Category Archives: כתבות אמצע

אובדנות היא תופעה אנושית טרגית שבה אדם בוחר ליטול את חייו במו ידיו. בכל 40 שניות בממוצע אדם בעולם נוטל את חייו. יותר מ-500 ישראלים מתאבדים בכל שנה, ועוד אלפי ניסיונות התאבדות נרשמים בכל שנה בישראל. מאז 2003 מצוין בעולם התאריך 10 בספטמבר (היום) כיום העולמי למניעת התאבדויות.

מחקרים מראים כי במקרים רבים אפשר להקל את סבלם של אנשים ולמנוע ניסיונות התאבדות על ידי זיהוי מוקדם של הנטייה האובדנית והקצאת טיפול מתאים. מאמצי מחקר רבים הושקעו בהבנת האובדנות ומאפייניה, אך רבים מגורמי הסיכון העשויים לשמש להתראה מוקדמת עדיין לא ברורים. מטה-מחקר שנערך על פני חמישה עשורים מראה שכאשר משתמשים בשיטות מחקר מסורתיות לזיהוי סיכון התאבדות, חיזוי מקרי התאבדות הוא רק מעט טוב יותר מחיזוי אקראי.

בשנים האחרונות, עם התפתחות הבינה המלאכותית (AI) וריבוי המודלים בלמידת מכונה, התפתחו במחקר האובדנות שיטות המבוססות על למידה חישובית. שיטות אלה נמצאו יעילות הרבה יותר משיטות מסורתיות המבוססות על מושגים תאורטיים. נוכח ממצאים אלו בחרו בפקולטה למדעי הנתונים וההחלטות בטכניון לקיים דאטאתון בנושא לפיתוח כלים לניטור מוקדם של נטיות אובדניות.

דאטאתון הוא תחרות פיתוח בבינה מלאכותית המתמקדת בנתוני עתק ובניתוחם. משתתפי התחרות בטכניון פיתחו כלים ויישומים לניטור נטיות אובדניות, זאת על בסיס מאגר נתונים טקסטואלי שנאסף בקבוצת המחקר של פרופ’ רועי רייכרט מהפקולטה עם החוקרות שיר ליסק ואילנית סובול. הדאטאתון נמשך שלוש יממות רצופות והשתתפו בו כ-70 סטודנטים שהתחלקו ל-16 קבוצות.

“בכל שנה אנחנו מקיימים אירוע שחושף את הסטודנטים שלנו לעולם האמיתי, עם נתוני אמת ואתגרים חברתיים,” אמר ראש התוכנית להנדסת נתונים ומידע בטכניון פרופ’ אביגדור גל. “הפעם הקדשנו את האירוע לניטור נטיות אובדניות. זו התנסות ראשונה של הסטודנטים בעבודה משמעותית עם נתונים, ואנחנו מדגישים בפניהם לא רק את ההיבטים הטכנולוגיים אלא גם היבטים אתיים של אחריות בנתונים.”

במקום הראשון בתחרות זכו הסטודנטים זיו ברזילי, ליעד דומב, עמרי לזובר ויהונתן וולוך שהשתמשו בסט נתונים שהכיל מידע על אנשים שהציגו נטיות אובדניות ברשתות החברתיות. בעזרת מנטורים מעמותות העוסקות בבריאות הנפש ובהתאבדויות פיתחו חברי הקבוצה מערכת המזהה נטיות אובדניות בקרב משתמשים ומתריעה בפני האנשים הקרובים להם על חשש לפגיעה עצמית. לדבריהם, “אנחנו מקווים שמערכת זו תעזור להציל חיי אדם ותעלה את המודעות לנושא האובדנות.”

הסטודנטים שזכו במקום הראשון

את המקום השני חלקו שתי קבוצות:

האחת, שבה חברים הסטודנטים עידן הורוביץ, ליאן פיכמן, שיר גיסלר ואריאל כהן, רתמה כלים של למידת מכונה ובינה מלאכותית בשילוב דעתם של מומחים מתחום בריאות הנפש. לדברי חברי הקבוצה, “המערכת שפיתחנו משתמשת במודלים של זיהוי פנים וכלים מתחום עיבוד שפה טבעית כדי לנתח סרטון ושיח של טיפול פסיכולוגי. כך אפשר לספק בזמן אמת או לאחר טיפול מסקנות לגבי מחלות נפש או נטייה למחשבות אובדניות, אשר יסייעו למטפל לקבוע אבחנה מדויקת לגבי המטופל.”

השנייה, שבה חברים אריאל נובומינסקי, ולאדיסלב קומנטני ואלכסנדר פריידין, הציעה שיטה למדידה כמותית של המושג המופשט “תהליך רגשי”. חברי הקבוצה ביקשו להבין ולאפיין את התהליך הרגשי שעובר אדם ברגעים קשים. “חיפשנו קירוב למצב הרגשי, המאפשר ניתוח מתמטי שלו. השתמשנו בטקסטים שקיבלנו כחלק מהדאטא על אנשים אובדניים, וכך כימתנו את התהליך באופן שיסייע באיתור של אנשים הנמצאים בסיכון לפגיעה עצמית.”

במקום השלישי זכו עדן הינדי, לאון חליקה וכפיר אליהו. מטרתם היתה לזהות תסמינים לאובדנות כדי ליצור קבוצת ביקורת שתאפשר הרצת השוואות סטטיסטיות בין אנשים בסיכון לאנשים שאינם בסיכון, תחת ההנחה שרוב המשתמשים אינם אובדניים. הם התאימו את קבוצת הביקורת לקבוצת הטיפול לפי סוג התוכן ופרמטרים נוספים. באמצעות נתונים אלה הם בנו מודל סיווג המאפשר לקבוע אם התוכן של המשתמש מכיל סימנים כלשהם של נטיות אובדניות. למרות כמות הנתונים הקטנה, המסווג שלהם הניב תוצאות מבטיחות.

הסטודנטים שזכו במקום השלישי

הדאטאתון, בהובלת ד”ר גילה מולכו, לווה על ידי ג’רמי עטיה מ-Data for Good Israel ושלושה סטודנטים לתארים מתקדמים בפקולטה, ששימשו גם מנטורים בתחרות: שיר ליסק, אילנית סובול ותום יובילר. ליסק וסובול חוקרות זיהוי נטיות אובדניות ברשתות החברתיות כחלק מהתזה והדוקטורט שלהן, והן אפשרו לסטודנטים להשתמש בנתונים שנאספו במסגרת המחקר שלהן.

לדאטאתון נרתמו בהתלהבות עמותות שסיפקו לסטודנטים את המידע והמוטיבציה לפיתוח פתרונות שעשויים להציל נפשות. הרב שלום המר, מייסד עמותת “דרכה של גילה”, נתן לסטודנטים הצצה לחיי אדם אובדני ותהליך הדרדרות עד להתאבדות ואפשר להם בפתיחות לשאול שאלות רלוונטיות. מירה פרבשטיין רתמה את ארגון ער”ן ואף תרמה מזמנה על מנת לקחת חלק כמנטורית ושופטת באירוע. ד”ר שירי דניאלס, מנהלת מקצועית ארצית בער”ן הרצתה לסטודנטים ואורי רכמן, מתנדב בעמותת “בשביל החיים”, שימש כמנטור ושופט באירוע.

“יש לנו כלים לנסות ולסייע,” אמרה ד”ר דניאלס, “אך גם פסיכולוגים מתקשים בזיהוי של נטיית אובדנות מבעוד מועד. קרובים של אנשים שניסו להתאבד מספרים לעתים שהיו סימנים מקדימים, אך היה קשה לזהות אותם.”

בעזרת ארגונים אלה הושגו שתי מטרות חשובות: הסטודנטים יכלו לגשת לנושא המורכב הזה עם מידע מירבי ולא פחות חשוב – להתחיל שיח בנושא קשה זה בצורה פתוחה ורגישה, להיות ערניים לסממנים מאנשים הסובלים מנטיות אובדניות וכך אולי להציל נפשות.

האירוע נתמך פיננסית על ידי ארגון  IDSI (ארגון מדעי הנתונים הישראלי במימון ות”ת) בראשות פרופ’ פאול פייגין, החממה החברתית בטכניון בראשות רונית פיסו וTech.AI- – ארגון הגג של הטכניון לבינה מלאכותית.

חוקרי הטכניון זכו בחמישה מענקי ERC STG – מענקים שנועדו לחוקרים צעירים ומבטיחים בראשית דרכם. החמישה הם ד”ר שרלוט ווגט וד”ר יובל שגם מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך, ד”ר בן אנגלהרד מהפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט, ד”ר הילה פלג מהפקולטה למדעי המחשב ע”ש טאוב וד”ר אסף זינגר מהפקולטה להנדסה כימית ע”ש וולפסון.

מענקי STG (Starting Grants) מטעם הנציבות האירופית למחקר הם מענקי מחקר יוקרתיים ותחרותיים שנועדו לסייע למדענים צעירים ומבטיחים לקדם את מחקריהם, לגבש צוותי מחקר ולחתור להגשמת רעיונות נועזים ומקוריים. המועמדות והמועמדים נדרשים להציג פוטנציאל לפריצות דרך מדעיות, שאפתנות עזה והיתכנות של הצעת המחקר שלהם. השנה תממן הנציבות האירופית למחקר בסך הכל 400 מענקים כאלה – פחות מ-15% מההצעות המחקר שהוגשו. שיעור המימון הכולל עומד השנה על 628 מיליון יורו.

ד”ר אסף זינגר הוא חבר סגל בפקולטה להנדסה כימית ע”ש וולפסון וחבר באקדמיה העולמית הצעירה. ד”ר זינגר וצוותו מפתחים ננו-חלקיקים ייחודיים המחקים את התנהגותם המיוחדת של תאים בתהליכים ביולוגיים שונים, למשל תאי דם לבנים המצליחים לנווט בגוף האדם כדי לגלות ולטפל בפולשים.

ד”ר זינגר קיבל את המענק לפיתוחם של “מילקוזומים” – חלקיקים מלאכותיים בהשראתם של התאים הקיימים בחלב אם. לחלקיקים אלה פוטנציאל לאפשר לכל תרופה להגיע ליעד מוגדר בגוף דרך מערכת העיכול, ולאחר בליעתם על ידי המטופל הם יחדרו דרך דופן מערכת העיכול, יגיעו לאיבר המטרה ושם ישחררו את התרופה. מלבד פיתוחם ההנדסי המורכב של המילקוזומים, במסגרת מחקר זה יזוהו סוגי התאים של חלב האם שבכוחם לעבור ממערכת העיכול לאברי המטרה ותיבדק יעילותם של שני טיפולים חדשניים בצריכה אוראלית – חיסון קורונה ומתן אינסולין לטיפול בסכרת.

ד”ר אסף זינגר (צילום: שרון גבאי, הקרן לחקר הסרטן בישראל – (ICRF.

ד”ר בן אנגלהרד מהפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט יקבל את המענק עבור DopamineLearnLoops: לולאות הלמידה של מערכת הדופמין. היכולת ללמוד היא אחת מתכונותיו המופלאות של המוח. המוח האנושי לומד בצורה יותר יעילה ועם מידע מועט יחסית לכלים קיימים של בינה מלאכותית. מה עומד בבסיס יכולת זו? מחקרים קודמים מלמדים כי מערכת הדופמין במוח חיונית לתהליכי למידה רבים, אולם מנגנון המעורבות של מערכת זו בלמידה עדיין אינו ברור.

ד”ר אנגלהרד מציג מודל חדש ללמידה ביולוגית: מערכת הדופמין יוצרת “לולאות למידה” רבות בין אזורי מוח שונים, ואלה תומכות בתהליכים של למידה מקבילית ומבוזרת. במחקר ייעשה שימוש בטכנולוגיות מתקדמות כדי לחקור את אותן לולאות במהלך למידה מורכבת, למפות את התהליכים החישוביים המעורבים באותם תהליכים ולהבין את האלגוריתמים שעומדים בבסיסם.

ד”ר בן אנגלהרד

ד”ר הילה פלג מהפקולטה למדעי המחשב ע”ש טאוב תקבל את המענק על EXPLOSYN – סינתזה של .Exploratory Programming   מטרת הפרויקט היא לייצר פלטפורמה שתשפר את יעילותו ואמינותו של קוד שנכתב ב- Exploratory Programmingכבר במהלך כתיבתו.

סינתזה בתוכנה מאפשרת למתכנתים להתמקד בהיבטים העקרוניים של עבודתם – פתרון בעיות. הבעיה היא שסינתזה מחייבת את המתכנת לכתוב מראש את דרישות הקוד הנדרש, אבל אלה לעתים אינן זמינות שכן היבטים רבים, כגון פרטי היישום והחלוקה לתת-משימות, אינם ידועים למתכנת מראש. מחקרים שערכה ד”ר פלג בנושא זה מדגישים את התהום הפעורה בין מה שהמתכנת יודע לבין הדרישות שיצירת התוכנה מצריכה. פתרון אפשרי לפרדוקס זה נמצא היכן שבעיה זו קיימת ונפתרת באופן טבעי על ידי מתכנתים – ב-Exploratory Programming, שבו שיפור הבנת הקוד מושג על ידי כתיבתו. במסגרת הפרויקט תפותח טכנולוגיה לסינתזה של Exploratory Programming: כלים שיתמכו במתכנת במקרה של “חורים” בהבנת הדרישות הראשוניות. גישה זו תספק למתכנתים כלי עבודה חדשים ותאפשר להם לייצר קוד התואם את מסלול העבודה ואת תכליתו.

ד”ר הילה פלג (צילום: כלב אלפרנס)

ד”ר שרלוט ווגט מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך תקבל את המענק לפיתוח NANODYNAMICS – טכנולוגיה לריאקציות בננוחלקיקים בתנאים מאתגרים. קטליסטים מתכתיים ננומטריים הם מרכיב מרכזי בתעשיות הכימיות, וחשיבותם תתעצם עם נטישתו ההדרגתית של ייצור מבוסס מאובנים. קטליסטים אלה מפותחים כיום במידה רבה מתוך ניסוי וטעייה ולא בתהליך של תכן רציונלי. אף שהמחקר הבסיסי של קבוצת המחקר של ד”ר ווגט ושל קבוצות מחקר אחרות הניב תובנות חדשות בנושא, עדיין חסרה מתודולוגיה מוסדרת לחקר הפרטים המדויקים של ריאקציות כאלה בלחץ גבוה (מעל 100 אטמוספרות). המחקר נועד לרכוש הבנה בסיסית של הדינמיקה של קטליסטים מתכתיים בלחץ גבוה תוך התמקדות בריאקציות הבר-בוש – ייצור אמוניה מחנקן בלחץ של יותר מ-100 אטמוספרות ובטמפרטורה של כ-450 מעלות צלזיוס. מחקר זה יעביר את התחום מ”אומדן סטטטי” ל”מציאות דינמית” ויתווה מסלול חדש לתהליכים כימיים יעילים יותר.

ד”ר שרלוט ווגט

ד”ר יובל שגם מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך יקבל את המענק לפיתוח Q-ChiMP – מדידה מדויקת של הפרת סימטריית תמונת מראה במולקולות כיראליות באמצעות פיתוח טכנולוגיות שליטה קוונטיות ולכידה. במולקולות כיראליות יש לסידור המרחבי של הגרעינים המרכיבים אותן שתי תצורות שהן תמונת ראי זו של זה, בדומה ליד שמאל ויד ימין. כל אחת מהתצורות נקראת אננטיומר(enantiomer) . בעולם הפרמקולוגיה יש חשיבות עצומה לכיראליוּת, שכן לכל אחד משני האננטיומרים עשויה להיות השפעה רפואית שונה לחלוטין, ולעתים מסוכנת. ניבויים תאורטיים קובעים כי הכוח הגרעיני החלש אמור להפר את הסימטריה הכיראלית בין שני אננטיומרים. בפרויקט Q-ChiMP ינסו החוקרים להשיב לשאלה הבסיסית – האם לכוח החלש יש השפעה משמעותית בכימיה? לשם כך הם יבצעו ניסוי ראשון מסוגו, שבו יפותחו שיטות לשליטה קוונטית על מולקולות וילכדו אותן כדי למדוד את הפרת הסימטריה הכיראלית באמצעות איתור הבדלים מבניים זעירים בין אננטיומרים. לדבריהם, הטכנולוגיה החדשה שהם פיתחו עשויה להוביל לפריצות דרך בשליטה קוונטית בכימיה, בטכנולוגיות מידע קוונטיות וגם בחיפושים אחר חוקי טבע חדשים.

ד”ר יובל שגם

חוקרים בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון מציגים גישה חדשה לטיפולים בסרטן: שילוב תרופות ברמה הננומטרית תוך מטא-סינרגיה – סינרגיה ביולוגית וכימית. את המחקר שהתפרסם בכתב העת Journal Of Controlled Release הובילו הדוקטורנטית דנה מירון אזאגורי, ד”ר יוסי שמאי ובן פרידמן גליק, סטודנט לתואר שני.

ד”ר יוסי שמאי והדוקטורנטית דנה מירון אזאגורי בכנס Controlled Release בלאס וגאס, שם הציגה דנה את המחקר

סרטן הוא שם כללי לקבוצת מחלות המאופיינות בהתחלקות מואצת ובלתי מבוקרת של תאים. הטיפולים הכימותרפיים בסרטן פותחו כבר לפני יותר 80 שנה ומאז עברו שיפורים ניכרים, ולצידם פותחו טיפולים חדשים ובהם הקרנה, אימונותרפיה וטיפולים ביולוגיים.

אחת  הגישות המקובלות כיום בטיפול בסרטן היא מִשְׁלָב תרופות – סינרגיה של תרופות שונות. השימוש המבוקר בכמה תרופות בעת ובעונה אחת יוצר אפקט העולה על סך חלקיו, כלומר על התועלת המצטברת של התרופות השונות, ועשוי גם למנוע מהגידול לפתח עמידות לטיפול.

חוקרי הטכניון לקחו את הקונספט הסינרגטי צעד קדימה והם מציגים במאמרם גישה חדשה: מטא-סינרגיה תרופתית. לדברי ד”ר שמאי, “במונח מטא-סינרגיה אנחנו מתכוונים לכך שהמולקולות שפיתחנו מפגינות סינרגיה ביולוגית וכימית בעת ובעונה אחת. במילים אחרות, הן לא רק משיגות בשילוב ביניהן את האפקט הריפוי הרצוי (הביולוגי) אלא גם יודעות להתחבר ביחד בתהליך של הרכבה עצמית (self-assembly) מתוך סינרגיה כימית. בנוסף, השילוב האמור מפחית את תופעות הלוואי של התרופה.”

בן פרידמן גליק

המודל החישובי שפיתחו החוקרים מנבא את הסינרגיה הכימית-ביולוגית של שילובי תרופות שונים ואת יעילותם הטיפולית, זאת על סמך למידה חישובית וכריית מידע מהספרות המקצועית. המודל, המנבא כאמור לא רק את היעילות הרפואית אלא גם את המטא-סינרגיה בין חלקיקי התרופות השונות, סיפק 1,985 “מתכונים” לתרופות סינרגטיות ננומטריות ל-70 סוגי סרטן.

מתוך כלל ההצעות גילו החוקרים כי צמד תרופות האנטי-סרטניות בורטזומיב-קבוזנטיניב (הראשונה מאושרת לסרטני דם, השנייה מאושרת לסרטני כבד, כליות ובלוטת התריס) מפגין יציבות כימית, רמות גבוהות של יעילות, פיזור יעיל בגוף ורמת רעילות נמוכה. בעקבות מסקנה זו הם בחנו את יעילותו של שילוב זה בסרטן הראש והצוואר במודל חיה והדגימו כי הניבוי שלהם עובד – השילוב האמור אכן יעיל, מתפזר היטב בגוף ורמת הרעילות שלו נמוכה, מה שבא לידי ביטוי במיעוט תופעות לוואי. באופן מפתיע, כאשר מזריקים כל תרופה בנפרד, יש יותר תופעות לוואי מאשר הזרקה של השילוב בהרכבה עצמית לחלקיקים. יצירת מטא-סינרגיה ברמה הננומטרית היא אתגר מורכב מאוד,” מסביר ד”ר שמאי, “כי היא מצריכה החדרה של שתי תרופות (לפחות) לאותו נשא המוביל אותן ליעד הרצוי בגוף. המחקר שלנו מראה, גם בהדגמה החישובית (כימו-אינפורמטיקה ובינה מלאכותית) וגם בניסוי במודל חיה, כי השילוב שיצרנו אכן מוביל את התרופות לגידול ומשחרר אותן שם וכי טיפול זה יעיל מאוד בטיפול במחלה. מעבר לשילוב הספציפי שהדגמנו במאמר אנחנו מאמינים כי הקונספט של מטא-סינרגיה צפוי להוביל לפריצות דרך נוספות במאבק במחלות הסרטן.”

מ-0 עד 100%: הניבוי שסיפק המודל למטא-סינרגיה בין תרופות שונות

המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע (ISF).

למאמר בכתב העת Journal Of Controlled Release לחצו כאן

חוקרים בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון פיתחו מערכת למעקב אחר תהליכים דינמיים בתאים חיים. את המחקר שהתפרסם בכתב העת Nature Methods הובילו פרופ”ח יואב שכטמן והדוקטורנט אלון שגיא מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית. הטכנולוגיה החדשה – DBlink – מבוססת על שיטת SMLM ואלגוריתם בינה מלאכותית (רשתות נוירונים) ומאפשרת לשחזר דינמיקה מהירה של עצמים ביולוגיים ברזולוציית-על בתאים חיים.

פרופ”ח יואב שכטמן

אחד האתגרים החשובים ביותר במיקרוסקופיה הוא מעקב אחר תהליכים ביולוגיים דינמיים ברזולוציה (הפרדה) גבוהה בזמן ובמרחב. מיקרוסקופים אופטיים קונבנציונליים מוגבלים על ידי גבול הדיפרקציה, המגביל את הרזולוציה של המיקרוסקופ לכמחצית מאורכו של גל האור. פירוש הדבר הוא שבאור הנראה לעין, גבול הדיפרקציה הוא בסביבות 300-200 ננומטר. לכן לא נוכל לראות רבים מהעצמים המעניינים חוקרים בתחום הביולוגיה, למשל נגיפים מסוימים (100 ננומטר), חלבונים (10 ננומטר) ומולקולות DNA (2.5 ננומטרים).

אלון שגיא

את גבול הדיפרקציה ניסח לראשונה הפיזיקאי הגרמני ארנסט קרל אַבֶּה בשנת 1873. קביעתו של אבה, לפיה הרזולוציה של מיקרוסקופ אופטי מוגבלת לכמחצית מאורך הגל, העסיקה חוקרים ומהנדסים רבים, ובשנים האחרונות טכנולוגיות חדשות הצליחו “לעקוף” את אותה מגבלה ולספק רזולוציית-על – הפרדה של עשרות ננומטר, ובמקרים מסוימים אף ננומטרים בודדים.

אחת מפריצות הדרך בהקשר זה היא פיתוח שיטה לאיתור מולקולות בודדות (SMLM) על ידי אריק בטזיג, שזכה על כך בפרס נובל בכימיה לשנת 2014 יחד עם וויליאם מורנר וסטפן הל. שיטה זו מבוססת על חיבור של מולקולות פלורוסנטיות (זוהרות) למבנה הביולוגי. היא מאפשרת לאתר באופן מדויק את מיקום המולקולות, המעיד על המבנה הביולוגי המצולם. השיטה חוללה מהפכה בדימות הביולוגי ושיפרה את הרזולוציה המרחבית בסדר גודל יחסית לשיטות קונבנציונליות.

עם זאת, השיטה דורשת זמן צילום ארוך כדי לשפר את הרזולוציה המרחבית ולא מאפשרת מעקב אחרי עצמים דינמיים. מאחר שמרבית התהליכים הביולוגיים מתרחשים בסביבה דינמית בתאים חיים, חוקרים חיפשו פתרון שיאפשר זאת.

אחד הפתרונות לבעיית הרזולוציה הוא שימוש בגלים קצרים, שהרי הרזולוציה מוגבלת על ידי אורך הגל ולכן גלים קצרים יאפשרו רזולוציה גבוהה יותר. אפשרות נוספת היא ביצוע שורה של סריקות וניתוחן לאחר מכן. אולם לשתי האפשרויות האלה חסרונות משמעותיים בהקשר הביולוגי: גלים קצרים הם גלים עתירי אנרגיה הפוגעים בתא החי במהלך הצילום, וביצוע סדרה ארוכה של סריקות מאריך את משך הצילום ואינו מתאים לדינמיקה של תאים חיים המצויים בתנועה מתמדת.

בשני הריבועים הגדולים משמאל נראים מבנים ביולוגיים שונים שנסרקו במיקרוסקופ. בריבועים מימין מוצגות תוצאות הסריקה כפי שהתקבלו בשיטות שונות, וניכר שהרזולוציה הגבוהה ביותר הושגה בטכנולוגיית DBlink – הריבוע הימני ביותר בכל עמודה.

כאן נכנסת לתמונה DBlink – הטכנולוגיה החדשה שמציגים שגיא ופרופ”ח שכטמן במאמרם. הדגמתה של הטכנולוגיה החדשה נערכה על מספר אברונים בתאים חיים, לדוגמה מיטוכונדריה – יצרן האנרגיה של התא החי. באמצעות הטכנולוגיה החדשה שוחזרו מבנה המיטוכונדריה והדינמיקה הטבעית שלה ברזולוציית-על. החוקרים הדגימו רזולוציה מרחבית של 30 ננומטר ורזולוציית זמן של 15 מאיות השנייה. אחד היתרונות המובהקים של השיטה הוא היכולת לשקלל תנועה של עצמים ביולוגיים ולייצר תמונה מדויקת וברורה, אף שהעצם הנבדק זז במהלך הצילום.

במחקר תמכו הקרן הגרמנית למחקר, האיחוד האירופי (דרך תוכנית Horizon 2020) וקרן צוקרמן.

למאמר בכתב העתNature Methods  לחצו כאן

לסרטון המציג את הטכנולוגיה החדשה:

בסרטון: משמאל – סרטון הווידאו שצולם במיקרוסקופ. מימין – הסרטון שתוקן על ידי DBlink ומציג את תנועת המיטוכונדריה

חוקרים בטכניון פיתחו לייזר ספין-אופטי קוהרנטי מבוקר המבוסס על שכבה אטומית בודדת. הגילוי החדשני, שהתפרסם בכתב העת היוקרתי Nature Materials, מאפשר שליטה בספין של הפוטונים הנפלטים מחומר דו-ממדי וסולל דרך להתקנים פוטוניים חדשים המבוססים על “ספין-אופטיקה בסקאלה אטומית”.

התגלית מבוססת על אינטראקציה של שכבה אטומית בודדת עם מהוד דו-ממדי הממומש בעזרת ננוטכנולוגיה מתקדמת. לגלים אלקטרומגנטיים (אור) המתנהגים גם כחלקיקים נטולי מסה הנקראים פוטונים, יש תכונה פנימית – “סחרור” של הפוטונים (ספין). הספין, שהוא התנע הזוויתי הפנימי של הפוטונים, תלוי בכיוון הקיטוב המעגלי של האור. המחקר מנצל את התכונה הזאת של הפוטונים, סולל דרך לחקר תופעות קוהרנטיות תלויות-ספין הן בהקשר קלאסי והן בהקשר קוונטי ופותח אופקים חדשים למחקר בסיסי ולהתקנים אופטואלקטרוניים המבוססים על ספינים של אלקטרונים ופוטונים כאחד.

פרופ’ ארז חסמן

המחקר נערך בקבוצת המחקר של פרופ’ ארז חסמן, ראש המעבדה לפוטוניקה בסקאלה אטומית בטכניון, בשיתוף פרופ’ אלעד קורן, ראש המעבדה לננו-חומרים אלקטרוניים וננו-רכיבים בפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון, ד”ר עשהאל כהן, עמית מחקר במרכז לחומרים דו-ממדיים במרכז מיקרו-ננואלקטרוניקה ופרופ’ אריאל ישמח מאוניברסיטת תל אביב. שתי קבוצות המחקר מהטכניון מקיימות שיתוף פעולה באמצעות מכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה בטכניון (RBNI) ומרכז הקוואנטום ע”ש הלן דילר בטכניון. המחקר בוצע והובל על ידי ד”ר קישו רונג (Dr. Kexiu Rong) פוסט-דוקטורנט מהקבוצה של פרופ’ חסמן, בשיתוף החוקרים הבאים:

Dr. Xiaoyang Duan, Dr. Bo Wang, Dr. Vladimir Kleiner, Dr. Assael Cohen, Dr. Pranab K. Mohapatra, Dr. Avinash Patsha, Dr. Subhrajit Mukherjee, Dror Reichenberg, Chieh-li Liu, and Vladi Gorovoy.

חלק מהחוקרים השותפים למחקר במעבדה לפוטוניקה בסקאלה אטומית של פרופ’ ארז חסמן

מהם חומרים דו-ממדיים? לדברי פרופ’ קורן, “בשנת 2004 נבחנה לראשונה האפשרות ליצירת שכבה אטומית בודדת כשהפיזיקאים אנדרה גיים וקונסטנטין נובוסלוב, לימים חתני פרס נובל בפיזיקה (2010), פיתחו שיטה פשוטה ליצירת שכבות בודדות של אטומי פחמן. השניים הצמידו נייר דבק לפיסת גרפיט וקילפו את החומר שכבה אחר שכבה עד להשגת שכבת אטומים בודדת המכונה גרפן. הם הראו ששכבת החומר האטומית שונה מאוד בתכונותיה מתכונותיו של החומר בצורתו התלת-ממדית. זהו חומר חזק פי מאה מפלדה ועם תכונות חשמליות יוצאות דופן, ועל פי ההערכות הוא צפוי לחולל מהפכה במוליכים ובמוליכים-למחצה, בצגים ובמסכים, בתאים סולריים ועוד. בעקבות גילוי זה פותחו שכבות אטומיות מחומרים אחרים, וגם הן הפגינו תכונות מפתיעות וייחודיות.”

פרופ’ חסמן ממשיך ומסביר: “בעקבות גילוי הגרפן התגלו ונחקרו חומרים דו-ממדיים רבים כגון מוליכים למחצה שונים שמאפשרים לקבל גם תכונות אופטיות מעניינות. שבבים אלקטרוניים סטנדרטיים מבוססים על סיליקון, המגביל מאוד את פיתוח הדור הבא של המחשבים שמחייב שילוב של אלקטרוניקה ופוטוניקה, וזאת בין השאר בשל חסרונו של מצב חיוני הקרוי ‘פער אנרגיה ישיר’ בסיליקון. להפתעתנו, במוליכים-למחצה דו-ממדיים התגלה אותו פער אנרגיה ישיר, מה שמאפשר לשלב באמצעותם פוטוניקה ואלקטרוניקה בסדרי גודל ננומטריים, לייצר בעזרתם מקורות אור והתקנים פוטוניים אקטיביים ולסלול דרך לדורות הבאים של השבבים.”

כדי למזער את השבב האלקטרוני ולהגדיל באופן משמעותי את מהירות העיבוד ואת קצב העברת האינפורמציה, הגישה המקובלת כיום היא ספינטרוניקה – ביצוע פעולות על הספין, אחת מתכונותיו החשובות של האלקטרון, ולא על זרם האלקטרונים. לפני כמה שנים ייסד פרופ’ ארז חסמן תחום חדש בשם ספין-אופטיקה, המאפשר לנצל את הספין של הפוטונים באמצעות מטא-משטחים לטובת העברה ועיבוד אינפורמציה בשבבים פוטוניים. העברת האינפורמציה מבוססת על שליטה בספין הפוטוני בעזרת ננופוטוניקה – אופטיקה בסקאלת הננומטר.

ד”ר קישו רונג מסביר, “חומרים מוליכים למחצה דו-ממדיים, מאופיינים ברמות אנרגיה שהפליטה מהם תלוית ספין, זאת בגלל שבירת הסימטריה לשיקוף. החוקרים בטכניון החליטו לנצל את התכונה הזאת ולצמד שכבה אטומית בודדת (WS₂) למהוד דו מימדי (מטא-משטחי) המבוסס על ננו אנטנות שמאפשרות שבירת סימטריה בספין הפוטוני וקבלת לייזר משבב בסקאלה אטומית המאפשר מקור אור קוהרנטי ומונוכרומטי תוך כדי שליטה ועיבוד אינפורמציה בספין הפוטוני.”

איור מדעי – לייזר ספין בסקאלה אטומית: התמונה מתארת את מבנה מהוד הלייזר המורכב משני סוגי מבנים של ננו-אנטנות. הקרינה כלואה במבנה הפנימי בלבד (צהוב). השכבה הפעילה של הלייזר – שכבה אטומית בודדת – נמצאת על המהוד. קרן הלייזר מפוצלת לשתי קרניים בספינים הפוכים של הפוטונים (חלקיקי האור), הניתנים לשליטה בעזרת שאיבת הלייזר (credit: Scholardesigner co, LTD).

ב-2020 פרסמו החוקרים מהטכניון בכתב העת Nature Nanotechnology יכולת קבלת מקור אור “רגיל” עם תכונות ספין מחומר דו-ממדי ומטא-משטח אופטי, כאשר הפוטונים לא היו מתואמים ביניהם במופע, באורך הגל ובכיוון (“כמו פנס עם אור מפוזר“), אבל האתגר שעוד נותר היה תיאום בין הפוטונים ויצירת לייזר ספין שפולט אור מכוון, זאת תוך כדי שימוש בחומר הדו-ממדי כמקור הגברה על ידי פליטה מאולצת. פרופ’ חסמן מציין כי “השגנו את המטרה הזאת בעזרת יצירת שדה מגנטי אפקטיבי שמפריד ושולט על מצבי הספין של הלייזר בממדים אלה, שלא יצריך מערכת נוספת – שדה מגנטי חזק כדי לחולל אותו (כמו אפקט זימן או פאראדיי) וטמפרטורה קרובה לאפס המוחלט, ויצירת מהוד שמאפשר קיומם של אופנים עם תכונות ספין ומינימום אבודים.” הצלחתם סוללת כאמור דרכים חדשות ליצירת התקני לייזר זעירים העשויים לסייע בפיתוחם של יישומים חשובים שונים ומגוונים.

פרופ’ חסמן מציין בגאווה ש”הפרסום היוקרתי הנוכחי מראה את החשיבות של מחקר רב-תחומי המשלב פיזיקה, כימיה, מדעי החומרים והנדסה ושילובם של פוסט-דוקטורנטים בין-לאומיים בקבוצות המחקר.”

במחקר תמכו הקרן הלאומית למדע (ISF), ותוכנית נבט של RBNI (שיתוף מחקרי בין הקבוצות בטכניון). הרכיבים מומשו במרכז לננו-אלקטרוניקה ע”ש שרה ומשה זיסאפל (MNFU) בטכניון.

אתרי המעבדות: https://hasman.technion.ac.il/ https://koren.net.technion.ac.il/

למאמר ב- Nature Materials לחצו כאן

את המחקר מובילים פרופ’ איתן יעקובי ופרופ’ זוהר יכיני מהפקולטה למדעי המחשב ע”ש טאוב, שהם מתאמי המחקר בפרויקט. השניים מומחים באחסון מידע ב-DNA, תחום הנחשב לאחד הכיוונים המבטיחים כיום בעולם המידע, מאחר שגרם בודד של DNA עשוי לאצור בתוכו מידע עצום. לאור הגידול המסחרר בנפח המידע בעולם הולך ומתעצם הצורך בחלופה זולה, קומפקטית ובלתי מזהמת. חוות השרתים (ה”ענן”) לא רק צורכות כיום כ-3% מצריכת החשמל העולמית אלא גם “תורמות” כ-2% מפליטות הפחמן לאטמוספרה. חלופת ה-DNA, לעומתן, מספקת מזעור משמעותי (שישה עד עשרה סדרי גודל), שמירה של המידע לטווח ארוך הרבה יותר ועלות אנרגטית אפסית.

פרופ’ איתן יעקובי

הרעיון הבסיסי הוא זה: בתהליך מלאכותי (סינתזה) מיוצרות מולקולות DNA המכילות את המידע ברצפים שונים של ארבע האותיות של שפת התורשה – הנוקלאוטידים, המסומנים באותיות G, C, A ו-T. כדי לקרוא את המידע נדרש ריצוף של ה-DNA, תהליך פשוט יחסית שעלותו פוחתת משנה לשנה. האתגרים העיקריים בתחום מצויים כיום בתהליך הסינתזה עצמו, ולכך מוקדש מחקרם של הפרופסורים יכיני ויעקובי. המענק נועד לתמוך בשני החוקרים ובשותפיהם בפיתוח שיטות מתקדמות לסינתזה של DNA מלאכותי שיהיו מהירות יותר, זולות יותר ומדויקות יותר. כמו כן יעסוק המחקר האמור בסוגיות כגון פרטיות ואבטחת מידע ובשימושים בתחום הקריפטוגרפיה.

פרופ’ זוהר יכיני

החוקרים הנוספים בפרויקט הם פרופ’ אנטוניה וואכטר-צ’ה ופרופ’ ראיינהרד הקל מאוניברסיטת TUM, פרופ’ מארק סמזוסה ממכון LSB באוניברסיטת TUM, פרופ’ רוברט גראס מאוניברסיטת ETH Zurich ופרופ’ קונאל מסאניה מאוניברסיטת TU Delft.

מענקי EIC Pathfinder  תומכים בחוקרים המפתחים טכנולוגיות חדשות ופורצות דרך שיש בהן פוטנציאל השפעה משמעותי אך גם סיכון בלתי מבוטל (High Risk High Gain). בשנה שעברה זכו במענק חוקרי הטכניון פרופ’ בעז פוקרוי ופרופ’ אסתי סגל לטובת פיתוח טכנולוגיה שתגן על גידולים חקלאיים.

לסרטון בנושא: