלא בחיות מודל רבות, עובדה המקשה מאוד על שימוש בצבענים או חלבונים פלורסנטים סינתטיים, היות ולא ניתן להפריד בין החלבונים הפלורסנטים הטבעיים של האורגניזמים לבין הצבען הפלורסנטי הסינתטי.

תמונה מהמאמר: בשורה העליונה ניתן לראות תמונות פלורסנטיות של התולעים במספר אורכי גל, התמונה השמאלית (NIR) היא של ננו-הצינוריות (אדום). התמונה האמצעית (DAPI+NIR) והימנית (GFP+NIR) הן תמונות משולבות של ננו-הצינוריות מפחמן באדום עם התמונות של האוטופלורסנציה של התולעת באורך גל המתאים לצבע הפלורסנטי הסינתטי DAPI או GFP (כחול או ירוק). בשורה השנייה התמונות הפלורסנטיות מוצגות על גבי תמונה באור לבן של התולעים, על מנת למקם את ננו-הצינוריות ביחס למעי של התולעת.

החוקרות השתמשו בננו-צינוריות מפחמן אשר פולטות פלורסנציה בתחום האינפרא אדום הקרוב – זהו תחום ספקטרלי בו אין אוטופלורסנציה כלל. "באמצעות ננו-הצינוריות הצלחנו לעקוב אחר פעילות העיכול של התולעים, לראות את המעבר שלהן בוושט עד צינור המעי, ולנטר את פעילות השאיבה של האוכל", מסבירה ד"ר הנדלר-נוימרק.

לדברי ד״ר ביסקר, ״הננו-חלקיקים הללו מתאימים לעבודה עם דוגמאות ביולוגיות ואינם פוגעים בהן, ולכן מאפשרים לעקוב אחר תהליכים בתוך אורגניזמים או תאים חיים ללא הפרעה של האוטופלורנסנציה הטבעית שלהם. השימוש בננו-צינוריות מפחמן יכול להוות יתרון משמעותי במעקב אחר תהליכים בחיות מודל קטנות כמו תולעים וגם לעקוף לחלוטין את האתגר של אוטופלורסנציה בתחום האור הנראה״.

אלה שמתאהבות בבעיה הן אלה שממציאות לה פתרון