בחזית המדע

בחזית המדע

הטרנזיסטור הפוטוני הראשון בעולם. הפקה במעבדה של תאי גזע מקדימי זרע וביצית. יצירת סוכר מגז החממה פחמן דו-חמצני. כמה הישגים פורצי דרך של חוקרי ומדעני מכון ויצמן למדע ממחישים את איכות האקדמיה הישראלית העומדת בחזית המחקר המדעי בעולם

מאת: מערכת 2050
2050 טכנולוגיה והייטק

צעד חשוב בדרך לפיתוח מחשב קוונטי

היחידה הבסיסית של המחשבים האלקטרוניים בני זמננו, הטרנזיסטור, יכול להימצא באחד משני מצבים אפשריים, (למשל, אפס או אחד). לפיכך, בדיקת הפתרונות באמצעותו נעשית באופן סדרתי. לעומת זאת, טרנזיסטור קוונטי עשוי להימצא במספר מצבים בו-זמנית. תכונה זו עומדת בבסיס המאמץ לבניית מחשבים קוונטיים, אשר, כך מקווים, יוכלו לבדוק מספר עצום של פתרונות באופן מקבילי, וכך להיות יעילים ומהירים לאין שיעור מהמחשבים של ימנו.

יכולת הפעולה המקבילה של טרנזיסטור קוונטי נובעת מתכונה בסיסית של תורת הקוונטים, שלפיה חלקיקים הנתונים במערכת סגורה יכולים להימצא בעת ובעונה אחת בכמה מצבים. תופעה זו, הקרויה סופרפוזיציה, מתקיימת רק אם איש אינו צופה או מודד את החלקיקים. כלומר, כאשר צופים במערכת קוונטית או מודדים אותה, הקיום המקבילי שלה קורס אל אחת מאפשרויות הקיום "בלבד". לכן, כדי לשמור על יכולת הפעולה המקבילית של טרנזיסטור, אסור "להציץ" אל תוך המערכת. מבחינה מעשית, משמעות הדבר היא שהמערכת חייבת להיות מבודדת היטב, כדי למנוע כל דליפה של מידע מהמערכת החוצה, וכי יש למנוע כל אינטראקציה בין רכיבי המערכת לבין עצמם, ובינם לבין הסביבה החיצונית.

למעשה, שימור מוחלט של הסופרפוזיציה אפשרי כיום רק במערכות פשוטות ביותר, המורכבות, למשל, מאטומים בודדים, אשר מתקשרים זה עם זה באמצעות פוטונים (חלקיקי אור) בודדים. הפוטונים הם מועמדים טובים במיוחד לשמש כבסיס לתקשורת בתוך מערכות קוונטית כאלה, משום שמטבעם הם אינם יוצרים אינטראקציות בקלות.

כעת עשו ד"ר ברק דיין וחברי קבוצתו – איתי שומרוני, סרג' רוזנבלום, יוליה לובסקי, אוראל בכלר וגבריאל גנדלמן – מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, צעד משמעותי בכיוון זה. הם הצליחו, לראשונה בעולם, לבנות טרנזיסטור פוטוני – התקן קוונטי המבוסס על אטום בודד, שמבצע פעולת מיתוג לפוטונים בודדים (בדומה לטרנזיסטור אלקטרוני שממתג זרמים חשמליים).

הישג זה התאפשר בזכות שילוב של שתי טכנולוגיות חדשניות. טכנולוגיה אחת מאפשרת ללכוד ולקבע אטומים בתוך תא ריק באמצעות קרני לייזר ושדות מגנטיים למשך פרק זמן ארוך דיו כדי לקיים מפגש עם זרם הפוטונים. טכנולוגיה נוספת אחראית להביא למפגש את הפוטונים. לכידתם מתבצעת במהודים (רזונטורים) זעירים על שבב, בהם מסתובבים הפוטונים פרק זמן ממושך. ד"ר דיין: "הדרך לבנייתו של מחשב קוונטי עדיין ארוכה; אך המערכת שיצרנו מדגימה עקרונות בסיסיים שעשויים להיות ישימים בארכיטקטורות עתידית של מחשב כזה".

מקדימי הרקמות

מדענים ממכון ויצמן למדע בישראל ומאוניברסיטת קיימברידג', אנגליה, הצליחו לראשונה להפיק במעבדה, מתאי אדם, תאי גזע מקדימי זרע וביצית, התאים העובריים שמהם מתפתחים בהמשך, הזרע והביצית. זו הפעם הראשונה שבה הצליחו מדענים לגדל תאי אדם בשלב התפתחותי מוקדם כל כך. ד"ר יעקוב חנא, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, שהוביל את המחקר עם תלמידת המחקר במעבדתו, ליהי ויינברגר, אומר שמחקר זה עשוי לספק תובנות חדשות באשר לשלבים המוקדמים ביותר של התפתחות העובר, ואולי, בעתיד, לסייע בקידום שיטות טיפול חדשות בתחום הרבייה.

לדברי ד"ר חנא, תאים מקדימי זרע וביצית הם רק השלב הראשון במרוץ הארוך והמורכב לייצור ביציות ותאי זרע של אדם, מתאי אדם בוגרים. לדוגמה, בשלב מסוים בתהליך, חייבים תאים אלה לפצל את המטען הגנטי שלהם לשניים (תאי רבייה כוללים עותק אחד בלבד מכל כרומוזום). ובכל זאת, הוא בטוח שאלה אתגרים שאפשר יהיה למצוא דרכים להתמודד איתם. הצלחה עתידית בתחום זה תוכל, למשל, לאפשר לנשים שעברו טיפולי כימותרפיה להרות. בינתיים, המחקר כבר מספק תוצאות מעניינות ובעלות השלכות חשובות להמשך המחקר בתאים מקדימי זרע, ביצית, ואף בתאים מקדימים לרקמות שונות. קבוצת המחקר של ד"ר חנא במכון ויצמן למדע הצליחה לאתר חלק משרשרת האירועים הגנטית שמובילה תא גזע להתמיין כתא מקדים זרע או ביצית. בין היתר, הם גילו גן מרכזי, הקרוי Sox17, שאחראי על ויסות התהליך בבני אדם ולא בעכברים. כיוון שגן זה שונה מהמערכת שהתגלתה בעכברים, מצפים המדענים להפתעות נוספות בהמשך הדרך.

"היכולת להפיק במעבדה תאי אדם מקדימים לרקמות שונות, תאפשר לנו לחקור את תהליך ההתמיינות ברמה המולקולרית", אומר ד"ר חנא. כך נוכל לקדם, בסופו של דבר, את טכנולוגיית תאי גזע מקדימי הרקמות, שתאפשר פיתוח של יישומים רפואיים מתקדמים בתחום זה".

אוכלים אוויר, מייצרים דלק

כל החיים על-פני כדור-הארץ מתבססים, בדרך זו או אחרת, על קיבוע פחמן: היכולת של צמחים, אצות וחיידקים מסוימים "לשאוב" מהסביבה פחמן דו-חמצני (CO2) ולהמיר אותו – בסיוע אנרגיית השמש – לסוכרים המשמשים חומר מוצא הכרחי לתהליכי החיים (תהליך הקרוי קיבוע פחמן). במעלה רשת המזון, מצויים יצורים שונים (שחלק מהם סבורים, אולי בטעות, שהם "מתקדמים יותר"), שפועלים בכיוון ההפוך: הם צורכים סוכרים (שמפיקים היצורים והצמחים היצרניים) ו"בתמורה", משחררים לסביבה פחמן דו-חמצני. דרך גידול זו, מכונה "הטרוטרופיזם" או בעברית "צרכן". בני-האדם הם כמובן "צרכנים" במובן הביולוגי משום שמקור כל המזון אותו אנו צורכים מגיע מתהליכי קיבוע פחמן של יצרנים שאינם בני אדם.

האם אפשר "לתכנת מחדש" יצור שמצוי במעלה רשת המזון, צורך סוכרים ומשחרר פחמן דו-חמצני, כך שישתמש בפחמן דו-חמצני מהסביבה, וייצר סוכרים הנחוצים לו לבניית גופו? מתברר שזה בדיוק מה שעשו באחרונה מדעני מכון ויצמן למדע. ד"ר ניב אנטונובסקי, שהוביל את המחקר במעבדתו של פרופ' רון מילוא במחלקה למדעי הצמח והסביבה, אומר שהיכולת לשפר קיבוע פחמן חיונית ליכולתנו להתמודד עם אתגרים עתידיים כמו הצורך לספק מזון לאוכלוסייה גדלה, על משאבי קרקע פוחתים, תוך הפחתת השימוש בפחם, נפט וגז טבעי.

מדעני המכון, שביקשו להתכונן לאתגר, החליטו לנסות להכניס את המסלול המטבולי שמבצע קיבוע פחמן וייצור סוכרים (מעגל קלוין) לחיידקE. coli, שידוע דווקא כ"צרכן" – יצור שאוכל סוכר ומשחרר פחמן דו-חמצני.

ד"ר אנטונובסקי, פרופ' מילוא וחברי קבוצת המחקר ובהם ד"ר יהודית זוהר, תלמיד המחקר בעבר ד"ר ארן בר-אבן, תלמידי המחקר שמואל גלייזר ואלעד הרץ וחוקרים נוספים, גידלו את החיידקים ודחקו אותם – לאט ובהדרגה – לפתח תיאבון לפחמן דו-חמצני. כך, באמצעות שינוי תנאי הסביבה ויצירת עקה, אילצו המדענים את החיידקים ללמוד, בדרך של הסתגלות והתפתחות, לנצל את החומר הנפוץ יותר בסביבתם. תיוג איזוטופי של מולקולות הפחמן הדו-חמצני העלה כי זה אכן היה החומר ששימש את החיידקים ליצירת חלק ניכר ממאסת הגוף שלהם, כולל כל הסוכרים הדרושים ליצירת התא.


אתר: www.weizmann.ac.il

תגובות

Comments are closed