סרט תא

כל אחד ממיליוני התאים המרכיבים את הגוף שלנו ושל שאר בעלי-החיים, יודע היטב את מקומו ותפקידו ומשתלב באופן מדויק בהתפתחות ובפעולה של הגוף האורגני השלם. מדענים עוקבים בעניין רב אחר הדינמיקה המרתקת הזו, כאשר היא מתפקדת באופן מושלם או כאשר היא נפגמת במחלות, כמו סרטן, ובהזדקנות.

נקודת זמן מתאימה במיוחד לחקר התהליכים המורכבים האלה היא בראשית התפתחותו של עובר, כאשר תאים מסוגים חדשים צצים במהירות מדהימה. קבוצות של תאים בודדים מתאימות את עצמן לתפקידים מגוונים, ותוך כדי כך משתכפלות למאות, אלפים ולבסוף מיליוני תאים – אשר מרכיבים את המבנה הראשוני שממנו יתפתחו כל איברי העובר (תהליך המכונה גסטרולציה).

בדרך כלל, תאים נוצרים ומשתנים לאט יחסית, בד בבד עם השפעות סביבתיות רבות. רגעיו הראשונים של העובר מתייחדים בתהליכי התפתחות החוזרים על עצמם במדויק, במעין ריקוד מתוזמר של מיליוני משתתפים. התבוננות בתהליכים אלה מאפשרת לחפש תשובות לשאלות הגדולות של עולם התאים וללמוד איך ומתי הם מאמצים תפקידים שונים והופכים לחלק מהמוח, העצם או מערכת העיכול. עם זאת, מכיוון שהעובר הוא מבנה זעיר שצומח במהירות ומוגן על-ידי גוף האם, מדענים נאלצו בדרך כלל לחקור אותו בדרכים עקיפות.

ד"ר יואב מישר וחוקרים מהמעבדה של ד"ר יונתן שטלצר מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא במכון ויצמן למדע, יחד עם ד"ר מרקוס מיטננצווייג וחוקרים מקבוצתו של פרופ' עמוס תנאי מהמחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית ומהמחלקה לבקרה ביולוגית, מצאו דרך חדשה לעקוב אחר התהליך המורכב. הם נעזרו בפריצות דרך טכנולוגיות מהשנים האחרונות, אשר מאפשרות מיפוי של דפוסי הפעילות הגנטית ברמת התא הבודד. חוקרים ברחבי העולם כבר יצרו אטלסים מפורטים של כל סוגי התאים הפעילים בבעלי-חיים שונים, אבל החוקרים במכון ויצמן העריכו כי הבנה עמוקה יותר של ההתפתחות העוברית מחייבת לשרטט את האטלסים האלה מתוך התייחסות לממד הזמן.

""אם התפתחות עוברית היא ריקוד, אז בעבר נאלצנו להניח שכל רקדן הוא סולן שמחפש את הדרך הקצרה ביותר מהכניסה לבמה ואל היציאה ממנה. זה לא מה שקורה בפועל"

מכיוון שמיפוי גנטי ברמת התא הבודד פוגע בהמשך תפקודו התקין של התא, חוקרים נאלצו בעבר לבצע ניחושים מושכלים לגבי תהליך ההתפתחות של התאים. כך למשל, הם הניחו כי התאים עוברים את הדרך הקצרה ביותר ממצב הבסיס למצב הממוין. "אם התפתחות עוברית היא ריקוד", אומר ד"ר מיטננצווייג, "אז במודלים קודמים נאלצנו להניח שכל רקדן הוא סולן שמחפש את הדרך הקצרה ביותר מהכניסה לבמה ואל היציאה ממנה". ואולם, מוסיף ד"ר מישר, "דבר זה לא תואם את הביולוגיה ההתפתחותית כפי שאנחנו מבינים אותה על בסיס שנים של ניסויים".

במחקר הנוכחי נוצר שילוב ייחודי של מידע שהופק מעשרות אלפי תאים בודדים של עוברי עכברים, יחד עם תמונות ומדידות פיסיות של העוברים השלמים. כך ניתן לשחזר את התהליך ההתפתחותי באמצעות זיהוי של שינויים זעירים בצורת העובר, כפי שנהוג במחקר זה עשרות שנים, בשילוב עם מודל מתמטי שמביא בחשבון את הפעילות הגנטית של התאים בכל עובר בנפרד. התוצאה היא "סרט" רציף המתאר את ההשתנות המשותפת של תאי העובר ואשר מורכב מאוסף של "תצלומים תאיים" בדידים.

החוקרים הבחינו כי בעוד חלק מהתאים רצים היישר למטרה, למשל יצירת איברים חיוניים לעובר, בחלק מהתאים נשמר פוטנציאל התפתחותי נרחב. המחקר מאושש את ההשערה כי תאים מתפתחים בתהליך של שינוי רציף, וכי טמון בהם פוטנציאל השתנות גדול לא רק ברגעיהם הראשונים, אלא גם בשלבים מאוחרים יותר. הפוטנציאל הזה מתקיים במסגרת של מבנה מורכב, עם השפעות הדדיות רבות ומשתנות בין התאים, בד בבד עם שינוי בתפקידו של כל גן כתלות בזמן ובתא שבו הוא מתבטא.

באופן ציורי אפשר לומר כי המודל שהתקבל מתאר איך התאים נעים במעין מחול וירטואוזי שבו כל רקדן, כלומר כל תא, אינו נע במסלול ידוע מראש – אלא מתחבר אל הרכבים דינמיים מאוד עם אלפי ומיליוני התאים האחרים שסביבו. הרקמות שנוצרות כך מסתדרות במבנה אורגני שלם ובהרמוניה קסומה, שחוזרת על עצמה שוב ושוב בכל פעם שבה נוצר עובר חדש.

המחקר מציג כלי עבודה חדש ומשוכלל אשר בעזרתו אפשר יהיה להמשיך ולעקוב אחר עולמם של התאים ולהבין מדוע ואיך הם מקבלים על עצמם תפקידים שונים, איך הם משפיעים על סביבתם ואיך היא משפיעה עליהם, ולמה לעתים פעילותם משתבשת באופן שפוגע בתפקודו ובקיומו של היצור החי.