מהתנועה הבלתי פוסקת של מולקולות ואברונים בתא, דרך שחיית הבורג הזריזה של חיידקים ועד למיליוני תאי זרע שמצליפים במרץ בשוטוניהם בדרך לביצית – מערכות ביולוגיות מייצרות תנועה וזרימה ללא הרף. מאחורי רבות מהתופעות האלה עומדים "חומרים פעילים": חומרים שמרכיביהם מתפקדים כמעין מנועים זעירים הצורכים אנרגיה כימית וממירים אותה לעבודה מכנית. האינטראקציות בין אינספור מנועים כאלה יוצרות באופן ספונטני זרימות, מבנים ודפוסי תנועה מורכבים בקנה מידה גדול.
רק בשני העשורים האחרונים החלו מדענים להבין מהם העקרונות הפיזיקליים המאפשרים הרכבה של חומרים פעילים וכיצד ניתן לרתום אותם לביצוע משימות לפי דרישה. כעת, במעבדתה של ד"ר אלכסנדרה טייר במכון ויצמן למדע, פיתחו לראשונה שני סוגים חדשים של חומרים פעילים מלאכותיים: חומר שמבצע משימות ומשנה צורה לפי קוד גנטי, וחומר שמעצב את תנועתו בעזרת ארגון עצמי של שרשראות די-אן-אי. שתי פריצות הדרך, המתפרסמות בכתבי-העת המדעיים Nature Materials ו-Nature Physics, מניחות תשתית לפיתוח רובוטים רכים, טיפולים ממוקדים וחומרים חכמים יותר.
גלריה
מימין, עומדים: ד"ר הלל אהרוני ורושל סילברמן; יושבים: ד"ר ארז זרביב וד"ר אלכסנדרה טייר
(צילום: מכון ויצמן למדע)
בפיזיקה קלאסית תכונותיו של חומר מוכתבות מראש על-ידי תנאי הסביבה, כמו טמפרטורה, לחץ וריכוז. חומרים פעילים, לעומת זאת, לוקחים את גורלם בידיהם – הם שורפים "דלק" כימי, נעים ומבצעים עבודה מכנית, וכך מסוגלים לעצב את תכונותיהם בעצמם. כשמדענים מפתחים חומרים פעילים חדשים הם שואלים לשם כך אבני בניין מתאים חיים - כמו רשת הצינורות (מיקרוטובולים) של שלד התא, שעל גביה צועדים חלבוני מנוע ומשנעים מטענים. אלא שהיכולת לשלוט בחומרים פעילים עדיין מוגבלת: עד כה ניסו מדענים לעשות זאת בעיקר באמצעות שינוי הרכבם - למשל סוג וכמות המיקרוטובולים וחלבוני המנוע – אך היכולת לגרום לחומר עצמו לחוש את מצבו ולשנות את פעילותו בהתאם נותרה אתגר מרכזי.
בתאים חיים חלבונים מיוצרים לפי "מתכון" גנטי, ובקרה קפדנית על ביטוי הגנים מאפשרת לתאים לשנות צורה ותפקוד בתוך דקות. כשהקימה לפני כארבע שנים את מעבדתה במחלקה לפיזיקה כימית וביולוגית, בחרה ד"ר טייר לחבר בין שני תחומי התמחותה: מערכות לביטוי גנים מחוץ לתא וחומרים פעילים המבוססים על מנועים מולקולריים. מתוך החיבור הזה נולדה השאלה שהניעה את המחקר הראשון: האם אפשר להעניק גם לחומר מלאכותי מעין "תוכנית גנטית", שתאפשר לו לייצר בעצמו את המנועים המולקולריים הקובעים את פעילותו?
במחקר, שהובילו הדוקטורנטית רושל סילברמן ומדען הסגל ד"ר ארז זרביב ממעבדתה של ד"ר טייר, בשיתוף פעולה עם פרופ' וינסנט נווארו מאוניברסיטת מינסוטה, שילבו החוקרים בתוך רשת המיקרוטובולים די-אן-אי ומערכת לביטוי גנים, וכך אפשרו לחומר לייצר בעצמו את המנועים שמפעילים אותו בהתאם למידע המקודד בדי-אן-אי. בשלב הראשון שולב גן המקודד לחלבון מנוע ומתבטא ברציפות, כך שריכוז המנועים בחומר הלך ועלה. ברגע שפעילות המנועים חצתה את הסף הדרוש כדי לגבור על הכוחות האלסטיים ש"כבלו" את הרשת למקומה, החומר "התעורר לחיים" – המיקרוטובולים החלו לנוע ולהתארגן לבליטות שהלכו וגדלו. לבסוף, התפרקה הרשת לצרורות מיקרוטובולים, שהסתחררו במערבולות קטנות במשך שעות.
כדי לשלוט בקצב הצטברות המנועים, שינה צוות המחקר בכל ניסוי את ריכוז הגן שהכניסו. כך הצליחו לקבוע את העיתוי שבו החומר יתחיל לנוע, את מהירות התנועה ואת קצב המעבר בין המצבים המכניים השונים. ואולם, הבקרה הגנטית לא קבעה היכן ייווצרו הבליטות בחומר וכיצד הן יתפשטו. בניסיון לשלוט בתכונות אלה, יצרו החוקרים באמצעות מדפסות תלת-ממד תעלות ורכסים מיקרוסקופיים בסביבת החומר הפעיל. כך, הצליחו לקבוע את מיקום וממדי הבליטות שייווצרו והראו שגם אילוצים גאומטריים הם שכבת בקרה ניתנת לתכנות.
משהצליחו לפתח חומר פעיל עם "קוד פתוח", הראו החוקרים גם כיצד ניתן להשתמש בו. "תכנתנו את החומר לבצע תנועה קצרה ולבלום", מתארת סילברמן. "לשם כך שילבנו גן לחלבון מגשר, מעין 'סקוטש' שמחבר צינורות סמוכים. קירוב הצינורות זה לזה סייע תחילה לחלבוני המנוע לאחוז בהם, להניע אותם ולשנות את צורת החומר, אך בו בזמן נוצר בין הצינורות חיכוך והוא בלם את התנועה בתוך זמן קצר. אחר כך, תכנתנו את החומר לעבור פרצי תנועה במרווחי זמן קבועים, וזאת בעזרת חלבון נוסף שעוצר את ייצורו של חלבון המנוע לאחר זמן מה. במערכת זו, דאגנו שכל החלבונים יעברו פירוק מהיר כדי לפנות מקום לפעימה חדשה".
"הפכנו משתנים ביולוגיים מוכרים, כמו קצב ביטוי גן או מעגל משוב גנטי, למשתנים פיזיקליים שניתן לחזות ולעצב באמצעותם תכונות חומרים מלאכותיים", מדגישה ד"ר טייר. "הודות לשיתוף פעולה עם ד"ר הלל אהרוני מהמחלקה לפיזיקה של מערכות מורכבות במכון, פיתחנו גם מודל תאורטי פשוט שהצליח להסביר כיצד השינויים בביטוי הגנטי מתורגמים לשינויים במבנה החומר. תשתית מדעית זו עשויה לאפשר בעתיד לתכנן חומרים פעילים המצוידים בקוד גנטי שיוכלו לשנות את המבנה והתפקוד שלהם לפי דרישה".
ממנועים זעירים לתנועות גדולות
אף על פי שהמחקר סיפק דרכים חדשות לשלוט בחומר פעיל, התעלומה שבבסיסו לא פוענחה – כיצד אינספור אינטראקציות מיקרוסקופיות בין מנועים זעירים מולידות תנועה רחבה ומתואמת? רמז ראשון לפתרון התגלה במהלך תקופת הפוסט-דוקטורט של ד"ר טייר באוניברסיטת UCSB, שבמהלכה פיתחה מדי כוח המבוססים על שרשראות די-אן-אי. היא הבחינה כי בתגובה לכוח מכני, השרשראות נמתחות ומתרפות בקצב הדומה לזה שבו המנועים מניעים את החומר הפעיל. ההתאמה הזו העלתה רעיון חדש: להשתמש בדי-אן-אי לא כקוד גנטי, אלא כמעין קפיץ מולקולרי – כזה שנמתח, אוגר אנרגיה ואחר כך משחרר אותה בחזרה לחומר, וכך עשוי לארגן מחדש את תנועתו.
מימין: מאיה לבנון, ד"ר אלכסנדרה טייר, נועה גולדברג ופרופ' ערן בוכבינדר
(צילום: מכון ויצמן למדע)
במחקר נוסף ממעבדתה, שהתפרסם השבוע ב-Nature Physics, עקבו מקרוב המדעניות, בהובלת הדוקטורנטיות מאיה לבנון ונועה גולדברג, אחר חומר פעיל שהחדירו אליו מקטעי די-אן-אי ארוכים. חומר פעיל זורם ספונטנית במערבולות קטנות המונעות על-ידי מנועים זעירים שמושכים צרורות של צינורות, ותנועה זו גרמה למולקולות הדי-אן-אי להסתבך זו בזו ולייצר רשת תלת-ממדית.
"נדהמנו לראות שהרשת יצרה בחומר הפעיל תנודות קצביות, וככל שהיא הסתבכה והתעבתה התנודות רק גדלו", מתארת לבנון. "גילינו שהתנודות נוצרות עקב תגובה מושהית של רשת הדי-אן-אי: כשהחומר הפעיל זורם בכיוון מסוים, למשל בכיוון השעון, הוא מותח את הרשת במשך כעשר דקות, עד לקצה גבול היכולת, ורק אז היא מתכווצת וסוחפת אותו בכיוון ההפוך. כמו כן, גילינו שהדי-אן-אי חייב להיות ארוך דיו כדי לגשר פיזית בין מערבולות סמוכות בחומר על מנת שתופיע תנועה מסונכרנת יציבה".
כדי להסביר את הממצאים ולהבין מה עוד שולט בהתנהגות פולימר בחומר פעיל, חברו המדעניות לפרופ' ערן בוכבינדר מהמכון ולד"ר רם אדר ותלמידת המחקר שלו דביר כהן מהטכניון ופיתחו יחד מודל תאורטי. "כפי שצפה המודל, גודל התנודות במילימטרים היה תלוי אך ורק בגבולות שאנחנו הצבנו לחומר הפעיל, והוא גדל ביחס ישר לגודל הכלי", מסבירה גולדברג. "את מהירות התנודות מכתיב ריכוז המנועים המולקולריים ומתברר גם שיש לו ערך מינימלי שנדרש כדי שדי-אן-אי יישזר לרשת".
"בגוף שלנו חומרים פעילים פוגשים פולימרים ארוכים באופן יומיומי", מרחיבה ד"ר טייר. "הריר הצמיג המצפה את דרכי הנשימה ואת איברי מערכת הרבייה עשיר בפולימרים, ויש לא מעט 'שחיינים' קטנים שנעים דרכו, כמו חיידקים, טיפולים רפואיים ממוקדי מטרה ותאי זרע בדרך לביצית. היינו מדמיינים אולי שקשה לשחות בנוזל צמיג שמלא בשרשראות מולקולריות ענקיות, אך להפתעתנו ממצאי המחקר שלנו מרמזים שהן דווקא עשויות לסנכרן ולייעל מאוד את התנועה בטבע".
יחד, המחקרים החדשים ממעבדתה של ד"ר טייר מעמידים לרשות מהנדסי חומרים ומפתחי תרופות סל רחב של כלים מכניים וגנטיים לעיצוב תכונות חומרים. "אני מקווה ששילוב הכלים השונים יאפשר בעתיד לפתח חומרים חכמים יותר", היא אומרת, "למשל, רובוטים רכים שמשנים את צורתם בזמן, במקום ובאופן המתאים, וטיפולים שמגיעים ביעילות רבה יותר לתאי המטרה".
במחקר שפורסם בכתב-העת המדעי Nature Materials השתתף גם ד"ר דיוויד גארן מאוניברסיטת מינסוטה, ארה"ב.
הכתבה התפרסם באתר מכון ויצמן למדע
