פריצת דרך במכנוביולוגיה – מדידה מדויקת של כוחות בתהליכים ביולוגיים

חוקרים משתי פקולטות בטכניון מציגים אסטרטגיה חדשה למדידת כוחות מכניים בתהליכים ביולוגיים. את המחקר שפורסם ב–Journal of the American Chemical Society הובילו פרופ’ יהושע גרולמן ויפאן ליאו מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בשיתוף פרופ’ צ’רלס דיזנדרוק מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך. מכנוביולוגיה היא תחום מחקר העוסק בהשפעתם של כוחות מכניים על תהליכים ביולוגיים שונים. מדידתם של כוחות אלה ברמה המולקולרית היא אתגר מורכב, והפיתוח של חוקרי הטכניון צפוי לאפשר מדידות שלא התאפשרו קודם. מערכות מכנוביולוגיות שונות, שהתפתחו במהלך האבולוציה במשכי זמן עצומים, מפגינות יעילות גבוהה ב”תרגום” של כוחות מכניים לסיגנלים ביולוגיים. מערכות טבעיות אלה מספקות השראה רבה לפיתוחים הנדסיים, אולם קשה מאוד לחקות את רמת הדיוק שלהן במערכות מלאכותיות, בעיקר ברמה המולקולרית. לכן פריצות דרך בתחום זה חשובות מאוד בהקשרים רבים ובהם העברת תרופות בתוך הגוף, ניטור פגמים בחומר ופיתוח חומרים המתקנים את עצמם.

מימין לשמאל : פרופ’ צ’רלס דיזנדרוק, יפאן ליאו ופרופ’ יהושע גרולמן

הטכנולוגיה שפותחה בטכניון מבוססת על מכנו-חורים (Mechanophores) – יחידות מולקולריות שכאשר נכפה עליהן שינוי מבני, למשל באמצעות לחץ או מתיחה, הן מייצרות סיגנלים כימיים או פיזיקליים. מדידתם של סיגנלים אלה, המספקת מידע על מצבו של החומר, היא אתגר טכנולוגי מורכב מאוד, בעיקר כאשר נדרשת רגישות גבוהה במדידה. הטכנולוגיה שפיתחו החוקרים מאופיינת ברגישות גבוהה מאוד יחסית לשימושים קודמים במכנו-חורים ומגיבה גם למתח של 5% בלבד – מה שהופך אותה לרלוונטית מאוד בתהליכים ביולוגיים שונים שניטורם לא התאפשר עד כה. טכניקה זו רלוונטית למגוון חומרים ביולוגיים ומלאכותיים. חוקרי הטכניון הצליחו לייצר חומר-רגיש-לכוח ממולקולה הקרויה ספירופיראן, וכך יצרו מעין גלאי מולקולרי המספק מידע על הכוחות המכניים בחומר. התהליך הנדרש הוא תהליך של click chemistry, כלומר אינו מצריך תהליכים רב-שלביים ואינו כרוך בתוצרי לוואי בלתי רצויים.

יפאן ליאו

האסטרטגיה החדשה, הקרויה Dip-conjugate, מודגמת במאמר על אנליזה של סיבי הצמר של האלפקה – בעל חיים ממשפחת הגמליים, הנפוץ במיוחד בדרום אמריקה. יתרונה של טכנולוגיה זו בכך שהיא ישימה בחומרים סינתטיים וטבעיים כאחד, ובהם חומרים המיוצרים מחלבונים ופחמימות. החוקרים מעריכים כי בתחום התעשייתי תתרום טכנולוגיה זו להאצה והוזלה של תהליכי ייצור של מכנו-חורים בפולימרים. בנוסף ליישומים הביולוגיים, החוקרים מציינים כי “החומרים שפיתחנו עשויים להפוך חומרים ביולוגיים ומלאכותיים רבים לחיישנים בעלי רגישות יוצאת דופן. הם עשויים לשמש גם לציפוי רכיבי מטוסים, כך שיתריעו על כשלים המתהווים ברכיבים אלה.“

בתרשים: מדידת כוחות ביומכניים המופעלים על צמר אלפקה במצבי פיתול (למעלה) ודחיסה (למטה).

המחקר נתמך על ידי הקרן לחקר הסרטן בישראל (ICRF) וקרן המדע הלאומית (ISF).

למאמר ב-Journal of the American Chemical Society לחצו כאן