עיתונות אלחוטית

מהו עתיד העיתונות? עיתונות אלחוטית

אין להתכחש לכך שיש ביקוש הולך וגובר למידע חדשותי ובכלל למידע באינטרנט שהוא “חינם”. פירושו של דבר צרות צרורות לעיתונות הכתובה. בשנים האחרונות כמעט כל תפקידיה המסורתיים של העיתונות הכתובה נלקחו ממנה על ידי שירותי אונליין טובים יותר, מהירים יותר ובייחוד חופשיים. אם עיתון לא מעלה את התוכן שלו חופשי לרשת, הוא נהפך ללא רלוונטי. אם הוא כן מעלה את תוכנו חינם, למעשה לא נותר לו כבר מה למכור מלבד מאמרים שיוסיפו וירחיבו מעט על הכתוב באתר שלו באינטרנט.

המוציא לאור של ה”וול סטריט ג’ורנל” קרא לגוגל “ערפד דיגיטלי”. אולם אפילו העיתון שלו, אחד מהמאחזים האחרונים בעידן המנויים – שמבוסס על תוכן אונליין – הפך את המאמרים שלו ב”פול טקסט” לנגישים לגמרי כאשר מחפשים בגוגל. השימוש בתוכן חופשי כפיתרון לכך שצרכנים ישלמו כבר לא פועל כאשר מדובר בעיתונים. וההכנסה מפרסומות באינטרנט היא נמוכה מאוד – ובשום אופן לא מספיקה כד לתמוך בעיתון רציני כשלעצמו.   

מסתבר, כותבים ב-“וויארד” שישנו קרש הצלה חדש שיכול להציל את ארגוני החדשות. משתמשים בבירור לא מעוניינים לשלם על תוכן באינטרנט הפתוח. אולם הם כן מעוניינים לשלם על תוכן נייד – כלומר על תוכן סלולארי. כאן מגיעים ל”אייפון”! האייפון הוא כבר עסק של מיליארד דולר. הורדות המוזיקה הסלולארית רק ב-2008 היו מעל 11 מיליארד דולר. וההורדות של חדשות מצביעות על פוטנציאל לקרש הצלה של מיליארדי דולר עבור ארגוני החדשות.

ההצעה של “וויארד” היא לעשות מנוי לעיתון על האייפון עם חודש חינם כמובן… זה מה שנקרא “חדשות אלחוטיות”. למעשה בארה”ב העיתונים כבר קפצו על הרעיון. ה”ניו יורק טיימס”, ה”וושינגטון פוסט” וה”בוסטון גלוב” לאחרונה בצעו עסקה עם אמזון כדי למכור מנויים אלקטרוניים מלבד אלה המודפסים. זה מה שנקרא “אי-רידר e-reader“.

מיקרוסופט לאחרונה חשבה על טכנולוגית העתיד של עשר שנים קדימה, כולל משדר חדשות אלקטרוניות ל”עיתון” מגע רגיש ומתקפל.

החדשות האלחוטיות”, שמבוססות על טלפונים סלולאריים ומכשירים ניידים, מבוססות על הטכנולוגיה לפיה המכשיר מאתר את המיקום של המשתמש. פירושו של דבר שהמנויים על החדשות האלחוטיות בעתיד יוכלו לקבל מידע שהוא תפור למיקום שבו הם עומדים.

בהתבסס על העיקרון של הנווט לפי המיקום של המשתמש, מנוי יוכל לכוון את המכשיר הסלולארי לבנין כלשהו למשל ומייד לקבל את ההיסטוריה שלו, החדשות והמידע הרלוונטיים אודותיו. בנוסף הוא יוכל לקבל מידע כמו הרקע הארכיטקטוני של הבניין, מי בעל הקרקע והרכוש, האם בונים עכשיו באזור – כמה זמן תמשך הבנייה ולאיזו מטרה בונים כרגע באזור. הוא יוכל גם לקבל את הרקע הפוליטי של האנשים שחיים ועובדים בבנין – וכל זאת בעזרת מסך מגע. זה מה שנקרא חדשות אינטראקטיביות.

כמובן שכל המידע הזה אודות הבניין יהיה חופשי באינטרנט. אבל מנויים היפר-מקומיים לחדשות יוכלו לקבל את המידע ולדעת היכן הם ולקבל חדשות אינטראקטיביות לגבי מיקום מסוים ומה בדיוק קורה בסביבתם. הם ידעו מיידית לכמה זמן, מדוע וכיצד הכל מתרחש במיקום בו הם עומדים כרגע.

תוך כמה שנים הכלכלה של הטלפונים הסלולאריים תוביל את המשתמש למצוא את כל מה שמתרחש בקצה השני של העולם בחינם, אבל הוא יצטרך לשלם כדי להבין מה מתרחש בדיוק מעבר לפינה, כותבים ב”וויארד”.

לבטח חברות הטלפון הסלולארי יגדילו את מסך הטלפון לשם כך, והנה קבלנו עיתונות חדשה… והפעם בתשלום. מי אמר ש”אין עיתונות… אופס… ארוחות חינם”? פרופ’ מילטון פרידמן כמובן…

ב-MIT מפתחים מערכת שפועלת על “החוש השישי” ועל תקשורת בזמן אמת והיא הוצגה בכנס החדשנות השנתי של:  TED Technology, Entertainment, Design שנערך בארה”ב.

מדובר במערכת ממוחשבת שמשתמשת במשטח כמסך תצוגה אינטראקטיבי. מי שלובש על עצמו את המערכת יכול לקרוא לגאג’טים ולנתוני אינטרנט כרצונו ואז להעלימם כמו מתוך עשן קסום כאשר הוא סיים לעבוד איתם. זה כמו חוש שישי חדש לבני אדם.

המערכת בנויה ממצלמת אינטרנט רגילה, מקרן 3M עם מראה שמחוברת אליו – כאשר כל זה מחובר לטלפון סלולארי. המשתמש מקרין מידע מהטלפון למשטח – קירות, הגוף של אדם אחר וכל דבר אחר למעשה אפילו לאוויר… המשתמש למשל לובש כיסויים על ארבעת אצבעות ידיו (אדום, כחול, ירוק וצהוב) שמסייעים למצלמה להבדיל בין ארבע האצבעות ולהבחין בג’סטות של הידיים בעזרת תוכנה מיוחדת.

למשל הג’סטות יכולות להיות: יצירת מסגרת של תמונה באוויר או על הנוף בעזרת האצבעות שפירושו לומר למצלמה: “תצלמי תמונה”, תמונה שנשמרת לתוך הטלפון הסלולארי. כאשר שבים חזרה למשרד מקרינים את התמונות על הקיר ומתחילים להגדילן. אם למשל רואים בתמונה מישהו מוכר, המערכת מקרינה ענן של מלים על הגוף של האדם כדי לספק מידע עליו – את ה-URL את הבלוג שלו, את שם החברה שלו, את האהבות וההתעניינויות שלו.

ניתן גם להקרין למשל על גבי כרטיס טיסה של אדם שנוסע בדרך לשדה התעופה את מצב הטיסה העכשווית שלו, את מספר השער שעליו להיות בו לטיסה ונתונים נוספים בזמן אמת –  כלומר בזמן שהוא ממש נוסע לשדה התעופה.

רוצים לדעת מה השעה? מציירים שעון על הזרוע של האדם. איך? המשתמש פשוט לוקח את האצבע הימנית שלו והוא מצייר שעון וירטואלי שמראה את השעה העכשווית על היד השמאלית שלו.

רוצים לקרוא עכשיו מייל? המשתמש מצייר באותו אופן סימן @ באוויר בעזרת האצבע שלו.

הוא יכול לחייג מספר מבלי להרים את השפופרת מהמקום. בעודו קורא עיתון ברכבת, הוא יכול בנוסף להקרין וידאו על העמוד, וזה סימן לכך שהוא רוצה שהמערכת תספק מידע נוסף על הנושא שאותו הוא קורא עכשיו בעיתון.

ניתן להרים ספר בחנות הספרים ומיד להתקשר כדי לשמוע ביקורות על הספר, כאשר מקרינים אותן על משטח החנות.

 

 

<a href="http://www.exego.net/admin/

 

 

 

 

עץ או פאלי בעולם הקוונטי

עץ או פאלי בעולם הקוונטי

אינשטיין, שהביע סקפטיות בנוגע לכניסת ההסתברות לעולם הקוונטי, אמר למקס בורן ב-1926 את אמרתו המפורסמת “אלוהים לא משחק בקוביות”. אולם מסתבר שבעולם הקוונטי משחקים במטבעות…

פיזיקאים בראשות מיקל קרסקי וקבוצתו מאוניברסיטת בון אשר בגרמניה עובדים על אלגוריתם סופר-מהיר עבור מחשב קוונטי.

עץ או פאלי? או עץ ופאלי בסופרפוזיציה…

מיקל קרסקי

כאשר אתם מטילים מטבע במשחק “עץ או פאלי”, אתם מקבלים או עץ או פאלי. לעומת זאת, הדברים הם לא כל כך ברורים ברמה המיקרוסקופית. “מטבע” אטומי יכול להציג סופרפוזיציה של “עצים” ופאלים” בעוד אנו מטילים אותו באוויר והוא בנפילה חופשית ונופל לקרקע האטומית, ולמעשה הוא נמצא בכל מקום בו-זמנית… כמובן שזה קורה כל עוד אנחנו לא מביטים במטבע (כלומר, כל עוד לא מתבצעת פעולת המדידה). ברגע שאנחנו מביטים על המטבע, הוא מכריע מיידית לעד בין אחד משני המצבים. נניח שלא מבצעים מדידה וחלקיק קוונטי נע לעבר מטבע כזה, מתרחשים אפקטים לא רגילים.

ואולם לראשונה, פיזיקאים מאוניברסיטת בון הדגימו את האפקטים האלה בניסוי עם אטום צזיום. המחקר שלהם יפורסם בגליון הבא של כתב העת של Science. לעת עתה הוא דווח אתמול באתר אוניברסיטת בון ומובא כאן מהאתר של האוניברסיטה.

נגיד שבצענו את הניסוי הבא: הבה נשים מטבע בידיו של אדם שלו נקרא האנס. המשימה של האנס היא להטיל את המטבע מספר פעמים. כל פעם שהמטבע מראה “עץ”, משימתו של האנס היא לצעוד צעד אחד ימינה. לעומת זאת, אם המטבע מראה “פאלי”, הוא לוקח צעד אחד שמאלה. לאחר 10 הטלות מטבע אנחנו מביטים היכן עומד האנס. כנראה שהוא לא זז יותר מידי רחוק ממיקומו ההתחלתי, כי ה”עצים” וה”פאלים” הופיעו פחות או יותר באופן שווה כל הזמן. בכדי ללכת 10 צעדים ימינה, האנס היה צריך לקבל 10 “עצים” ברציפות. והסבירות שזה יקרה היא נמוכה.

 

עכשיו נניח שהאנס הוא אדם מאוד סבלני. הוא כה סבלני שהוא מבצע את הניסוי הזה 1000 פעם ברציפות. לאחר כל פעם, אנחנו רושמים את מיקומו. כאשר בסוף אנחנו מציגים את התוצאה הזו בגרף, אנחנו מקבלים עקומת פעמון טיפוסית. האנס לרוב מסיים היכן שהוא קרוב למיקומי ההתחלה שלו לאחר 10 זריקות. לעומת זאת, אנחנו רק לעתים רחוקות מוצאים אותו רחוק לכיוון שמאלה או ימינה.

לניסוי כזה מן הסתם קוראים “הליכה אקראית”. מוצאים את התופעה בתחומי מדע מודרני רבים וביחוד במה שקרוי תנועה בראונית, אותו תחום שאינשטיין היה החלוץ להסבירו ב-1905:

 

 

בעולם הפיזיקה הקוונטית, ישנה אנלוגיה – אולם בעלת תכונות מאוד מעניינות והיא קרויה “הליכה קוונטית”.

מה שהפיזיקאים באוניברסיטת בון עשו, הם מימשו בדרך הניסוי את ה”הליכה הקוונטית”. כיצד?

אטום צזיום בודד נשמר במעין מלקחיים שמורכבים מקרני לייזר ששימשו כ”הולך אקראי” והאטום שימש כמטבע. אטומים יכולים לאמץ מצבים קוונטיים שונים, שהם למעשה זהים ל”עץ” ול”פאלי” של המטבע בעודם פונים כלפי מעלה. אולם ברמה המיקרוסקופית הכל הוא כזכור הרבה יותר מסובך. וזה בגלל שחלקיקים קוונטיים יכולים להתקיים בסופרפוזיציה של מצבים שונים. באופן בסיסי, במקרה הנדון הזה, כמה מה”עצים” וכמה מה”פאלים” פונים כלפי מעלה. וזה בדיוק מצב הסופרפוזיציה.

במערכת הניסוי בעזרת גלי רדיו גורמים לאטום הצזיום להסתחרר מיד בכיוונים מנוגדים – מעלה ומטה. בעזרת הקיטוב של קרני הלייזר ניתן למשוך את חלק ה”מעלה” של המצב הקוונטי לכיוון ימין ואילו את החלק “מטה” לכיוון שמאל. כתוצאה האטום מסתובב בצורה מוזרה בנקודה מסוימת מעלה בעוד שבו-זמנית הוא מיד גם מסתובב מטה.

כלומר, תוך שימוש בשתי חגורות המסוע שמורכבות מקרני לייזר, הפיזיקאים מבון משכו את אטום הצזיום לשני כוונים מנוגדים, חלק ה”עצים” נמשך ימינה, ואילו חלק מה”פאלים” נמשך שמאלה. בדרך הזו שני המצבים התרחקו זה מזה בשברי אלפית המילימטר. עכשיו בשפה ציורית “מטילים את הקובייה” עוד יותר, כלומר מכניסים את המערכת להליכה קוונטית עוד יותר (מתיחה שמאלה וימינה של אטום הצזיום) וכל אחד משני הרכבים נכנס עוד ויתר למצב של סופרפוזיציה של עצים ופאלים.

לאחר כמה צעדים של הליכה קוונטית כזו, אטום הצזיום הנמתח לכיוון שמאלה וימינה הוא באופן בסיסי נמצא בכל מקום. רק כאשר מודדים אותו מיקומו “מחליט” באיזה מיקום של מצבי חתול שרדינגר הוא רוצה להופיע. ההסתברות של מיקומו בעיקר נקבעת על ידי אפקט נוסף של מכניקת הקוונטים, ההתאבכות ההורסת או הבונה בין שני חלקיו של אטום הצזיום.

וכך, החוקרים בצעו את הניסוי שוב ושוב, פעמים רבות כך שאטום הצזיום בסופו של דבר היה במצב קוונטי שבו הוא אכלס הרבה מיקומים בבת אחת. אולם ברגע שהחוקרים מדדו את מיקום האטום, המצב קרס לנקודה אחת בלבד.

אם נבצע את ניסוי ההליכה הקוונטית הזה פעמים רבות – בדיוק כמו עם ניסוי המטבע הקלאסי שאותו הטיל האנס – נקבל עקומה שמשקפת את ההסתברות של נוכחות האטום. את זה מדדו הפיזיקאים מבון. הפעם לא מקבלים יותר עקומה בצורת פעמון כמו במקרה הקלאסי של הליכה אקראית. מקבלים פיקים בקצוות כיאה להולך הקוונטי שיכול לחפש במקומות רבים בו-זמנית. והרי זוהי מהות הסופרפוזיציה. וכך החיפוש אחר המחט בערמת שחת מואץ במחשוב הקוונטי.

Picture of walks

מימין: הליכה אקראית קלאסית – חלקיק מבצע צעד אחד שמאלה או ימינה באקראיות.

משמאל: הליכה קוונטית – חלקיק בודד מבצע צעד שמאלה וימינה בו-זמנית (סופרפוזיציה) וזה מוביל למצב שבו הוא במקומות רבים בבת אחת. 

Credit: Adapted from Michal Karski et al., Science

לקריאה נוספת ראו כאן.

המאמר:

Science 10 July 2009:
Vol. 325. no. 5937, pp. 174 – 177
DOI: 10.1126/science.1174436

Reports

Quantum Walk in Position Space with Single Optically Trapped Atoms

Michal Karski,* Leonid Förster, Jai-Min Choi, Andreas Steffen, Wolfgang Alt, Dieter Meschede, Artur Widera*

The quantum walk is the quantum analog of the well-known random walk, which forms the basis for models and applications in many realms of science. Its properties are markedly different from the classical counterpart and might lead to extensive applications in quantum information science. In our experiment, we implemented a quantum walk on the line with single neutral atoms by deterministically delocalizing them over the sites of a one-dimensional spin-dependent optical lattice. With the use of site-resolved fluorescence imaging, the final wave function is characterized by local quantum state tomography, and its spatial coherence is demonstrated. Our system allows the observation of the quantum-to-classical transition and paves the way for applications, such as quantum cellular automata.

Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn Wegelerstraße 8, 53115 Bonn, Germany.

* To whom correspondence should be addressed. E-mail: karski@uni-bonn.de (M.K.); widera@uni-bonn.de (A.W.)

 

משחקי קוביות בעולם הקוונטי…

נתחיל באמרה של אינשטיין למקס בורן. אינשטיין השתמש במטפורה לפיה אלוהים לא משחק בקוביות. אינשטיין כידוע לא האמין באלוהים האישי והמואנש. במקום זאת, הוא האמין באלוהים לפי ברוך שפינוזה. ולכן איך אלוהים יכול לשחק בקוביות אם אין אל אישי? בכל מקרה אם כן לפי תפישת עולמו של אינשטיין אלוהים לא יכל לשחק בקוביות כי פשוט אין אצלו אלוהים אישי!

אינשטיין דחה את מכניקת הקוונטים בגלל שהיא אינהרנטית הסתברותית. בימיו של אינשטיין הפיזיקאים עדיין לא יכלו להציע מהלכים ניסויים לממצאים רבים בתורת הקוונטים, כמו למשל לשזירה הקוונטית (טלפורטציה קוונטית) – מה שאינשטיין כינה “פעולת רפאים למרחוק”. ולכן לאינשטיין היה קל יותר להתנגד למכניקת הקוונטים, בייחוד לנוכח הבעיות של פעולה שכזו עם תורת היחסות.

מעניין מה אינשטיין היה מגיב היום לאחר כל הניסויים הקוונטיים בעזרת הלייזרים, מלכודות היונים והניסויים המודרניים שהדגימו כמה מהמוזרויות הקוונטיות.

בכל מקרה אינשטיין השתמש שוב במשפט המפורסם שלו, לפיו הוא לגמרי מאמין שהוא (האל) לא משחק בקוביות בעולם, בויכוח המפורסם עם נילס בוהר. נילס בוהר אבי פשר קופנהגן ענה לו את התשובה הבאה: “אל תגיד לאלוהים מה לעשות!”

אינשטיין במילא לא האמין באלוהים אישי, ולכן באין אל כזה לא ניתן כלל לומר לו מה לעשות… כך בנקודה זו לפחות אינשטיין ובוהר הסכימו ביניהם!!…

 

 

שיקוי החיים של נייצ’ר: מהרפמיצין ועד לדיאטת קלוריות

נייצ’ר ושיקוי החיים: מהרפמיצין ועד לאנורקסיה

 

בעידן שבו השומן הוא מכה עולמית ומעריכים שאחד מכל ארבעה הוא בעל משקל עודף, נראה כי ההמלצה היא, שאפילו אלה שהם בעלי משקל בריא צריכים לאכול פחות. מסתבר שהגבלת קלוריות ושמירה על דיאטה קבועה מפחיתה משמעותית את הסיכון למחלות תלויות גיל (סרטן, סכרת, ניוון מוחי ומחלות קרדיו-וסקולאריות) ואפילו דוחה את המוות. כל הממצאים האלה עולים ממחקר חדש בקופי רזוס, שהרחיב מחקרים קודמים בעכברים וחיות אחרות.  

 

המגזין נייצ’ר יוצא יום אחרי יום בהודעות על גילויים של “אליקסייר” או שיקוי החיים.

ב-8 ליולי נייצ’ר פרסם שנתגלתה גלולה שמאריכה את החיים בשם רפמיצין.

Elderly peopleCould a pill one day slow ageing in humans?Punchstock

Rapamycin, a drug  

הארץ מיהר לכתוב על כך מאמר: מדענים: אנו קרובים מאי-פעם לבלום את הזיקנה”.

נייצ’ר תאר זאת כך:

Letter

Nature advance online publication 8 July 2009 | doi:10.1038/nature08221; Received 9 April 2009; Accepted 24 June 2009; Published online 8 July 2009

Rapamycin fed late in life extends lifespan in genetically heterogeneous mice

 

מדובר בגלולה שבני האדם משתמשים בה כבר וזאת כדי להאריך את חייהם של עכברים עד לפי 14%. הגלולה בשם רפמיצין היא מוצר בקטריאלי שפותח מתרכובת שנמצאת באי איסטר (פסחא). למרות שהמחקר הוא רק בעכברים והתרופה מדכאת את מערכת החיסון (ולכן השימוש שלה הוא בחולים שעברו השתלות), מאמרים רבים קפצו על סיפור שיקוי החיים הזה. ראו למשל המאמר מהארץ למעלה. החלו לחשוב על הרפמיצין כעל תרופת אנטי-אייג’ינג לבני אדם. אולי בני אדם יוכלו לקחת את הרפמיצין כדי להאט את הזקנה?

והנה יומיים לאחר החדשות המסעירות האלה מפי נייצ’ר אודות גילוי שיקוי חיים בצורת רפמיצין, והנה נייצ’ר מופיע עם דרך אחרת לחיות (כמעט) לעד, שמופיעה בספרות המדעית היום.

הדרך הבאה של  נייצ’ר לא נמצאת באיים נידחים בשם פסחא, וגם לא צורכת גלולות מרשם, שאולי טומנות בחובן תופעות לוואי (מי יודע אילו?). זוהי דרך שמצויה אצל כל אחד מאיתנו, אבל דורשת את מה שנהוג לכנות בעגה העממית בשם “דיאטת רצח”. לא מדובר בתת-תזונה, אלא רק להוריד 30% קלוריות…

נייצ’ר מספר לנו שבמאמר בכתב העת סייאנס, ריצ’רד ווינדרוך פרופסור לרפואה מאוניברסיטת ויסקונסין, מדיסון מדווח שנראה כי צריכת קלוריות מצומצמת מאריכה את חיי קופי הרזוס. ויותר מזה דיאטה על קלוריות מופחתת דוחה את התחלת ההפרעות תלויות הגיל כמו סרטן, סכרת, מחלות קרדיו-וסקולאריות וניוון מוחי. וכל זאת כאשר ווינרודך והחוקרים הראו שהגבלת קלוריות יכולה להאט את תהליך ההזדקנות במינים פרימטיים.

Richard Weindruch

 

פרופ’ ריצ’רד ויינדרוך

מה שקרוי הגבלת קלוריות, שלא קשור בתת-תזונה, כבר הוכחה קודם לכן  כמאריכה חיים במספר מינים. אולם הייתה חסרה לכך עדות במינים פרימטים.

המחקר של ויינדרוך החל ב-1989 עם חבורה של 30 קופים כדי לרשום את השפעות הבריאות של דיאטת הפחתת הקלוריות. המחקר התפשט ב-1994 תוך הוספה של 46 קופי רזוס נוספים. החיות כולן במחקר נרשמו כבוגרות בגילאים שבין 7 ל-14 שנים. כיום, 33 חיות נותרו במחקר. מבין אלה, ל-13 ניתן חופש לאכול מה שהן רוצות בארוחות, ואילו 20 חיות היו בדיאטת קלוריות מחמירה. לקופי הרזוס יש תוחלת חיים ממוצעת של בערך 27 שנים כאשר הם בשבי. החיה המבוגרת ביותר כיום במחקר היא בת 29 שנים.

במהלך 20 שנות המחקר, מחצית מהחיות שאפשרו להן לאכול חופשי שרדו. ל-80 אחוז מהקופים נתנו את אותה הדיאטה של הגבלת קלוריות, הדיאטה כללה 30 אחוז פחות קלוריות, והקופים עדיין חיים.

לפי המחקר, 14 מיתות בקבוצה של הקופים שאכלו חופשי שוייכו למחלות תלויות גיל בהשוואה ל-5 מיתות בלבד כאלה בחיות שאכלו 30% פחות קלוריות.   

נצפתה ירידה של פחות מחצי בהופעת גידולים ממאירים סרטניים ומחלות קרדיו-וסקולאריות בחיות שהיו על דיאטה מחמירה לעומת החיות שאפשרו להן לאכול חופשי.

באופן בולט, נמצא שסכרת או ויסות גלוקוזה לקוי היה נפוץ בקופים שאכלו כל מה שהם רוצים: חמישה קופים שאכלו כל מה שרצו נהפכו לסוכרתיים ו-11 מהקופים שאכלו חופשי אובחנו כטרום-סוכרתיים. התצפית הראתה מניעה מוחלטת של סכרת בחיות שהיו על דיאטת קלוריות מחמירה: הם נותרו ללא סוכרת.

אולם, עדיין יש לבצע תצפית של ממצא זה בחיות אחרות שיהיו על דיאטה מחמירה.

בנוסף הבריאות המוחית של הקופים שהיו על דיאטה מחמירה הייתה טובה יותר. 

 

Brain scans of monkeys

 Photo: courtesy Sterling C. Johnson

הסריקה המוחית משמאל מראה את המוח של קוף הרזוס שאפשרו לו לאכול חופשי. זאת בעוד, שהסריקה הימנית מראה את מוחו של הקוף שבמשך שני עשורים היה על דיאטה דלת קלוריות. המוח של החיה שהייתה על ארוחת פריצות הוא בעל פחות רקמת נפח ויותר נוזל (אזורים בהירים) לעומת המוח של הקוף שהיה על דיאטת קלוריות מחמירה.

התמונות מציעות פחות ניוון מוחי או פחות איבוד תאי עם תהליך ההזדקנות עבור החיות שהיו על דיאטה בעלת 30 אחוז פחות קלוריות לעומת הקופים שהיה מותר להם לאכול כל מה שהם רצו.

בייחוד, האזורים במוח שהם אחראיים על השליטה המוטורית ולפונקציות הביצועיות –כמו זיכרון עבודה ופתרון בעיות – נראו כמשומרים טוב יותר בחיות שאכלו פחות קלוריות. גם המהירות המוטורית וגם המהירות המנטאלית מואטים עם הגיל. ואילו אלה הם התחומים שמוצאים כשמורים טוב יותר במחקר זה, ונראה שישנם שינויים אזוריים במוח שמופיעים כקשורים לדיאטה בקופי רזוס.

“הצלחנו להראות שהגבלת קלוריות יכולה להאט את תהליך ההזדקנות במינים פרימטים”, אומר ווינדרוך. “בהתאם לתצפיתנו הגבלת קלוריות הפחיתה את הסיכון להתפתחות מחלות תלויות גיל פי שלוש והגדילה את ההישרדות”.

החוקרים הוסיפו שהקופים שהיו על דיאטה מחמירה “נראו צעירים יותר ביולוגית מאשר החיות שאכלו בצורה נורמאלית”… 

השאלה הגדולה עתה היא האם הגבלת קלוריות פועלת בבני אדם. ויינדרוך אומר שהוא ניסה לאכול פחות, אבל מצא שזה קשה…

מה שהמאמר שלו אומר הוא, שבעוד איננו יודעים בוודאות, יש תימוכין נוסף לאלה המאמינים שזה יעבוד על בני אדם. יחד עם זאת המחקר לא מסביר מיתות מסיבות שהן לא תלויות גיל.

ישנה גם הנקודה, שדיאטה מגבילה היא מעין מוות מגביל… והרי לא סתם אנחנו נוהגים לדבר על “דיאטת רצח”…

נמצא כי עכברים שהיו על דיאטה מחמירה נראו כיותר עצבניים מהרגיל. ואילו עכברים שהיו על דיאטה רגילה היו רגועים ואפשרו לחוקרים להרימם ברוגע. ולכן השאלה היא האם דיאטה כה מחמירה היא משתלמת?

תמונות: משמאל לימין, שני הקופים הזקנים ביותר ששרדו בקבוצה: קנטו (שמאל) בן 27 על דיאטה מחמירה – נראה פחות מקומט ובעל הרבה פחות מפלי שומן, ואוואן (מימין) בן 29 על דיאטה רגילה – מקומט יותר ובעל מפלי שומן. 

מכאן.

Photo of monkeys from reduced diet study

Rhesus monkeys, left to right, Canto, 27, on a restricted diet, and Owen, 29, a control subject on an unrestricted diet, are pictured at the Wisconsin National Primate Research Center. The two are among the oldest surviving subjects in a pioneering long-term study of the links between diet and aging in Rhesus macaque monkeys, which have an average life span of about 27 years in captivity.

Photo: Jeff Miller

 

המאמר:

Science 10 July 2009:
Vol. 325. no. 5937, pp. 201 – 204
DOI: 10.1126/science.1173635

Reports

Caloric Restriction Delays Disease Onset and Mortality in Rhesus Monkeys

Ricki J. Colman,1,* Rozalyn M. Anderson,1 Sterling C. Johnson,1,2,3 Erik K. Kastman,2,3 Kristopher J. Kosmatka,2,3 T. Mark Beasley,4 David B. Allison,4 Christina Cruzen,1 Heather A. Simmons,1 Joseph W. Kemnitz,1,2,5 Richard Weindruch1,2,3,*

Caloric restriction (CR), without malnutrition, delays aging and extends life span in diverse species; however, its effect on resistance to illness and mortality in primates has not been clearly established. We report findings of a 20-year longitudinal adult-onset CR study in rhesus monkeys aimed at filling this critical gap in aging research. In a population of rhesus macaques maintained at the Wisconsin National Primate Research Center, moderate CR lowered the incidence of aging-related deaths. At the time point reported, 50% of control fed animals survived as compared with 80% of the CR animals. Furthermore, CR delayed the onset of age-associated pathologies. Specifically, CR reduced the incidence of diabetes, cancer, cardiovascular disease, and brain atrophy. These data demonstrate that CR slows aging in a primate species.

1 Wisconsin National Primate Research Center, University of Wisconsin, Madison, WI 53715, USA.
2 Department of Medicine, University of Wisconsin, Madison, WI 53706, USA.
3 Geriatric Research, Education, and Clinical Center, William S. Middleton Memorial Veterans Hospital, Madison, WI 53705, USA.
4 Department of Biostatistics, University of Alabama at Birmingham, Birmingham, AL 35294, USA.
5 Department of Physiology, University of Wisconsin, Madison, WI 53706, USA.

* To whom correspondence should be addressed. E-mail: rcolman@primate.wisc.edu (R.J.C.); rhweindr@wisc.edu (R.W.)

 

החיים הקוונטיים

החיים הקוונטיים

הרעיון הנושן שתורת הקוונטים יכולה להסביר אספקטים יסודיים רבים של החיים עולה עתה שוב. מעלה את הרעיון פול דייויס, פיזיקאי ואסטרו-ביולוג מהמרכז למושגי יסוד במדע באוניברסיטת המדינה של אריזונה, במאמר שפורסם בראשון ליולי 2009, ב-Physicsworld.

עבור פיזיקאי, כותב דייויס, החיים נראים מעט קצרים מכדי שיביט עליהם כעל נס. הוא מביט עליהם כעל אוסף של אטומים, מסודרים יחד כך שיבצעו איזה שהוא “טריק”. במשך מאות בשנים, אורגניזמים חיים נחשבו למעין חומר קסמים. אולם היום, אנחנו יודעים ששום “כוח חיים” לא פועל בביולוגיה. יש רק חומר רגיל שמבצע דברים רגילים. זאת בעודו נשלט על ידי חוקי פיזיקה מוכרים. מה אם כן, שואל דייויס, הוא סוד התכונות המזהירות של החיים?

בשנות ה-40 וה-50, האופנה הייתה להניח שמכניקת הקוונטים טומנת בחובה את המפתח למסתורין של החיים. שהרי אבות הקוונטים הצליחו להסביר את תכונות החומר הלא חי. על כן הם קיוו שהתיאוריה שלהם היא מספיק מוזרה וגם בעלת עוצמת הסבר בכדי להסביר את מצב החי המוזר לא פחות של החומר גם כן. 

נילס בוהר, ורנר הייזנברג ויוג’ין ויגנר – כולם גם יחד רקחו ספקולציות בנושא. במאמרו “אור וחיים” שפורסם ב-נייצ’ר, בוהר ב-1933 האמין שההבחנה בין מערכות חיות ללא חיות היא יסודית ולמעשה היא ביטוי לעקרון הקומפלמנטריות. זאת בעוד שארווין שרדינגר כתב את ספרו המפורסם מהם החיים? שפורסם ב-1944. שרדינגר כתב, “במקרה זה, הדבר מסופק על ידי תורת הקוונטים. לאור הידע הנוכחי, המכניזם של התורשה קשור במידה קרובה, אם לא נוסד על הבסיס עצמו של תורת הקוונטים”. שרדינגר גם הביע את הספקולציה לפיה אפקטים קוונטיים יובילו להתנהגות חדשה רדיקלית שתבדיל את החי מהלא חי. “עלינו להיות מוכנים למצוא סוג חדש של חוק פיזיקאלי נפוץ בתוך זה”. ספרו של שרדינגר סלל את הדרך להולדת הביולוגיה המולקולארית בשנות ה-50, כותב דייויס.

החתול של שרדינגר: מהם חייו? חיי Q?…

מחצית המאה אחר כך, החלום שמכניקת הקוונטים איכשהו תסביר את החיים “במחי יד” – בדיוק כפי שהיא הסבירה מצבי חומר אחרים בצורה כה מזהירה ומקיפה – נגוז. כמובן, שמשתמשים במכניקת הקוונטים בתחומי הביולוגיה, כמו למשל להסביר את הגדלים והצורות של המולקולות ואת הפרטים של הקשרים הכימיים שלהן. אולם לא הופיע שום “עקרון חיים” מתורת הקוונטים, עקרון שיבדיל בין המצב החי ויאמר שהוא מיוחד. ויותר מזה, המודלים הקלאסיים הנושנים נראים מספיק טובים למרבית ההסברים בביולוגיה המולקולארית.

בנוסף, מערכות ביולוגיות הן כל כך מורכבות שקשה מאוד להפריד בין האפקטים הקוונטיים מהגורמים האחרים שהם בעיקרם תהליכים קלאסיים שגם כן קיימים במערכת. לכן ישנו ויכוח באיזו מידה החיים עושים שימוש בתהליכים קלאסיים, ובאיזו מידה הם מפיקים תועלת מתהליכים קוונטיים לא טריביאליים.

נשאלת השאלה, אומר דייויס, מדוע מכניקת הקוונטים אמורה להיות רלוונטית לחיים? מדוע על תורת הקוונטים להיות חשובה לחיים מעבר ליכולתה להסביר את המבנה הבסיסי והאינטראקציה של המולקולות?

טיעון כללי אחד הוא שהאפקטים הקוונטיים יכולים לשרת לקידום תהליכים שהם או איטיים או בלתי אפשריים בהתאם לפיזיקה הקלאסית. לדוגמא, המאפיינים המוזרים של תורת הקוונטים: אפקט המנהור הקוונטי, הסופרפוזיציה והשזירה הקוונטית – כל אלה יוצרים תופעות חדשות ובלתי צפויות שלא קיימות בעולם הקלאסי. בגלל שהתהליכים הבסיסיים של הביולוגיה מתרחשים ברמה המולקולארית, גיוס האפקטים הקוונטיים האלה להסבר לא נראה לגמרי בלתי הגיוני, טוען דייויס.

למשל, סופרפוזיציות קוהרנטיות מאפשרות לשעתוק להתפתח במהירות על ידי החקירה של מגוון אפשרויות הסתגלות בו-זמניות.

נבחן למשל את המנהור הקוונטי. ספקולציה אחת הייתה שמוטציות ביולוגיות מופיעות כתוצאה ממנהור קוונטי. הבסיס הגנטי לחיים נכתב בארבע אותיות של הנוקליאוטידים A, G, C ו-T שמתחברים בזוגות כדי ליצור את סלילי הסולם המפותל של מבנה הדנ”א. ה-T נצמד ל-A וה-G צמד ל-C, כאשר הזוגות מוחזקים יחד על ידי שלושה קשרי מימן בהתאמה. אולם בסיסי הנוקליאוטידים יכולים להתקיים גם בצורות כימיות אלטרנטיביות שידועות בשם טאוטומרים בהתאם למיקום הפרוטון. מכניקת הקוונטים מנבאת שפרוטון יכול לבצע מנהור בהסתברות סופית דרך מחסום הפוטנציאל שמפריד בין שני מצבים אלה, וזה מוביל לזיווג לא נכון, למשל ש-T יהיה עם G במקום עם A. מוטציות כידוע הן המניע של האבולוציה. במובן זה מכניקת הקוונטים היא בהחלט גורם תורם לשינוי אבולוציוני.

ניתן למשל לדבר על האפקט של מנהור חלבוני – חלבונים שיכולים לנוע דרך מחסומי אנרגיה שבדרך כלל יהיו בלתי אפשריים עבורם.

נגיד שהחיים עצמם למעשה לא עושים שימוש ב”טריקים הקוונטיים”. אנחנו לא יכולים להתעלם ממכניקת הקוונטים בביולוגיה. אי הודאות הקוונטית מציבה גבול יסודי על הדיוק של כל התהליכים המולקולאריים. מכניקת הקוונטים מציבה גבולות ברורים ויסודיים לפעולת המולקולות ולארגונן.

ישנן תופעות ביולוגיות רבות שלא ניתן להסביר על ידי המודלים העכשוויים הביוכימיים והקלאסיים שנהוג להשתמש בהם כאשר רוצים לתאר כיצד אורגניזמים חיים מתפקדים. הגיעו למסקנה שהדרך שבה נהוג להסביר מערכות ביולוגיות ואורגניזמים חיים היא לוקה בחסר ולא לגמרי מספקת ודרושה גישה יותר כוללת. לכן התחילו לפנות להסברים מהפיזיקה הקוונטית כדי למלא את החסר, וזאת היכן שההסבר הביוכימי הקלאסי לוקה בחסר.

ישנם אספקטים של מכניקת הקוונטים שדנים בקרינה. כמוכן, מכניקת הקוונטים מספקת הסבר לצורת המולקולאריות שהכרחיות לשכפול הדנ”א של חומצות הגרעין ולסוגי חלבונים, עקרון האיסור של פאולי מבטיח שלאטומים ומולקולות יהיו גדלים מוגדרים וכתוצאה הוא קובע לא רק את השכפול, אלא גם את קצבי הדיפוזיה המשתנים, תכונות הממברנה ותפקודים רבים ביולוגיים חשובים אחרים. מכניקת הקוונטים גם מסבירה את עוצמות הקשרים המולקולאריים שמחזיקים את מיכון החיים יחד ומאפשרים מטבוליזם. דוגמאות אלה קובעות את המבנה והתכונות הכימיות-הביוכימיות. במובן זה כאשר ביולוגים הבינו את החשיבות של תופעות כאלה ברמות סקאלת הננו למחקרם, מכניקת הקוונטים עלתה באופן טבעי כדיספלינת מחקר. 

תהליכים ביולוגיים יסודיים שקשורים בהמרה של אנרגיה לצורות שניתן להשתמש בהן להתמרות כימיות הם קוונטיים מכניים בטבעם. תהליכים אלה קשורים בריאקציות כימיות עצמן, בבליעת אור, ביצירת מצבים אלקטרוניים מעוררים, במעבר אנרגיה מעוררת, במעבר של אלקטרונים ופרוטונים וכדומה. בצורה זו תהליכים ביולוגים מקבלים הסבר תוך שימוש במכניקת הקוונטים שעוסקת בקרינה. כלומר, תהליכים ביולוגיים חשובים רבים שמתרחשים בתאים מונעים ונשלטים על ידי אירועים שקשורים בדרגות חופש אלקטרוניות. לכן משום כך דרוש התיאור שלקוח ממכניקת הקוואנטים.

דוגמא חשובה היא אירועי מפתח במהלך פוטוסינתזה בצמחים ומטבוליזם אנרגטי בתאים אאוקריוטים שמצדיקים תיאור קוונטי מכני – החל מבליעת האור בצורת פוטונים על ידי הרכיב הפוטוסינטתי ועד לתהליכי הטרנספר של האלקטרונים שמקיימים את היכולת האלקטרו-כימית של הממברנה. בגלל החשיבות של מגע האור עם צמחים (לשם ויסות תפקוד חיוני) וגם עם חיות (לראיה), האינטראקציה שבין האור לפוטו-קולטנים ביולוגיים היא נפוצה בטבע. והיא גם דורשת תיאור קוונטי מכני.

כאשר חושבים על מכניקת הקוונטים כבעלת תפקיד בביולוגיה, כותב דייויס, נתקלים בבעיה רצינית ויסודית. אפקטים כמו קוהרנטיות, שזירה קוונטית וסופרפוזיציה יכולים להתקיים לזמן מוגבל ואז מגיעים למצב שקרוי דה-קוהרנטיות קוונטית. דה-קוהרנטיות מופיעה כאשר המערכת היא באינטראקציה עם סביבתה בצורה תרמודינמית בלתי הפיכה. הדה-קוהרנטיות נגרמת על ידי האינטראקציה של המערכת עם סביבתה. בנוכחות רעש סביבתי, האפקטים הקוונטיים הרגישים מתערבלים, והמצבים הקוונטים הטהורים הופכים לערבובים ואז ישנו מעבר מהתנהגות קוונטית לקלאסית. כל עוד ניתן להרחיק את הדה-קוהרנטיות האפקטים הקוונטיים ישמרו. לכן הטיעונים של הביולוגיה הקוונטית עומדים או נופלים בהתאם ללוח הזמנים של הדה-קוהרנטיות: כמה זמן המערכת יכולה להתקיים עד שהיא תהיה דה-קוהרנטית. אם היא תהיה דה-קוהרנטית מהר מידי, היא תהפך לקלאסית בטרם משהו ביוכימי או ביולוגי מעניין יקרה לה.

פיזיקאים החלו לחשוב על סביבות שיעכבו את הופעת הדה-קוהרנטיות, או את השפעתה. פרמטר חשוב הוא הטמפרטורה. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר הדה-קוהרנטיות חזקה יותר. לכן הפיזיקאים שעוסקים בתחום של המחשוב הקוונטי, למשל, משתמשים בסביבות בעלות טמפרטורה אולטרא נמוכות, כמו למשל על-מוליכים או מלכודות אטומים קרות.

במבט ראשון, אומר דייויס, התוך החמים והרטוב של התא החי נראה כסביבה מאוד לא מבטיחה ולכן מוביל מהר לדה-קוהרנטיות. חישובים מהירים מציעים זמני דה-קוהרנטיות מאוד מהירים עבור מרבית התהליכים הביוכימיים בטמפרטורות הדם.

אולם, אומר דייויס, ישנן סיבות מדוע מערכות ביולוגיות אמיתיות עשויות להיות פחות רגישות לדה-קוהרנטיות מאשר נובע מן המודלים הפשטניים. סיבה אחת היא שהאורגניזמים הביולוגיים הם מערכות מונעות, פתוחות ומאוד לא-ליניאריות. הן מערכות שפועלות הרחק משיווי משקל תרמודינמי. הפיזיקה של מערכות כאלה היא לא מובנת היטב והיא עשויה להסוות בתוכה תכונות קוונטיות חדשות. נתגלתה הארכה של זמן הקוהרנטיות במערכת קוונטית מסוימת, שדינמית הייתה מונעת הרחק משיווי משקל ומצומדת לסביבה חמה ורועשת שמהר מאוד הייתה גורמת לדה-קוהרנטיות למערכת סטטית.

אם כן, מאה וחמישים שנה אחרי שצ’רלס דרווין פרסם את על מוצא המינים, מוצא המינים עצמו נותר חידה ומסתורין עיקש. האורגניזם הפשוט ביותר הידוע היום הוא כבר מסובך בצורה מדהימה. לא סביר שצורה כזו תופיע באופן ספונטאני, קובע דייויס, במקרה או בתהליך שקרוי הרכבה עצמית של מולקולות.  

מרבית החוקרים משערים שהחיים התחילו או מתוך קבוצה של מולקולות שנשאו מידע דיגיטלי, שמשכפל-עצמו, והרבה יותר פשוט מאשר הדנ”א. או לחילופין, החלו במחזור כימי קטליטי עצמי שלא אחסן שום מידע גנטי, אבל היה מסוגל לייצר כמויות נוספות של אותה תרכובת כימית. ככה או ככה, שתי גישות אלה מתמקדות ביצור חומרי גלם שהם רק טבעיים, שכן ככלות הכל, החיים הידועים לנו מתרבים תוך שכפול החומר הגנטי. אולם תכונות המפתח לחיים – רפליקציה תוך וריאציה והברירה הטבעית –  לא דורשות באופן הגיוני מהמבנים החומריים עצמם להיות מועתקים. מספיק שהמידע ישוכפל. תכונה זו, כותב דייויס, פותחת אפשרות שהחיים עשויים היו להתחיל מצורה כלשהי של “רפליקטור קוונטי”, או “חיי Q“.

דייויס מהרהר באפשרות של רפליקטור קוונטי, ועושה הקבלה עם המחקר של המחשוב הקוונטי באומרו, שידוע שלא ניתן לשבט פונקציות גל, אולם מידע קוונטי דיסקרטי ניתן בהחלט לשכפול. והרי יש יתרון להעתקת ידע ברמה הקוונטית – המהירות. תהליך העתקה יכול להתקדם על סקאלות זמן כימיות או של מנהור. ואם רק נשווה זאת לזמן שלוקח לבצע רפליקציה לזוג בסיסי דנ”א, חיי ה-Q יכולים להתפתח מהר ובסדרי גודל רבים יותר מאשר החיים הכימיים. הסופרפוזיציה הקוהרנטית מאפשרת לחיי ה-Q להתפתח במהירות על ידי בחינת קשת רחבה של אפשרויות הסתגלות בו-זמנית. שביטי ענן אורט למשל יכולים לאפשר סביבת טמפרטורה נמוכה ועשירה בפוטנציאל פיזיקאלי וכימי לסוג חיים כאלה.

נשאלת השאלה, תוהה דייויס, כיצד רפליקטור קוונטי יכול היה להתפתח לחיים כימיים מוכרים? דייויס מעלה תרחיש אפשרי לפיו המולקולות האורגניות החלו כמו מעין מחשב קוונטי זעיר בכוכבי השביט, מאגר שאוגר מידע בצורה קוונטית. דייויס אז כותב: “בגלל רב גוניותם וחוזקם הרב יותר [של החיים האורגניים], הם היו מסוגלים בסוף בפועל ‘לקבל חיים משל עצמם’, להיפרד מהאב הקדמון של חיי ה-Q ולהתפשט לסביבות פחות מיוחדות ומוגבלות – כמו כדור הארץ”.

 

 

 

ננוטכנולוגיה בסרטן: ננוחלקיקים לשיטת מדידה חדשה

ננוטכנולוגיה בסרטן: רתימת ננו חלקיקים כדי לעקוב אחר שינויים בתאים סרטניים

 

הישראלים שלנו עושים חייל. ד”ר קתרין שחף Catherine Shachaf סימה דוקטורט מחקרי ברפואה מולקולארית ב-2001 בטכניון והיום היא מצליחה כפוסט דוקטורנטית בבית הספר לרפואה בסטנפורד בקליפורניה. ברצוני לספר לכם על תגלית שד”ר שחף בצעה יחד עם קבוצתה בתחום הסרטן עתה: בתחום שנקרא “ננוטכנולוגיה בסרטן”.

בהצהרה לתקשורת נאמר, שככל שיש יותר נקודות, כך התמונה שמקבלים כאשר מחברים ביניהן היא מדויקת יותר. חוקרי הסרטן אמצו פילוסופיה זו ופתחו טכנולוגית דימות ומדידה חדשה שיכולה לתת למדענים את היכולת למדוד בו-זמנית פי 100 ואף יותר מאפיינים מרוחקים בתוך או מעל גבי תא בודד. במחלה כמו סרטן, יכולת זו תספק תמונה טובה הרבה יותר למה שמתרחש בתאי גידול נפרדים.

קבוצה מבית הספר לרפואה אשר באוניברסיטת סטנפורד, מהמרכז למצוינות בננוטכנולוגיה וסרטן ממוקד בתגובה לתרפיה, כאשר בראשה עומדת הדוקטור קתי שחף מישראל, לראשונה השתמשה בננוחלקיקים שתוכננו במיוחד על ידי אינטל, כך שהם הכילו צבע. וכל זאת במטרה להשתמש בהם להדמיה בו-זמנית של שני מאפיינים בתוך תאים בודדים.

הטכנולוגיות העכשוויות כיום למדידה ולאפיון תאים ומרכיביהם מה שקרוי “ציטומטריה של זרימה חד-תאית” יכולות לספק עד ל-17 ויזואליזציות בו-זמניות. אם כי הציטומטר הוא לא בדיוק מיקורסקופ במובן שמספק דימות, אלא הוא מחובר למחשב שאליו מוזרמים הנתונים. חרף זאת, לשיטה החדשה של הקבוצה מסטנפורד יש את הפוטנציאל להגביר תבניות מאוד חלשות שקרויות סגינלי ראמן (פירוט בהמשך).

במחקר שהתפרסם בכתב העת באינטרנט – PLoS ONE הקבוצה מסטנפורד דווחה על הניסויים, שבהם היא הייתה מסוגלת בו-זמנית לנתר שינויים בשני חלבונים בין-תאיים, שלהם תפקיד מכריע בהתפתחות הסרטן.

פיתוח מוצלח של הטכניקה החדשה יכול לשפר לא רק את היכולת של המדענים לאבחן סרטנים זאת למשל, על ידי קביעת המידה של האגרסיביות של התאים המרכיבים את הגידול אלא גם לבסוף להפריד בין תאים חיים לתאים סרטניים שעברו ביופסיה. עושים את זה על בסיס המאפיינים שמצביעים על דרגת ההתקדמות שלהם, או על בסיס רמת ההתנגדות שלהם לתרופות כימותרפיות. זה יחיש את הבדיקה של טיפולים שמטרתם לתקוף את התאים העקשניים ביותר, אומרת ד”ר שחף, חוקרת סרטן, פוסט דוקית, שעובדת במעבדתו של החוקר הבכיר ד”ר גרי פ. נולן.

סרטן מתחיל בתא בודד, והתפתחותו לרוב מתבשרת על יד שינויים ברמות האקטיבציה בחלבונים מסוימים. בעולם ביולוגית התא, דרך נפוצה אחת לחלבונים להיהפך לפעילים היא באמצעות תהליך שקרוי “פוספוריליציה”. תהליך זה מעט משנה את צורת החלבון על ידי ההוספה של קבוצת פוספט לחלבון. לשני חלבונים תוך תאיים stat1 ו-stat6 תפקידים מכריעים בהתפתחות הסרטן (מערכת חלבוני ה-stat

).Signal Transducers and Activator of Transcription

הקבוצה מסטנפורד הצליחה בו-זמנית לנתר שינויים ברמות הפוספוריליציה של שני החלבונים בתרבית מעבדה של מח עצם של תאי לוקמיה. השינויים ב-stat1 וב-stat6 היו מאוד דומים לאלו שהודגמו כבר בעזרת טכניקות הדמיה קיימות, וזה היווה הוכחת עקרון לשיטת הדימות החדשה.

למרות שהשתמשו בטכנולוגיה החדשה עד כה למבט בתאים על סליידים בלבד, השיטה יכולה לשמש בסוף באותו האופן כמו ציטומטריה של זרימה, הטכנולוגיה החדישה ביותר כיום. טכנולוגיה זו מאפשרת למדענים לבחון תאים בודדים בתנועה. בציטומטריה של זרימה, התאים מופצצים בלייזר אור בעודם חולפים דרך תא סריקה. או אז ניתן לבחון את התאים ועל בסיס המאפיינים שלהם ניתן למיינם ולנתבם ליעדים שונים בתוך הציטומטר.

עדיין ציטומטרית הזרימה היא מוגבלת. יש צורך במולוקולות צבע פלואורסצנטיות שנצמדות לנוגדים, כאשר צבעים שונים קשורים לנוגדנים שפוגעים במולקלות שונות. מולקולות הצבע מגיבות לאור הליזר על ידי היותן פלואורסצנטיות –  והן מהדהדות באור בדיוק באותו אורך גל, או צבע, שבו הם עוררו. עוצמת הפלואורסצנטיות מצביעה על מספר המאפיינים מסוג מסוים של פני משטח התא הנמצאים שם, שאליהם עתה הצבעים מחוברים. אבל הבעיה היא, שסיגנלי האור שנמסרים על ידי ריבוי צבעים, מתחילים להפריע זה לזה. ומסיבה זו בדיוק, מספר המאפיינים הנפרדים שציטומטרית זרימה יכולה למדוד בו-זמנית הם בדרך כלל 20.

במה יכולה הננוטכנולוגיה לשפר כאן את יכולת המדידה והדימות?

הטכנולוגיה החדשה, שמכילה ננוחלקיקים מכילי צבע ופותחה על ידי הקבוצה מסטנפורד צועדת צעד אחד קדימה. הננוחלקיקים לא רק שפולטים הדהודים פלואורסצנטיים באורך גל יחיד, אלא גם תביעות אצבע יותר מסובכות, שהן מורכבות מאורכי גל שהם מעט שונים מהקרניים בעלי הצבע היחיד שאותם פולטים הלייזרים. תבניות אלה, שקרויות סיגנלי ראמן, מופיעות כאשר רמות האנרגיה של האלקטרונים בקושי משתנות בגלל אינטראקציות חלשות בין האטומים המרכיבים את המולקולה הנצפית. מדובר בתחום מחקר שקרוי “פיזור ראמן”.

סיגנלי ראמן נפלטים כל הזמן על ידי מולקולות שונות, אבל בדרך כלל הם יותר מידי חלשים מכדי שנגלה אותם. כדי לחזקם, הקבוצה מסטנפורד השתמשה בננוחלקיקים המיוחדים שאותם יצרה עבורם במיוחד חברת אינטל. כל ננוחלקיק הוא בעל חתימתו המיוחדת. אינטל תכננה יותר ממאה ננוחלקיקים מורכבים אורגניים-לא אורגניים, שהיא קראה להם COIN – זה פשוט ראשי התיבות של: composite organic-inorganic nanoparticles. הננוחלקיקים האלה הם למעשה “כריכים” של מולקולות צבע ואטומי מתכת כמו כסף, זהב או נחושת, בעלי תכונות החזרה שמגבירות את סיגנלי הראמן של מולקולות הצבע. זאת בעוד שהן מסננות את התגובה הפלואורסצנטית האינהרנטית. הסיגנלים אז נאספים ומכומתים על ידי מיקרוסקופ אוטומטי מותאם.

בלעז המחקר לכן נקרא: 

surface enhanced Raman scattering (SERS) nanoparticles for the detection of intracellular phosphorylation events

ד”ר שחף מנבאת שניתן יהיה להדגים את הויזואליזציה הבו-זמנית של 9 עד 10 מאפיינים מסומנים על ידי ננוחלקיקיי COIN בעתיד הקרוב, והיא מקווה להעלות מספר זה לבין 20 ל-30, מספר גבוה חדש. היא מוסיפה ש”יכולת הטכנולוגיה יכולה מהר מאוד לעבור מספר זה”. יום אחד ניתן יהיה להשתמש בה ליותר מ-100 מאפיינים.

המאמר:Research Article

A Novel Method for Detection of Phosphorylation in Single Cells by Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) using Composite Organic-Inorganic Nanoparticles (COINs)

Catherine M. Shachaf1,2, Sailaja V. Elchuri1,2, Ai Leen Koh3, Jing Zhu4, Lienchi N. Nguyen4, Dennis J. Mitchell1,2, Jingwu Zhang4, Kenneth B. Swartz4, Lei Sun4, Selena Chan4, Robert Sinclair3, Garry P. Nolan1,2*

1 Department of Microbiology & Immunology, Stanford University, Stanford, California,  United States of America, 2 The Baxter Laboratory in Genetic Pharmacology, Stanford University, Stanford, California, United States of America, 3 Materials Science and Engineering, Stanford University, Stanford, California, United States of America, 4 Biomedical/Life Sciences, Digital Health Group, Intel Corporation, Santa Clara, California, United States of America

Abstract Top

Background

Detection of single cell epitopes has been a mainstay of immunophenotyping for over three decades, primarily using fluorescence techniques for quantitation. Fluorescence has broad overlapping spectra, limiting multiplexing abilities.

Methodology/Principal Findings

To expand upon current detection systems, we developed a novel method for multi-color immuno-detection in single cells using “Composite Organic-Inorganic Nanoparticles” (COINs) Raman nanoparticles. COINs are Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) nanoparticles, with unique Raman spectra. To measure Raman spectra in single cells, we constructed an automated, compact, low noise and sensitive Raman microscopy device (Integrated Raman BioAnalyzer). Using this technology, we detected proteins expressed on the surface in single cells that distinguish T-cells among human blood cells. Finally, we measured intracellular phosphorylation of Stat1 (Y701) and Stat6 (Y641), with results comparable to flow cytometry.

Conclusions/Significance

Thus we have demonstrated the practicality of applying COIN nanoparticles for measuring intracellular phosphorylation, offering new possibilities to expand on the current fluorescent technology used for immunoassays in single cells.