חוקרי הטכניון פיתחו גישה מתמטית כדי לחזות התמיינות תאים

מדעני הטכניון פיתחו גישה מתמטית כדי לחזות מתי ובאילו תנאים יהפוך תא עוברי לתא שריר ולא לתא אחר, כגון תא עצם או עור. המחקר פורסם בכתב העת המדעי Development על ידי פרופסור אהוד קינן מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך, דוקטור רם רשף מהפקולטה לביולוגיה ועמיתיהם דוקטור רון פירן, עינת הלפרין ודוקטור נגה גוטמן-רביב.

במהלך ההתפתחות של העובר, היווצרות של רקמת שריר במיקום הנכון ובעיתוי הנכון, היא תהליך מורכב של קבלת החלטות. כדי להבין טוב יותר את התהליך הזה, השתמשו החוקרים בשפה מתמטית, אשר נמצאת בדרך כלל בשימושם של מדעני המחשב, כדי לפתור בעיות של קבלת החלטות, הידועות בשם בעיות  .SAT

“מערכות ביולוגיות, ואפילו בעלי חיים שלמים, ניתנים לתיאור כמכונות חישוב מולקולריות, אשר בהן כל המרכיבים, כולל חומרה, תוכנה, קלט ופלט, הם מולקולות הפועלות אלו על אלו, על פי מסכת מדויקת של חוקים,” מסביר פרופסור אהוד קינן. “לפני קבלת החלטה, נראית רקמת התאים כמו שדה קרב, שבו ארבעה צבאות שונים מתעמתים או משתפים פעולה אחד עם השני בניסיון לשכנע את התא להתמיין לכוון זה או אחר. הצבאות האלו מיוצגים על ידי חלבונים שונים. למרבה הצער, בניגוד למצב הקיים במערכות ביולוגיות פשוטות יחסית, לגבי בעלי חיים עילאיים כמו עוברי תרנגולת, שאותם חקרנו, כמעט בלתי ניתן למדוד את הריכוז המדויק של כל חלבון בכל נקודה ובכל זמן נתון. כדי לפשט את התסריט המסובך הזה, השתמשנו בשפה שנלקחה מתחום מדעי המחשב, על מנת לתאר את התופעה כתהליך פשוט יחסית של קבלת החלטות”.

“המנגנונים של העברת אותות באמצעות מולקולות, הם תהליכים מורכבים וקשים לפענוח”, מוסיף ד”ר רשף. “לכן שמחנו במיוחד כאשר נפתחה לנו האפשרות לגלות מסלול ביוכימי חדש, ואפילו לאשר את נכונותו באמצעות ניסויי מעבדה. מעט מאד עבודות עשו שימוש בכלים מתמטיים על מנת לתאר מערכות של התפתחות עוברית אך אף אחד לא עשה שימוש במודל אלגבראי פשוט כפי שמוצג בעבודה זו. כאשר התחלנו את העבודה הזאת, לא היה בנמצא תאור מנגנוני מקיף שיכול היה להסביר את כל התצפיות והתיאוריות הקודמות בתחום, חלקן נראו אפילו סותרות. המחקר שלנו הראה כי כל התיאוריות הללו מצטרפות למסכת אחת מסודרת, אשר יש בה הגיון רב”.

הגישה של חוקרי הטכניון מאפשרת מבט ממעוף הציפור על מערכות ביולוגיות מסובכות, מתוך הדגשה של הפרטים החשובים ביותר. באופן זה ניתן לטפל לא רק בהתפתחות של שרירים ועוברי תרנגולת או עוברים כלשהם, אלא גם במערכות מורכבות אחרות, כגון המבנה והתפקוד של הלבלב האנושי והאותות המאתחלים את התפתחות הכליה, נושאים שמעסיקים אותנו כיום.