מרהיב: לראשונה תועד המנגנון אשר יוצר פולס חשמלי בתא עצב

יוני 17, 2020
פרופ' איגור שפירו

לראשונה תועד בזמן אמת התהליך אשר מעורר דחף עצבי בתאים חיים. המחקר פורץ-הדרך הזה פורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי "NATURE", מאמץ מחקרי לו נדרשו מגוון רחב של מומחים בקריסטלוגרפיה וספקטרוסקופיה מאוניברסיטאות מובילות בעולם. בעבודת המחקר היה שותף גם פרופ' איגור שפירו מהאוניברסיטה העברית,  אשר השלים את המומחיות הדרושה בהדמיות מחשב של תהליכים קוונטים

פרופ' איגור שפירו

כ-99 אחוזים מהגוף האנושי מורכבים מששת האטומים השכיחים ביותר על פני כדור הארץ. השישי מביניהם, הנתרן, אשר מרכיב גם את מלח השולחן (נתרן כלורי), אחראי על הכוח המניע המפיח חיים בבני האדם וביצורים רבים אחרים. הנתרן מעורר דחפים עצביים (פולסים חשמליים) בתאי העצב כתוצאה משינויים בריכוזו סביב הקרום החיצוני (הממברנה) של התא. הזרמים החשמליים האלה מאפשרים לגוף האנושי לתקשר עם איבריו, לחוש את העולם סביבו, וגם לחשוב וליצור דברים חדשים. התהליך אשר מעורר את הפולס החשמלי העצבי ידוע ומוכר למדע ממחקרים קודמים, בהם גילו שיש חלבונים ייחודיים האחראיים להעביר את יוני הנתרן ב"תעלות" הנמצאות בממברנת התא, ובכך ליצור מתח חשמלי. למרות זאת, לחוקרים לא היה ברור במדויק כיצד מתרחש התהליך של מעבר יוני הנתרן, משום שהתהליך עצמו מעולם לא תועד באופן מרחבי ובזמן אמת.

 

במחקר החדש החוקרים פיתחו גישה מקורית וייחודית כדי לצפות בתהליך החשוב הזה, ולשם כך השתמשו במולקולה הפולטת קרינת רנטגן (קרני-X) כשהיא מוקרנת בפולסים של לייזר. בכל פעימה של הלייזר, קרינת ה-X אשר נפלטת מהמולקולה מאפשרת "צילום" של המבנה המרחבי של התא באותו הרגע. בעזרת שיטה זו, החוקרים הצליחו להרכיב מהתמונות שהתקבלו מעין "סרטון" המדגים בפעם הראשונה את המנגנון המדויק אשר יוצר את הדחף החשמלי בתאי עצב. הצילום הייחודי דרש מהמדענים להתגבר על מגוון קשיים ניסיוניים וחישוביים, ולכן נדרש לשלב בו קשת רחבה של מומחים מתחום הקריסטלוגרפיה והספקטרוסקופיה, כמו גם מומחים מתחום ההדמיה הממוחשבת של תהליכים כימיים קוונטיים בהובלתו של פרופ' איגור שפירו מהמכון לכימיה באוניברסיטה העברית. המחקר החשוב הזה פורסם לפני מספר ימים בכתב העת המדעי היוקרתי "Nature".

המחקר החדש הינו פורץ-דרך במובנים רבים משום שבמחקרים קודמים (כמו למשל במחקר שביצעה קבוצה יפנית מאוניברסיטת טוקיו,[IS1] ) צפו בתהליך המדובר באופן סטטי בלבד, כלומר תיעדו את המבנה המרחבי של התעלה החלבונית עם יוני הנתרן, אך לא צפו בעצם התהליך והתקדמותו כתלות בזמן. כאן ראוי לציין, שהבנת התהליך המפורט של מעבר הנתרן חשובה מאוד לא רק מבחינה מדעית אלא גם מבחינה רפואית ויישומית, שכן היא עשויה לסייע לפיתוח ושיפור של מגוון רחב של תרופות נוירולוגיות, אשר פעולתן ויעילותן מושפעת בצורה קריטית מפגמים בתעלות הנתרן ואיזון הריכוזים המדויקים  של יוני הנתרן מסביב לתא. 

Time-resolved absorption measurements on KR2 in solution and crystals

פרופ' יהויקים הברלה מהאוניברסיטה החופשית של ברלין, מומחה לכימיה ביולוגית ואחד ממחברי המאמר: "ניסוי זה הגשים חלום ארוך שנים בקהילה המדעית. הודות לשיתוף הפעולה הפורה של קבוצות המחקר מירושלים, שוויץ והקבוצה שלנו מגרמניה, הצלחנו להדגים לראשונה את התהליך בזמן אמת, בסקאלות זמן שונות, עד לרמה האטומית. זה מדהים!" פרופ' איגור שפירו הוסיף כי "הידע החישובי בתחום זה היה קריטי בפענוח המידע שהתקבל מהניסויים. מהנתונים הניסיוניים שהתקבלו קל מאוד להתבלבל בין מולקולת המים והנתרן. על כן נדרש ידע מעמיק, הרבה ניסיון וניתוח נכון ואיכותי של תוצאות הניסוי. כדי להתגבר על הקשיים הללו נעזרנו בכלים מתחום ההדמיה הממוחשבת של תהליכים כימיים".

קישור למאמר המדעי:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2307-8