לתלוש פוטון בודד מתוך הבזק אור

כמו דייגים שלוכדים דג בודד מתוך להקת דגים השוחה בנהר, הצליחו באחרונה מדעני מכון ויצמן למדע "לתלוש" פוטון בודד מתוך הבזק אור. להדגמה זו נודעת משמעות רבה שכן האור הוא "סוס העבודה" של מערכות התקשורת העכשוויות, ופוטונים בודדים צפויים להוות את עמוד השדרה של מערכות עתידיות של תקשורת קוונטית. "מערכות עכשוויות של תקשורת אופטית משתמשות בהבזקי אור, שבהם הרבה פוטונים, כדי לייצג כל ביט", אומר ד"ר ברק דיין, מהמחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע, שהביל את המחקר. ביט, או סיבית, הוא מעין מתג שיכול להימצא באחד משני מצבים: אפס או אחד. לעומת זאת, ״ביט קוונטי״ יכול להימצא בעת ובעונה אחת בכל שילוב של שני המצבים. ״ברגע שנעבור לתקשורת קוונטית״, אומר ד״ר דיין, ״לא תהיה ברירה אלא להשתמש בפוטונים בודדים, שכל אחד מהם מייצג 'ביט קוונטי'. לכן, היכולת לשלוט בתנועתם של פוטונים בודדים מעוררת עניין רב, ומקדמת את אפשרות יישומן של טכנולוגיות קוונטיות שונות".

ד"ר דיין וקבוצת המחקר שלו, ובהם ד"ר סרג' רוזנבלום ותלמיד המחקר אוראל בכלר, בנו מערכת מורכבת המאפשרת "לתלוש" פוטון בודד לפי דרישה. המנגנון שהם פיתחו מסתמך על תוצא פיסיקלי הקרוי אינטראקציית רמאן של פוטון בודד, או בראשי התיבות SPRINT. מנגנון זה מבוסס על עבודה עם אטום בודד או, באופן חליפי, על מערכת דמוית אטום. "יתרונו של תוצא SPRINT", אומר ד"ר דיין, "מתבטא בכך שהוא פסיבי לחלוטין, כלומר, הוא מסתמך אך ורק על האינטראקציה בין האטום לבין הבזק האור הפוגע בו". במחקר קודם, השתמשו המדענים בתוצא SPRINT כבמתג לפוטונים בודדים, שאיפשר להם לנתב את הפוטונים למסלולים שונים. בעבודה זו, כל אטום מתפקד כמלכודת ולא כמתג, והוא "שולף" פוטון יחיד משטף הפוטונים הנוהרים במסלולם, מפנה אותו לכיוון אחר ולאחר מכן מכבה את עצמו. ממצאי מחקר זה פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Photonics.

המערכת הניסיונית של ד"ר דיין ושותפיו למחקר, נסמכת על שילוב של כמה מהטכנולוגיות המתקדמות ביותר כיום: קירור ולכידת אטומים באמצעות לייזר (במקרה זה, אטומי רובידיום), ייצור התקני זכוכית זעירים על גבי שבב סיליקון, וייצור סיבים אופטיים מיוחדים שעוביים נמדד במאות ננומטרים. "אפשר לרתום את היכולת להסיט פוטון יחיד מאלומת פוטונים לצרכים שונים", אומר ד"ר דיין, "החל ממחקר בסיסי וכלה בציתות למערכות תקשורת והצפנה קוונטיות, המסתמכות על פוטונים בודדים״.

 

מדעני מכון ויצמן למדע הראו:

כיצד גן בודד שגורם מחלה נדירה, מסייע בהבנת מחלות מורכבות כמו סרטן מחלות ילדות נדירות רבות נגרמות כתוצאה ממוטציה בגן יחיד, אך כאשר אותו הגן מעורב גם בסרטן, תפקידו עשוי להיות מעורפל, שכן במחלות הסרטן מעורבות מוטציות מרובות למדי. "מחלה שנגרמת כתוצאה ממוטציה בגן יחיד", אומרת ד"ר איילת ארז מהמחלקה לבקרה ביולוגית במכון ויצמן למדע, "יכולה לשמש אותנו כמעין 'עדשת מצלמה'. אם נמצא, באופן מדויק, מה משתבש בילד החולה, נוכל לעשות 'זום-אין', לקרב את העדשה כדי להתמקד רק בגן המשובש, ולהבין את תפקידו הייחודי, בנפרד מהשינויים הרבים האחרים הקשורים לסרטן".

ד"ר ארז, רופאה גנטיקאית העוסקת במחקר, בחנה ילדים שחלו בציטרולינמיה (citrullinemia), מחלה הנובעות מפגם במעגל השתנן בכבד. בילדים אלה, החלבון ASS1, שהוא חלק ממחזור חילוף חומרים המסייע לגוף לעבד חנקן, אינו פעיל, ובשל כך נוצרת הצטברות רעילה של אמוניה בגוף – דבר שעלול לגרום למוות.

למרות החשיבות הרבה של הגן ASS1 לחיים בריאים, בסוגים רבים של סרטן, התאים הסרטניים מונעים את ביטויו. מדוע הם עושים זאת? זו בדיוק השאלה ששאלו ד"ר ארז וחברי קבוצת המחקר שלה, במחקר שהובילה תלמידת המחקר שירן רבינוביץ. הם ביקשו לדעת האם התא הסרטני משתיק את ASS1 לא עקב מה שהחלבון שהוא מקודד לו יוצר, אלא בגלל החומר שהוא משתמש בו. המדענים בחנו נתונים של חולי ציטרולינמיה, והיתוו את מסלול חילוף החומרים של ASS1. כך הבחינו בכך ש-ASS1 משתמש בחומצת אמינו הקרויה אספרטט, הנחוצה גם לייצור של די-אן-אי ואר-אן-אי. ואכן, בחולי ציטרולינמיה שאצלם פעילות ה-ASS1 מופחתת, נמצאו רמות מוגברות של אבני בנייה מסוימים של הדי-אן-אי, שאספרטט נחוץ לבנייתם.

ממצא זה האיר את התעלומה: תאי הסרטן צריכים לייצר כמויות גדולות של חומר גנטי כדי להמשיך ולהתחלק, ולכן ההשתקה של ASS1 יכולה להוות דרך לבטל את ה"תחרות" על חומצת אמינו זו, ובכך לשחרר את האספרטט הדרוש להתחלקות ולהתרבות תאי הסרטן. בנוסף למדו המדענים לדעת שחסימת ההגעה של אספרטט למקום בו הוא משמש להרכבת חומצות הגרעין, מובילה לבלימת הסרטן. ממצאים אלה פורסמו בכתב-העת המדעי Nature.

חברי קבוצתה של ד"ר ארז שהשתתפו במחקר: ד"ר ליטל אדלר, ד"ר אלונה סרבר, ד"ר אלון זילברמן ושני אגרון; כן השתתפו ד"ר קרן יצחק ופרופ' איתן רופין מאוניברסיטת תל-אביב; ד"ר צ'ין סון וד"ר סנדש נגמני מבית-הספר לרפואה ביילור ביוסטון, טקסס; ד"ר איגור אוליצקי מהמחלקה לבקרה ביולוגית, וד"ר שלו איצקוביץ מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא במכון ויצמן למדע.

 

מדעני מכון ויצמן למדע הראו:

תאי זרע מנווטים את דרכם באמצעות חלבוני ראייה בדרכם המאתגרת אל הביצית הנכספת, משתמשים תאי הזרע בחישנים שעד עתה היו מוכרים בעיקר כחלק ממערכת הראייה. ממצא מפתיע זה עולה ממחקר חדש של מדעני מכון ויצמן למדע אשר התפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי Scientific Reports.

מהרגע בו נכנס תא זרע של האדם לחצוצרה, עליו לנוע לאורך מספר סנטימטרים כדי להגיע אל הביצית – מרחק השקול למסע של מספר קילומטרים בשביל אדם. בדרכו זו, וכדי להגיע למטרה ולבצע הפרייה, חייב תא הזרע לנווט על-פי סימני דרך שבלעדיהם לא יוכל להתגבר על מכשולים שונים.

במחקרים קודמים, גילו פרופ' מיכאל אייזנבך וחברי קבוצתו מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, שני סוגים של סימני דרך כאלה: סימנים כימיים וחום. החום פועל במרחקים גדולים יחסית: אתר ההפריה חם יותר מאשר המקום בו נעצרים ומבשילים תאי הזרע בכניסה לחצוצרה, והפרש הטמפרטורות מוביל אותם לכיוון הביצית. כאשר הם מתקרבים לאתר ההפריה, הם קולטים את האותות הכימיים שמפרישה הביצית. פרופ' אייזנבך: "כפי שקורה בתהליכים חשובים רבים בטבע, תאי הזרע מסתמכים על יותר ממנגנון אחד במהלך הניווט אל הביצית, כך שאם אמצעי ניווט אחד מאכזב, האחרים יוכלו להוות גיבוי ולהוביל את תא הזרע ליעדו".

תאי הזרע רגישים מאוד להפרשי חום: על מקטע דרך שאורכו כאורך תא זרע אחד (כ-50 אלפיות מילימטר) הם מסוגלים לחוש הפרש חום של 0.0006 מעלה בלבד. 

במחקר החדש, בחנו פרופ' אייזנבך וחברי קבוצתו כיצד חשים תאי הזרע את הפרשי החום. הקבוצה כללה את ד"ר סרפין פרז-סרזלס, ד"ר סרגיי בורישפולטס, תלמיד המחקר אושרי אפנזר, ד"ר רינת נבו וולדימיר קיש מהמחלקה לכימיה ביולוגית וד"ר אלכסנדר ברנדיס מהיחידה לשירותים ביולוגיים. המדענים התמקדו בקבוצה של קולטנים חלבוניים, GPCRs, שעל סמך מחקריהם הקודמים נראו מועמדים להיות מעורבים בהעברת אותות לתא הזרע. לאחר שמצאו שקבוצה גדולה זו אמנם מעורבת בחישת חום, הם גילו שהקולטנים שאחראים לכך – במסגרת הקבוצה – הם חלבונים הקרויים אופסינים (opsins).

אופסינים ידועים בעיקר בזכות תפקידם בתחום אחר לגמרי: מערכת הראייה. חלבון אחד מהקבוצה, הקרוי רודופסין, ידוע במיוחד כפיגמנט עיקרי המשמש כקולטן האור בתאי הרשתית בעין, אך בזחל זבוב הפירות הוא מעורב בתגובה לחום.

במחקר החדש, מצאו חברי קבוצת המחקר של פרופ' אייזנבך, כי מספר חלבונים במשפחת האופסינים נמצאים על-פני השטח של תאי הזרע בעכברים ובאדם. כל אחד מחלבוני הראייה האלה ממוקם במקום אחר, וכל אחד כנראה תורם את תרומתו ועוזר לזרע לחוש את החום באמצעות מסלול אותות נפרד. כאשר חסמו המדענים את האותות ששיגרו אופסינים, לא הצליחו תאי הזרע לנווט מאיזור קריר לאיזור חם יותר.

ממצאים מפתיעים אלה עשויים להסביר הימצאות של אופסינים באיברי גוף שאינם חשופים לאור, כגון הריאות והכבד. המדענים אומרים שייתכן שגם באיברים אלה משמשים האופסינים כחישני חום.

 

לקבלת מידע נוסף, תמונות ולתיאום ראיונות:
משרד הדובר – מכון ויצמן למדע
טלפון: 08-9343856
[email protected]