כדי שהגוף שלנו יתפקד, התאים המרכיבים אותו צריכים לפעול באופן תקין. דמיינו את התא כעיר עמוסה, שבה חלקים קטנים שנקראים אברונים נעים ממקום למקום, מתארגנים מחדש ומגיבים לשינויים וללחצים מבחוץ. כדי להבין איך הגוף שלנו נשאר בריא, או מה משתבש בזמן מחלה, מדענים צריכים דרך "להציץ" לתוך התא ולראות את התנועה הזו בזמן אמת.
הכלי העיקרי למשימה זו הוא מיקרוסקופ האור, טכנולוגיה ותיקה מהמאה ה-17, שמאפשרת לנו להפוך את התא הבלתי נראה, לעולם שלם של מידע. מכיוון שהתאים די שקופים, המיקרוסקופיה הסטנדרטית אינה מספיקה כדי להבין מה קורה בתוכם. לשם כך צריך להשתמש ב"צביעה פלואורסצנטית" - מעין "סימון זוהר" שצובע אברון מסוים בתוך התא.
2 צפייה בגלריה
בתמונת האילוסטרציה: מיקרופילמנטים (כחול), מיטוכונדריה (אדום) וגרעינים (צהוב) בתאי רקמת חיבור
(צילום: shutterstock)
כדי להשיג את הצבע הזה, מדענים שאלו פתרון יצירתי מהטבע: חלבון זוהר שמקורו במדוזות מאירות. פריצת הדרך הזו הייתה כה משמעותית, עד שגילויה זיכה את החוקרים בפרס נובל לכימיה, שכן היא אִפְשְׁרָה לנו לראשונה להדליק "פנסים" קטנים בתוך התא החי ולראות היכן נמצא כל רכיב.
למרות ההצלחה האדירה של שימוש בצביעה פלואורסצנטית, לשיטה הזו יש מחיר כבד. לא ניתן לצבוע מספר גדול של אברונים מאחר שהצבעים שמוצמדים לכל אברון "מתערבבים" זה בזה. האור החזק שדרוש כדי לראות את הצביעה גורם לצבעים לדהות במהירות, ואף גרוע מכך - הוא פוגע בבריאות התא, משבש את התנהגותו ולעיתים אף הורג אותו. למעשה, עצם הצמדת הצבע לאברונים בתא היא כמו להדביק משקולת קטנה למכונה עדינה ועלולה להפריע לתא לפעול בדרך הטבעית שלו.
הטוב משני העולמות
מכיוון שהתאים שקופים ברובם, קשה מאוד להבחין בפרטים בתוכם תחת אור רגיל. פתרון חלקי לבעיה זו הגיע באמצע המאה ה-20, כאשר הפיזיקאי פריץ זרניקה פיתח שיטה, שזיכתה אותו בפרס נובל, לנצל את האופן שבו קרני האור מתעקמות ומאטות כשהן עוברות דרך חלקי התא השונים. דמיינו שאתם מתבוננים על זכוכית שקופה בתוך מים - קשה לראות אותה, אבל אם האור פוגע בה בזווית נכונה, ניתן לראות את קווי המתאר שלה.
השיטה של זרניקה, ושיטות אחרות שמנצלות את התכונות האופטיות הטבעיות של התא, יוצרות "ניגודיות" מלאכותית שהופכת חלקים מסוימים בתא לכהים יותר ואחרים לבהירים יותר. כך אפשר לראות מבנים בתא שקודם היו נסתרים, וכל זאת מבלי להרוג את התא או להוסיף לו צבע רעיל.
"חוקרים הראו שאפשר ללמד בינה מלאכותית 'לתרגם' תמונות שהפיק מיקרוסקופ אור ללא סימון פלואורסצנטי לתמונות צבעוניות ומפורטות. הצביעה הממוחשבת מאפשרת לנו "לראות" את אברוני התא השונים בתא חי מבלי להוסיף צבעים פלואורסצנטיים ומבלי לפגוע בתא"
כאן נכנסת לתמונה המהפכה של השנים האחרונות - "הצביעה הממוחשבת" (In Silico Labeling). חוקרים הראו שאפשר ללמד בינה מלאכותית "לתרגם" את אותן תמונות שהפיק מיקרוסקופ אור ללא סימון פלואורסצנטי לתמונות פלואורסצנטיות צבעוניות ומפורטות. הצביעה הממוחשבת מאפשרת לנו "לראות" את אברוני התא השונים בתא חי מבלי להוסיף צבעים פלואורסצנטיים ומבלי לפגוע בתא. זה עובד קצת כמו תוכנות הצביעה שמשחזרות סרטים ישנים בשחור-לבן: המחשב לומד לזהות את הדפוסים העדינים של האור והצל בתמונה השקופה, ויודע לזהות את האברונים שמתאימים לכל תבנית כזו.
המחשב מוסיף את הצבע באופן וירטואלי, ללא צורך בהוספת סמנים פלואורסצנטיים. התוצאה היא הטוב משני העולמות: אנחנו מקבלים סרט צבעוני ומפורט של חיי התא, תוך שמירה על התא חי, בריא ומתנהג בדיוק כפי שהטבע התכוון.
מגבלות הצביעה הממוחשבת והפתרון
אך גם לבינה המלאכותית יש "עקב אכילס". היא ניסתה לפענח את התא כמו אדם שמנסה להבין מילה בודדת בלי לקרוא את המשפט כולו. דמיינו שאתם רואים את המילה "Apple". קשה לדעת אם הכוונה היא לפרי או לחברת הטכנולוגיה. אבל באמצעות הקשר (context) של כמה מילים, למשל "נגסתי ב..." לעומת "קניתי מניות של...", המשמעות הופכת ברורה מיד. כך עבדה הצביעה הווירטואלית - למדה מהפיקסלים ללא הבנה של ה"סיפור" מאחורי התא.
במעבדה לדינמיקה תאית חישובית במכון לחישוביות בינתחומית באוניברסיטת בן גוריון בנגב, פיתחנו פתרון חישובי להתמודד עם הבעיה הזו. במקום שהמחשב ילמד רק מהתמונה של התא, לימדנו אותו להשתמש בהקשר (Context) של התא. כך המחשב לומד את ה"סיפור המלא" של התא: איפה הוא נמצא במושבה, מי השכנים שלו, מה הצורה שלו. בזכות הבנת ההקשר, המחשב הצליח לצבוע בדיוק רב תהליכים נדירים כמו חלוקת תא, שנראים אחרת לגמרי מהרגיל, ושבהם הצביעה נכשלת במערכות אחרות.
במאמר שלנו שפורסם בכתב העת Nature Methods מתוארת הטכנולוגיה שמשתמשת ב"הקשר" של התא כדי לשפר צביעה ממוחשבת. כעת, אנחנו מתכננים להרחיב את ההקשר של התא עם מידע נוסף כמו סוג התא, סוג המיקרוסקופ, המחלה ואפילו התרופה שהתא קיבל. החזון שלנו הוא להרחיב את ה"מילון" הזה עוד ועוד, עד לבניית מודל שפה שלם של עולם התא. מערכת כזו תוכל להבין "טקסטים" ביולוגיים מורכבים מכל מיקרוסקופ, מכל סוג תא ובכל מצב תאי, ובכך להעניק למדענים תמונה צבעונית ומדויקת של החיים מבלי להפריע להם.
מחקר זה, נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע, המרכז למדעי הנתונים באוניברסיטת בן גוריון בנגב ועל ידי Allen Distinguished Investigator Award, a Paul G. Allen Frontiers Group advised grant of Allen Family Philanthropies.
ניצן אלמלם ופרופ' אסף זריצקי הם חוקרים במעבדה לדינמיקה תאית חישובית במכון לחישוביות בינתחומית באוניברסיטת בן גוריון בנגב
