"מחקר שרושם הצלחה גדולה בתחום בו הידע האנושי הוא מועט עד בלתי קיים": כיצד הצליחה יריעת ג'ל לשחות באופן עצמאי?

צילום של דיסקת הג'ל. קרדיט - עידו לוין

צילום של דיסקת הגל. קרדיט - עידו לוין

ליצור חומר המתנהג כמו יצור חי: הדוקטורנט עידו לוין ופרופ' ערן שרון ממכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית, בשיתוף פרופ' רוברט דיגן מאוניברסיטת מישיגן, ביצעו לאחרונה מחקר ראשון מסוגו. בעבודת המחקר שלהם הם ניסו ליצור יריעות שמגיבות לאותות שמגיעים מראקציות פנימיות באופן דומה לפעולות ברקמות חיות. דוגמה מובהקת לרקמה חיה כזאת היא הלב, שהתכווצותו המקומית מופעלת על ידי סינגל כימי-חשמלי (action potential) המתקדם בקרום הלב, באופן עצמאי. החוקרים הצליחו לפתח יריעות סינטטיות דקות, בצורת דיסק ג'ל שטוח, שהצליחו להפוך בצורה עצמונית לצורת "אוכף" כאשר הן "הרגישו" בחום, וחזרו למצבן הבסיסי כאשר 'חשו' בקור. לטענת החוקרים, הניסוי שפורסם פורץ דרך, כיוון שהוא יוכל לסייע בפיתוח אוסף גדול של שיטות מדעיות שונות כגון ההדפסה "ארבע-ממדית" וכן "תכנות" של צורות שונות ומגוונות ביריעות השטוחות, הפועלות בכוחות עצמן בעזרת גירויים מסוגים שונים.

"הצלחנו ליצור יריעות המבצעות מטבוליזם של ממש, כמו ביצור חי, וממירות אנרגיה כימית לתנועה ולשינוי צורה תלת-ממדי", מסביר פרופ' שרון בהתרגשות. "החומר שבו השתמשנו אינו ישות פאסיבית, בעלת צורה נתונה, אלא כזאת המכילה אינפורמציה שיכולה להתבטא בשינויי צורה. עם זאת, בהשוואה למערכות ביולוגיות, אשר משתנות באופן חופשי וללא אות או סימן חיצוני, המערכות הללו מוגבלות מאוד בחופשיות תנועתן. בתהליך שחשפנו, חומרים הנמצאים בסביבת הג׳ל שימשו כ'אוכל' - מקור אנרגיה להתכווצות מקומית ומשתנה, אשר בעקבותיה הג'ל שינה את צורתו ונראה כשוחה".

פרופ ערן שרוןהבנייה של הג'ל המגיב לסביבה דומה לג'לים קודמים שבהם השתמשו החוקרים במעבדה, אלא שהפעם הוא הכיל ״מונומר״ המגיב לראקציה הכימית 'תגובתו המתנודדת של בלוסוב' (הידועה כיום כתגובת בלוסוב-ז'בוטינסקי, Belousov – Zhabotinsky). החומר ביצע מטבוליזם (חילוף חומרים) בכוחות עצמו. כאשר שמו החוקרים את הג'ל בתמיסה כימית, התחילו להופיע מעצמן תבניות שונות בתוך הג'ל - אזורים כתומים וירוקים המתפשטים כפאזות (גלים מחזוריים). כתוצאה מכך, שדה הניפוח של הג׳ל לא היה אחיד, עובדה המתורגמת לכך שצורתו התלת-ממדית של הג'ל השתנתה בזמן שבו הוא שהה בתמיסה. הג'ל היה מסוגל לבצע עשרות רבות של מחזורי ראקציה, כל עוד המשיך לשהות בתמיסה רעננה של כימיקלים. "למחקר הנוכחי יש התאמה גבוהה לתאוריה החוזה באופן כמותי את התפתחות צורת הג'ל בזמן", הוסיף פרופ' שרון.

הדרך להשגת התוצאות בג'ל לא הייתה קלה. ראשית, תהליך ההכנה של הג'ל התארך עד שהחוקרים הצליחו ליצור יריעות ג'ל גדולות ודקות, אשר מגיבות באופן חזק לריאקציה הכימית של התמיסה. לאחר שפיתוח החומר הושלם, ודגמים ראשונים אכן שינו את צורתם בתגובה לריאקציה, פותחה מערכת ייחודית המאפשרת למדוד באופן מדויק את צורתו התלת-ממדית של הג'ל המשתנה בזמן, בעודו שרוי בתוך הנוזל. ראשית, באמצעות רשת של נקודות שחורות מודפסות על הג'ל שתנועתן תועדה בעזרת שתי מצלמות. שנית, אלגוריתם שפותח במעבדה איתר את מיקום הנקודות בתמונה, ויצר צורה תלת-ממדית של התנועה של הג'ל לאורך זמן. שלישית, הפאזה של הריאקציה נמדדה דרך הצבע של הג'ל. רביעית, מראה הנשלטת בידי מחשב "שרטטה" בעזרת לייזר את התבנית הרצויה, ומשם הצליחו החוקרים לפתח חומר במבנה מסוים המסוגל לבצע ריאקציה המתפתחת באופן עצמוני. הדבר חשוב כדי להבין אם החומר מסוגל לעבור ראיקציה בתצורות שונות ומשונות.

הדוקטורנט עידו לויןעבודה זו כמעט סוגרת מעגל ביחד עם עבודות מתחום ההנדסה הרפואית, בהן מדפיסים מבנים מתאים חיים - בעוד שבעבודות אלו הופכים תאים חיים ל'חומר', בעבודה הנוכחית הופכים חומר סנטטי ל"חי". העבודה הנוכחית נותנות כלים חדשים למידול ולחקר יריעות ביולוגיות או סינטטיות, המופיעות בשלל הקשרים מחסרי חוליות ועד רובוטים רכים. "הצלחנו לגרום ליריעות פשוטות 'לשחות' ו'לזחול' על קרקעית התא. אמנם מדובר חשוב וחדשני, אך זהו מחקר בסיסי ולא מדובר באחד שניתן לתרגם אותו באופן מידי למוצר", מבהיר החוקר עידו לוין. "מאידך, הוא פורץ דרך מכיוון שהוא רושם הצלחה גדולה בתחום בו הידע האנושי הוא מועט עד בלתי קיים. ההבנה של הצורה בה רקמות ביולוגיות 'מעצבות את הצורה של עצמן', ונעות באופן עצמי הוא בחזית המחקר המדעי העכשווי.

ומה לגבי המשך הדרך? פרופ' שרון מבהיר כי "בשלב הבא נהיה מעוניינים ליצור מודל מכאני את האינטראקציה עם הנוזל, כדי לתכנן ולבנות 'שחיינים' מהירים יותר. במקביל, נעבוד על פיתוח היכולת להדפיס את הג'ל במדפסת תלת-ממד, כדי להרכיב בעתיד מבנים מורכבים אשר יכללו חלקים דמויי-שריר, וחלקים דמויי-עצבים המוליכים את האות המפעיל, ויוכלו להיות מושתלים בגוף האדם".

המחקר מומן על ידי הקרן הדו-לאומית למדע ישראל-ארה"ב (BSF) וקרן עזריאלי.

למאמר המדעי: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.178001

לפרסומים בתקשורת:

https://www.ynet.co.il/environment-science/article/rJDr7nqQd

התוכנית שלושה שיודעים: https://www.kan.org.il/radio/player.aspx?ItemId=205622 (תחילת השעה השנייה)