כמה חדשות ממכון וויצמן למדע

האם אפשר היה לדעת מראש כי הסכרים שהגנו על ניו-אורלינס יישברו בלחצם של גלי הענק שיצרה סופת ההוריקן קתרינה? האם אפשר לנבא מתי, ובאילו תנאים, תביא "עייפות החומר" להתרסקותם של מטוסים, או להתמוטטות גשרים? מחקר של מדעני מכון ויצמן מציע תשובה מקורית לשאלות הרות גורל אלה.

המדענים, פרופ' איתמר פרוקצ'יה ותלמידי המחקר ערן בוכבינדר ושני סלע מהמחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע, ביקשו להבין את הדינמיקה של היווצרות שברים בחומרים שונים. מדענים בכל העולם מבצעים ניסיונות ועוקבים אחרי היווצרות שברים, אך עד כה לא נוסחה תיאוריה שהצליחה לנבא את השלבים השונים של תהליך היווצרות השבר.

כאשר כוח מופעל על חומר (למשל, כאשר אבן מושלכת ופוגעת בזכוכית), מתחיל להיווצר שבר בשכבות הפנימיות של החומר. בלחץ הכוח שהפעילה האבן הפוגעת השבר מתקדם ונע בתוך החומר במהירות הגוברת בהדרגה, עד שבשלב מסוים הוא גורם לריסוק המבנה של לוח הזכוכית. קו השבר מתקדם בתוך החומר בכיוון שמושפע מהכוח שהופעל עליו ומצורתו, תוך שהוא יוצר הסתעפויות של שברי משנה היוצרים יחד מבנה המזכיר אדרת דג, דבר שלעתים יוצר פני שטח הרריים (מיקרוסקופיים) על-פני השטח של השבר. פיסיקאים שביקשו לנבא את צורת השבר ואת הדינמיקה שלו נתקלו בקושי מכיוון שכיווניות התנועה של השבר גרמה לכך שמכל זווית התבוננות, או מדידה, אותו שבר עצמו נראה אחרת. דבר זה הקשה מאוד על הבנת תוצאות המדידה ולא איפשר הבנה מעמיקה של אופן התפתחות השבר.

פרופ' פרוקצ'יה וחברי קבוצתו חיפשו דרך שתאפשר להם לנתח מידע שהתקבל מניסויים בהיווצרות שברים, ולנבא את הדינמיקה של התפתחות השבר ללא תלות בכיוון שממנו מתבצעת המדידה. כדי לעשות זאת הם חילקו את פני השטח ההרריים לפלחים בעלי מאפיינים ייחודיים שבכל אחד מהם אפשר למדוד את השבר המתהווה ולייחס לו כיווניות מסוימת ותכונות נוספות. שיקלול מורכב של תמונת המצב שמתקבלת מכל פלחי המדידה, איפשר להם להבין את דינמיקת השבר ללא תלות בכיוון שממנו מבוצעת המדידה, ולסלול את הדרך שתאפשר בעתיד לנבא בהצלחה את כיוון תנועת השבר ואת השפעתו הסופית על החומר שבו השבר מתחולל.

בדרך זו הצליחו המדענים למצוא מאפיינים בסיסיים של דינמיקת היווצרות השברים בחומרים שונים, כגון לוח פלסטיק מסוים, זכוכית, מתכת ועוד. מחקרים מקיפים שייתבססו על התיאוריה החדשה יאפשרו למדענים ולמהנדסים ללמוד על אופיים האמיתי של חומרים שונים, ועל הדרך שבה מתפתחים תהליכי שבירה בחומרים אלה. מחקרים כאלה עשויים לאפשר ניבוי של הדרך שבה חומרים שונים (למשל סכר, או כנף של מטוס), יעמדו בלחצים ובמאמצים מסוימים וכיצד הם יעשו זאת במשך הזמן, לאחר שנוצרו ונצברו בהם שברים וסדקים שאינם נראים על-פני השטח.

שיטה חדשה לזיהוי חלבונים על-פי פעילותם, שפיתחו מדעני מכון ויצמן למדע, עשויה להאיץ את התהליך פי כמה מאות. בגוף האדם קיימים כ-100,000 סוגי חלבונים, המהווים כ-90% מהחומר היבש בגוף. חלבונים ממלאים תפקיד מרכזי ברוב תהליכי החיים, ושיבושים בפעילותם (כתוצאה מעודף, מחסור, תיפקוד יתר או תיפקוד לקוי), הם הגורמים לרוב המחלות. מכאן ברורה חשיבות היכולת של מדענים ורופאים לזהות חלבונים ביעילות ובמהירות.

תהליך הזיהוי של מולקולת חלבון בעלת תכונות מסוימות מחייב, בשיטות הקיימות, מיון של מיליוני, או אפילו מיליארדי, אפשרויות. השיטה החדשה, שפיתחו ד"ר דן תופיק והחוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר אמיר אהרוני מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, יחד עם פרופ' שלמה מגדסי מהאוניברסיטה העברית, בתמיכת משרד המדע והטכנולוגיה, מאפשרת לקיים מיליוני ניסויים במקביל, דבר שמאיץ את התהליך בשיעור של פי כמה מאות.

השיטה מבוססת על שימוש במעין "תאים מלאכותיים" העשויים טיפות של מים הלכודות בתוך טיפות שמן, כאשר שכבת השמן מדמה את הקרום השומני העוטף את התא החי וחוצץ בין הסביבה החיצונית לסביבה הפנים-תאית. המדענים מכניסים חומרים שונים (גנים, חלבונים, ועוד) לתוך הסביבה הסגורה ב"תאים" ואז בוחנים את יחסי הגומלין והתהליכים שמתחוללים ב"תא" המלאכותי. אמולסיה זו, המבוססת על מים ושמן, קרויה באנגלית "WOW" ראשי תיבות של מים-שמן-מים.

לדוגמה, כדי ללמוד על שיעור הביטוי והפעילות של גן מסוים (ביטוי של גן משמעו ייצור החלבון שאותו מקודד הגן), השתמשו המדענים בסמן פלואורוסצנטי הזוהר כאשר הוא מופעל על-ידי החלבון שמקודד בגן הזה. כאשר מיליוני מערכות כאלה הוכנסו למיליוני "תאים מלאכותיים" אפשר היה להבחין בקלות ב"תאים" הזוהרים, ולהפריד אותם מאלה שבהם לא נמצא החלבון המבוקש, ולכן נותרו "כבויים". מתקני מיון אוטומטיים הקיימים כיום כמעט בכל מעבדה, מסוגלים לבחון ולמיין אלפי טיפות בשנייה. "חיפושים שנמשכים כיום שנה", אומר ד"ר תופיק, "יסתיימו באמצעות השיטה החדשה בתוך ימים אחדים".