מחקרים

RESEARCH

מה מעניין אותך?

כל הנושאים
אמנויות
מוח
הנדסה וטכנולוגיה
חברה
מדעים מדויקים
ניהול ומשפט
סביבה
רוח
רפואה ומדעי החיים

מחקר

05.09.2021
אצות שגדלות בסמיכות לשפכי הנחלים יכולות לשמש כ"מתקן טיהור טבעי"

מחקר של אוניברסיטאות תל אביב וברקלי: חוות לגידולי אצות בשפכי נחלים מקטינות מאוד את ריכוזי החנקן ומונעות זיהום סביבתי

  • הנדסה וטכנולוגיה
  • סביבה

חנקן הוא דשן הכרחי לחקלאות יבשתית, אבל הוא בא עם תג מחיר סביבתי. ברגע שהחנקן מגיע לים הוא מתפזר אקראית ופוגע במערכות אקולוגיות שונות. כתוצאה מכך, המדינה מוציאה היום הרבה כסף על טיפול בריכוזי חנקן במים, ויש הסכמים בינלאומיים שמגבילים העמסת חנקן בימים, כולל בים תיכון.

 

מחקר חדש של אוניברסיטת תל אביב ואוניברסיטת ברקלי מציע מודל, ולפיו הקמת חוות לגידול אצות בסמיכות לשפכי הנחלים מקטינה מאוד את ריכוזי החנקן בנחל ומונעת זיהום סביבתי בנחלים ובימים. במסגרת המחקר, החוקרים בנו מודל של חוות אצות גדולה לגידול אצה חסנית ים תיכונית בסמיכות לשפך נחל אלכסנדר, מאות מטרים מהים הפתוח. נחל אלכסנדר נבחר משום שהוא מזרים חנקן מזהם מהשדות הסמוכים ומהיישובים במעלה הזרם לים התיכון. הנתונים עבור המודל נאספו במשך שנתיים מגידולים מבוקרים ומגידול במי ים.

 

המחקר נערך בהובלת הדוקטורנט מירון צולמן, בהנחיה משותפת של פרופ' אלכסנדר גולברג מבית הספר למדעי הסביבה ומדעי כדור הארץ ע"ש פורטר ושל פרופ' אלכסנדר ליברזון מבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב. המחקר נערך בשיתוף פרופ' בוריס רובינסקי מהפקולטה להנדסה מכנית באוניברסיטת ברקלי. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Communications Biology.

 

"המעבדה שלי חוקרת תהליכים בסיסיים ומפתחת טכנולוגיות עבור חקלאות ימית", מסביר פרופ' גולברג. "אנחנו מפתחים טכנולוגיות לגידול אצות בים כדי לקבע פחמן ולמצות מהן חומרים שונים כמו חלבונים ועמילנים, במטרה לייצר את התוצרת החקלאית גם בים. במחקר הראנו שאם מגדלים את האצות בהתאם למודל שפיתחנו, בסמיכות לשפי הנחלים, הן יודעות לספוג את החנקן כך שיתאים לתקנים הסביבתיים, למנוע את התפזרותו במים ובכך לנטרל את הזיהום הסביבתי. בדרך זו, אנחנו למעשה מייצרים מעין "מתקן טיהור טבעי" שיש לו גם ערך אקולוגי משמעותי וגם ערך כלכלי, שכן ניתן למכור את האצות כביומסה לשימוש האדם.

 

גם רווחיות וגם ידידותיות לסביבה

החוקרים מוסיפים כי המודל המתמטי מצליח לנבא את תפוקות החוות ולקשור את תפוקת האצות והרכבן הכימי לריכוז החנקן בנחל. "המודל שלנו מאפשר לחקלאים ימיים, וגם לגופי ממשל וסביבה, לדעת מראש מה תהיה ההשפעה ומה יהיו התוצרים של חוות אצות גדולה – לפני שמקימים את החווה בפועל", מוסיף מירון צולמן. "בזכות המתמטיקה אנחנו יודעים לעשות את ההתאמות גם לחוות גידול גדולות ולמקסם את התועלת הסביבתית, לרבות ייצור כמויות החלבון הרצויות לנו מבחינה חקלאית".

 

"צריך להבין שכל העולם הולך לכיוון האנרגיה הירוקה, ואצות ים יכול להיות מקור משמעותי", מוסיף פרופ' ליברזון, "ובכל זאת אין היום חווה אחת עם היכולת הטכנולוגית והמדעית שהוכחנו. החסמים כאן הם גם מדעיים: אנחנו לא באמת יודעים מה תהיה ההשפעה של חווה ענקית על הסביבה הימית. זה כמו לעבור מגינת ירק ליד הבית לשדות אינסופיים של גידול חקלאי תעשייתי. המודל שלנו מספק כמה מהתשובות, בתקווה לשכנע את מקבלי ההחלטות שחוות כאלה יהיו גם רווחיות וגם ידידותיות לסביבה. ואפשר גם לדמיין תרחישים עוד יותר מרחיקי לכת. למשל, אנרגיה ירוקה. אם היינו יודעים לנצל את קצבי הגידול לאנרגיה באחוזים טובים יותר, היה אפשר לצאת לשיט של שנה עם קילוגרם אצות, לא להזדקק לדלק נוסף מעבר לייצור הביומסה בסביבה ימית".

 

"החיבור המעניין שאנחנו מציעים כאן הוא גידול אצות על חשבון הטיפול בחנקן", מסכם פרופ' גולדברג. "בעצם פיתחנו כלי תכנוני לבניית חוות של אצות בשפכי נחלים, שיאפשר גם לטפל בבעיה הסביבתית וגם להפיק תועלת כלכלית. אנחנו מציעים תכנון של חוות לגידול אצות בזרימות של נחלים עם הרבה חנקן מחקלאות, כדי לשקם את הנחל ולמנוע מהחנקן להגיע לים וגם כדי לגדל את האצות עצמן למאכל. באופן הזה החקלאות הימית משלימה את החקלאות היבשתית".

 

פרופ' תמיר טולר (צילום: רפאל בן מנשה)

מחקר

01.09.2021
המנבאות השקטות

חוקרים מאוניברסיטת תל אביב הוכיחו שמוטציות "שקטות" יכולות לנבא התפתחות של תאים סרטניים

  • הנדסה וטכנולוגיה

בגנום שלנו, כמו בכל גנום של כל יצור חי אחר, ישנן מוטציות שיכולות לשנות את רצף חומצות האמינו של החלבונים שמקודדים בגנום. מאחר שהחלבונים הללו אחראים על המנגנונים השונים בתא, מוטציות כאלה מעורבות בהפיכת התא הבריא לתא סרטני. לעומתן, יש מוטציות שלא משנות את חומצות האמינו, והן נקראות 'מוטציות שקטות'. בשנים האחרונות מצטברות הראיות לכך שמוטציות כאלה, הן בתוך והן מחוץ לאזור הקידוד הגנטי בתא, יכולות להשפיע על ביטוי גנים וכי ייתכן שהן קשורות להתפתחות ולהתפשטות של תאים סרטניים. עם זאת, עד כה לא נבדק כמותית האם המוטציות הללו יכולות לתרום לזיהוי סוג הסרטן ולניבוי סיכויי השרידות של החולה. חוקרים מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן וממכון זימין למחקר הנדסי משנה עולם, הצליחו לנבא את סוג הסרטן ואת שיעור התמותה ממנו, לפי מוטציות "שקטות" בגנומים הסרטניים. מדובר בהוכחת היתכנות שתוכל להציל חיים.

 

'השקטות' מנבאות לא פחות מ'הרגילות'

המחקר, שנערך בהובלת פרופ' תמיר טולר וסטודנטית המחקר טל גוטמן, מבוסס על כשלושה מיליון מוטציות מגנומים סרטניים של 9,915 חולים. במסגרתו ניסו החוקרים לבדוק האם הם יכולים לזהות את סוג הסרטן ולהעריך את שיעור התמותה ממנו 10 שנים לאחר האבחנה הראשונית, אך ורק על סמך המוטציות השקטות. הם מצאו כי יכולת הניבוי של המוטציות השקטות דומה בהרבה מיקרים לביצועי הניבוי המקובלים של המוטציות ה"רגילות".

 

בנוסף, ניסו החוקרים להעריך האם שילוב של מידע על מוטציות שקטות ורגילות יכולות לשפר יכולת הסיווג של סוג הסרטן, ומצאו כי המידע שמתקבל ממוטציות שקטות משפר את מרווח הטעות ב-68%. בסוגים מסוימים של סרטן מדובר בשיפור של עד 17% ביכולת הסיווג, כאשר שילוב שני סוגי המוטציה יכול לשפר את הפרוגנוזה בשיעור של עד 5%. תוצאות המחקר פורץ הדרך התפרסמו לאחרונה בכתב העת NPJ Genomic Medicine.

 

שקטות, אבל עושות רעש

"במשך שנים רבות התעלמו החוקרים מהמוטציות השקטות. אנחנו ערכנו לראשונה אנליזות לכ-10,000 גנומים סרטניים מכל הסוגים, והראינו שיש למוטציות השקטות ערך דיאגנוסטי, איזה סוג סרטן זה, וגם ערך פרוגנוסטי, כמה זמן החולה ישרוד", מסביר פרופ' טולר.

 

לדבריו, החומר הגנטי בתא מחזיק בשני סוגים של מידע: רצף חומצות האמינו שמיוצר והתזמון והכמות שמיוצרת מכל חלבון, כלומר הוויסות של תהליך הייצור. "אותן מוטציות שקטות יכולות להשפיע על הוויסות של ביטוי גנים, וזאת השפעה לא פחות חשובה מסוג החלבון שמיוצר. מן הסתם, אם התא מייצר הרבה פחות מחלבון מסוים – זה גרוע כמעט כמו למחוק אותו. השפעה נוספת היא קיפול החלבון. החלבון הוא מולקולה ארוכה שכוללת בדרך כלל מאות רבות של חומצות אמינו, כאשר הקיפול התלת ממדי של המולקולה מתחיל כבר כשהן מיוצרות בריבוזום (מבנה תוך-תאי שאחראי על ייצור החלבונים בתא). קצב הייצור של החלבון על ידי הריבוזום משפיע על הקיפול, והמוטציות השקטות יכולות להשפיע על קצב הייצור של החלבון ולכן על הקיפול שלו – קיפול שהוא משמעותי לתפקוד בפועל".

 

"בנוסף, יש מקרים שבהם המוטציות השקטות משפיעות על תהליך בשם שיחבור, שבו חתיכות מהחומר הגנטי נחתכות ליצירת הרצף הסופי שממנו ייווצר החלבון. בקיצור, מסתבר שהמוטציות השקטות האלה עושות הרבה מאוד רעש, ואנחנו הצלחנו לראשונה לכמת את ההשפעה שלהן", אומר פרופ' טולר.

 

להציל כמה שיותר חיים

כדי לבחון את השערתם ולכמת את השפעת המוטציות הללו, פרופ' טולר ועמיתיו השתמשו במידע גנטי ציבורי על גנומים סרטניים מהמכונים הלאומיים לבריאות (NIH) בארה"ב. החוקרים לקחו הנתונים על הגנום הסרטני וניסו בשיטות המבוססות על למידת מכונה לנבא מה סוג הסרטן וכמה שנים חי כל חולה לפי המוטציות השקטות. לאחר מכן הם השוו את התוצאות שקיבלו לנתוני האמת מהמאגר.

 

"לתוצאות המחקר מספר השלכות חשובות", אומר פרופ' טולר. "קודם כל, שימוש במוטציות שקטות בהחלט יכול לשפר מודלים שחוזים פרוגנוזה ומשמשים לסיווג. חשוב לציין שגם לשיפור של 17% יש משמעות גדולה מאוד, מפני שמאחורי המספרים האלה עומדים בני אדם שאנחנו אוהבים, ויום אחד אולי אנחנו עצמנו, לכן כל שיפור של אחוז הוא דרמטי".

 

"רופא שמגלה גרורות רוצה לדעת מה מקור הגרורה ומה מסלול התפתחות המחלה, כדי להתאים את הטיפול הטוב ביותר. אם, למשל, במקום דיאגנוסטיקה ופרוגנוסטיקה שגויות לחמישה מבין עשרה חולי סרטן נגיע למצב שבו שוגים רק בארבעה מכל עשרה חולי סרטן, זה יכול להיתרגם בסופו של דבר למיליוני חולים, שאולי ניתן להציל את חייהם. בנוסף, התוצאות שלנו מראות שרק על סמך מוטציות שקטות ניתן במקרים רבים לקבל ביצועי ניבוי דומים להסתמכות על מוטציות שהן לא שקטות. אלו תוצאות מעודדת, מכיוון שבשנים האחרונות מפותחות טכנולוגיות שמסווגות סרטן על סמך בדיקות דם לא פולשניות יחסית, המבוססות על אנליזה של חתיכות דנ"א ממקור סרטני. מאחר שרוב הדנ"א שלנו לא מקודד לחלבון, סביר להניח שרוב החתיכות מסוג זה שנדוג יכילו מוטציות שקטות".

 

למחקר החדש השלכות לכלל תחומי המחקר והטיפול האונקולוגי, ואחרי הוכחת ההיתכנות הזאת בכוונת החוקרים להקים סטארטאפ עם חממת "סאנרה", שיתמקד במוטציות השקטות ככלי רפואי לכל דבר ועניין.

 

מחקר

19.07.2021
החומר החדשני שמגיב בכל פעם בצורה שונה לאותן הפעולות בדיוק

חוקרים מאוניברסיטת תל אביב פיתחו חומר חדשני שמגיב בשלל צורות ותבניות בכל פעם שמופעלים עליו מאמצים חיצוניים

  • הנדסה וטכנולוגיה

לרוב, נהוג לאפיין תכונות מכניות של חומר על ידי הפעלת מאמצי לחיצה ומשיכה על קצותיו. חומרים פשוטים, המוכרים לנו מחיי היומיום, נוטים להגיב באותה הצורה עבור עומס חיצוני נתון.

 

ד"ר קארל מריגן, פוסט-דוקטורנט בקבוצתו של פרופ' יאיר שוקף מבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב, מציע מטא-חומר חדשני ששובר את התבנית הזו. במחקרם, שפורסם לאחרונה בכתב העת Physical Review Research, מציעים מריגן ושוקף חומר העשוי מרכיבים בעלי תכונות מכניות שונות: שילובם לכדי סריג מחזורי מניב חומר המסוגל להראות תגובות מכניות שונות ומגוונות, בתגובה לאותו הדרבון בדיוק.

 

חומרים שזוכרים את ההיסטוריה

לדברי מריגן ושוקף, מטא-חומר זה, שדומה לקרח, "עשוי להוות צעד נוסף בדרך לפיתוח חומרים חדשניים שזוכרים את ההיסטוריה של המאמצים המחזוריים הקודמים שהופעלו עליהם".

 

מטא-חומר הוא מבנה מלאכותי שמורכב מצורה שחוזרת על עצמה, בדומה לחומר טבעי שמורכב מאטומים שמסודרים בצורה מחזורית בגביש. סידור הנדסי מסוים של תאי היחידה החוזרים על עצמם במטא-חומר מעניק לחומר תכונות ייחודיות שאינן קיימות בחומר הטבעי. רק לאחרונה גילו חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, בהם פרופ' שוקף עצמו, מטא-חומר חדש אשר שובר את מגבלות החוק השלישי של ניוטון.

 

סריגים וגבישים מחזוריים בטבע מחולקים לעצמים בסיסיים הנקראים תאי יחידה, ממש כפי שגוף האדם מחולק לתאים. לכל תא יחידה במטא-חומר זה יש שני עיוותים אפשריים הממזערים את האנרגיה המכנית. עקב כך, אזורים שונים בחומר יכולים להימצא באחד משני מצבים יציבים מכנית, בדומה לאזורים עם קיטובים הפוכים במגנט.

 

גמישות ופוטנציאל לתכנות

דפוס הדרבון בקצות החומר מביא לבחירה של מופע מכני מועדף על פני מקטע מסוים. מאחר שכל אזור יכול להימצא במופע אחר, ניתן כך לכוון את הצורה של החלוקה הפנימית למופעים. החלוקה הפנימית הזו היא שמאפשרת עושר עצום של דפוסי תגובה, והמערכת יכולה להיקלע למצבים עמידים שונים כאשר הכוח החיצוני המופעל על הקצוות משתנה בצורה מחזורית בזמן.

 

כך, למערכת גמישות רבה ופוטנציאל לתכנות: ניתן לכוון את התגובות על ידי שינוי המספר והפילוג של מקטעי הלחיצה על שפת החומר, ניתן ללחוץ על מערכות בצורות שונות ועם סימטריות שונות, וניתן ללחוץ על מקטעים שונים במופעים שונים ובעוצמות שונות.

 

"אנו מאוד שמחים ונרגשים מהתוצאות", אומר פרופ' שוקף, "ומקווים כי זו רק תחנת ביניים לקראת פריצות דרך משמעותיות עוד יותר בתחום המטא-חומרים, שהוא מדע עולה ופורח".

מחקר

06.07.2021
מגע הקסם: החיישן שמשקם את יכולת החישה

טכנולוגיה ראשונה מסוגה משחזרת את תחושת המגע בעצבים שנפגעו בעקבות קטיעה או פציעה

 

  • הנדסה וטכנולוגיה

בשנים האחרונות תחום הנוירו-תותבים מבטיח לשפר את חייהם של אלה שאיבדו את התחושה על ידי השתלת חיישנים במקום העצבים הפגועים. אלא שלטכנולוגיה הקיימת מספר חסרונות משמעותיים, כמו ייצור ושימוש מורכבים וכן צורך במקור כוח חיצוני כמו סוללה. כעת, חוקרים מאוניברסיטת תל אביב השתמשו בטכנולוגיה חדישה בשם ננו-גנרטור טריבו-אלקטרי (Nanogenerator triboelectric או TENG), כדי להנדס ולבדוק על חיות מודל חיישן זעיר שמחזיר את התחושה באמצעות זרם חשמלי, שמגיע ישירות מעצב בריא וללא צורך בהשתלה מורכבת או בהטענה.

 

הטכנולוגיה שנוסתה על חיות מודל בהצלחה רבה כוללת חיישן זעיר שמושתל בעצב של האיבר הפגוע, למשל באצבע, והוא מחובר ישירות לעצב תקין, ובכל פעם שהאיבר נוגע בחפץ אחר, החיישן מופעל ומעביר זרם חשמלי לעצב הבריא, פעולה אשר משחזרת את תחושת המגע. החוקרים מדגישים כי מדובר בטכנולוגיה "בריאה" שמותאמת לגוף האדם וניתן להשתיל אותה בכל מקום בגוף.

 

הטכנולוגיה פותחה בהובלת צוות מומחים מאוניברסיטת תל אביב: ד"ר בן מעוז, יפתח שלומי, שי דיולד וד"ר יעל ליכטמן-ברדוגו מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית, ובשיתוף קשת תדמור מבית הספר סגול למדעי המוח וד"ר עמיר ערמי מהפקולטה לרפואה ע"ש סאקלר ומהיחידה למיקרוכירורגיה במחלקה לכירורגיה של היד, המרכז הרפואי שיבא. המחקר התפרסם בכתב העת היוקרתי ACS NANO.

 

החוקרים מספרים כי הפרויקט הייחודי התחיל בפגישה בין שני חברים מאוניברסיטת תל אביב: ד"ר עמיר ערמי מהפקולטה לרפואה ומיחידת המיקרו-כירורגיה בשיבא וד"ר בן מעוז מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית ובית ספר סגול למדעי המוח. "דיברנו על האתגרים בעבודות שלנו", מספר ד"ר מעוז, "וד"ר ערמי שיתף אותי בקושי שהוא חווה בטיפול באנשים שמאבדים את יכולת החישה באיבר זה או אחר כתוצאה מפציעה. צריך להבין שמדובר בקשת רחבה מאוד של פציעות, החל מפציעות קלות – לדוגמה, מישהו חותך סלט ונחתך מהסכין – ועד לפציעות קשות מאוד. גם אם ניתן לאחות את הפצע ולתפור את העצב הפגוע, במקרים רבים התחושה נותרת פגועה. החלטנו להתמודד יחד עם האתגר הזה ולמצוא פתרון שיחזיר לפגועים את יכולת החישה".

 

החיישן פועל על כוח החיכוך

במסגרת הפיתוח הטכנולוגי החוקרים יצרו חיישן שניתן להשתיל אותו על עצב פגום מתחת לקצה של האצבע, והוא מחזיר למושתל חלק מיכולת החישה באצבע. הפיתוח הייחודי אינו מצריך שימוש במקור מתח חיצוני כגון חשמל או סוללות. החוקרים מסבירים כי החיישן פועל למעשה על כוח החיכוך: בכל פעם שהמכשיר מרגיש חיכוך, הוא נטען לבד.

 

מדובר בשני לוחות זעירים בגודל של פחות מחצי ס"מ על חצי ס"מ. כשהלוחות האלה באים במגע אחד עם השני, הם משחררים מטען חשמלי שמועבר לעצב הבריא. באופן הזה, כשהאצבע הפגועה נוגעת במשהו, הנגיעה משחררת מתח בהתאם ללחץ שהופעל על המכשיר – מתח חלש למגע חלש ומתח חזק למגע חזק – ממש כמו חישה רגילה.

 

לטענת החוקרים ניתן להשתיל את המכשיר בכל מקום בגוף שבו יש צורך בשחזור תחושה למגע, והוא עוקף למעשה את אברי החישה הפגועים. כמו כן, החומר שממנו עשוי המכשיר הוא ידידותי לגוף האדם, הוא לא דורש תחזוקה, ההשתלה פשוטה והמכשיר עצמו אינו נראה מבחוץ.

 

לדבריו של ד"ר מעוז, לאחר שבדקו את החיישן החדש במעבדה (יותר מחצי מיליון הקשות אצבע עם המכשיר), החוקרים השתילו אותו בכפות רגליהם של חיות מודל. החיות הלכו כרגיל, מבלי לחוות כל פגיעה בעצבים המוטוריים, ובבדיקות הוכח כי החיישן איפשר להן להגיב לגירויים סנסוריים. "בדקנו את הפיתוח שלנו על חיות מודל, והתוצאות היו מעודדות מאוד", מסכם ד"ר מעוז. "בשלב הבא נרצה לבחון את המשתל על מודלים גדולים יותר, ובהמשך – להשתיל את החיישנים שלנו גם באצבעותיהם של בני אדם שאיבדו את יכולת החישה. היכולת הזו עשויה לשפר באופן משמעותי את התפקוד ואת איכות החיים, וחשוב מכך: להגן עלינו מפני סכנה. אנשים שלא יכולים להרגיש מגע גם לא יכולים להרגיש שהאצבע שלהם נמחצת, נשרפת או קופאת".

 

 

מחקר

30.06.2021
זרם חשמלי "בריא" בתוך גוף האדם

חוקרים באוניברסיטת תל אביב פיתחו חומר חדשני שמייצר אנרגיה ירוקה באמצעות הפעלת כוח מכני

 

  • הנדסה וטכנולוגיה
  • רפואה ומדעי החיים

פיתוח ננוטכנולוגי חדש של צוות מחקר בינלאומי בהובלת חוקרים מאוניברסיטת תל אביב יאפשר לייצר זרם ומתח חשמליים בתוך גוף האדם, באמצעות הפעלת איברים שונים בגוף (כוח מכני). לטענת החוקרים, הפיתוח מכיל חומר ביולוגי חדשני חזק מאוד, דמוי-קולגן, שאינו רעיל וידידותי לרקמות הגוף. החוקרים מעריכים שיש לננוטכנולוגיה החדשה יישומים פוטנציאליים רבים בתחום הרפואה, ביניהם קצירת אנרגיה נקיה להפעלת התקנים שהושתלו בגוף (דוגמת קוצבי לב) באמצעות תנועות טבעיות של הגוף וללא צורך בסוללות.

 

"קולגן הוא החלבון הנפוץ ביותר בגוף האדם, ומהווה כ-30% מכלל החלבונים בגופנו. מדובר בחומר ביולוגי בעל מבנה סלילי, עם מגוון תכונות פיזיקליות חשובות, כמו חוזק מכני וגמישות, שיכולות להתאים לשימושים רבים," מסביר פרופ' אהוד גזית. "עם זאת, מכיוון שמולקולת הקולגן עצמה היא גדולה ומורכבת, מחפשים החוקרים כבר זמן רב מולקולה מינימליסטית, קצרה ופשוטה המתבססת על קולגן ומציגה תכונות דומות."

 

"לפני כשנה וחצי פרסמה קבוצתנו בכתב העת Nature Materials מחקר שבו נעזרנו באמצעים ננוטכנולוגיים כדי להנדס  חומר ביולוגי חדש שעונה על דרישות אלה. מדובר בטריפפטיד - מולקולה קצרה ביותר בשם Hyp-Phe-Phe, המורכבת משלוש חומצות אמינו בלבד - שמסוגל בתהליך פשוט של הרכבה עצמית ליצור מבנה סלילי דמוי קולגן, גמיש ובעל חוזק דומה לזה של המתכת טיטניום. במחקר הנוכחי ביקשנו לבחון אם לחומר החדש שפיתחנו יש תכונה נוספת המאפיינת את הקולגן – פייזואלקטריות: יכולתו של חומר לייצר זרם ומתח חשמליים בעקבות הפעלת כוח מכני, או להפך, ליצור כוח מכני בעקבות חשיפה לשדה חשמלי."

 

המחקר נערך בהובלת פרופ' גזית מבית הספר למחקר ביו-רפואי וסרטן ע"ש שמוניס בפקולטה למדעי החיים ומהמחלקה למדע והנדסה של חומרים בפקולטה להנדסה, ובהשתתפות צוות החוקרים ממעבדתו - ד"ר סנטו ברה וד"ר וויי ג'י. כמו כן, במחקר השתתפו חוקרים ממכון וייצמן וממגוון מוסדות מחקר באירלנד, בסין ובאוסטרליה. בעקבות הממצאים קיבלו החוקרים לאחרונה שני מענקי ERC-POC שמטרתם לתרגם את המחקר המדעי של מענק ה ERC שגזית זכה בו בעבר לטכנולוגיה יישומית. המאמר פורסם בכתב העת היוקרתי Nature Communications.

 

במסגרת המחקר, החוקרים יצרו מבנים ננומטריים של החומר המהונדס, ובעזרת מכשור ננוטכנולוגי מתקדם הפעילו עליהם לחץ מכני. הניסוי העלה כי החומר אכן מייצר זרם ומתח חשמליים כתוצאה מהלחץ. יתרה מכך, מבנים זעירים בסדר גודל של מאות ננומטרים הראו פייזואלקטריות שהיא מהגבוהות שהתגלו אי-פעם, המשתווה או עולה על זו של החומרים הפייזואלקטריים הנפוצים היום בשוק (שרובם מכילים עופרת ולכן אינם מתאימים ליישומים רפואיים).  

 

מנוע זעיר וידידותי

לדברי החוקרים, לתגלית של פייזואלקטריות בסדר גודל כזה בחומר ננומטרי יש חשיבות רבה, שכן היא מדגימה את היכולת של החומר המהונדס לשמש כמעין מנוע זעיר עבור התקנים קטנים מאוד. בהמשך יישמו החוקרים שיטות של קריסטלוגרפיה וחישוביות במכניקת הקוונטים (Density functional theory) בכדי להבין לעומק את ההתנהגות הפייזואלקטרית של החומר, במטרה לאפשר הנדוס מדויק של גבישים לבניית התקנים ביו-רפואיים.

 

פרופ' גזית מוסיף: "רוב החומרים הפייזואלקטריים המוכרים היום הם חומרים רעילים מבוססי עופרת, או פולימרים, כלומר הם אינם ידידותיים לסביבה ולגוף האדם. החומר שהחדש שלנו, לעומת זאת, הוא ביולוגי לחלוטין, ולכן מתאים לשימושים בתוך הגוף. כך לדוגמה, התקן העשוי מחומר זה עשוי להחליף סוללה שמספקת אנרגיה לשתלים כמו קוצבי לב, אך יש להחליפה מעת לעת. תנועות הגוף – פעימות הלב, תנועות הלסת, תנועות המעיים או כל תנועה אחרת המתרחשת בגוף באופן שוטף – יטענו את ההתקן בחשמל, שיפעיל את השתל לאורך זמן."

 

כעת, במסגרת מחקרי המשך, מבקשים החוקרים להבין את המנגנונים המולקולריים של החומר המהונדס, במטרה לממש את הפוטנציאל העצום הטמון בו, ולהפוך את התגלית המדעית לטכנולוגיה יישומית. בשלב זה הדגש הוא על פיתוח התקנים רפואיים, אך פרופ' גזית מדגיש כי "לחומרים פייזואלקטריים ידידותיים לסביבה, כמו זה שפיתחנו, יש פוטנציאל אדיר במגוון רחב של תחומים - מכיוון שהם מייצרים אנרגיה ירוקה באמצעות כוח מכני המופעל ממילא. כך לדוגמא, מכונית שנוסעת בכביש תוכל להדליק את תאורת הרחוב. כמו כן עשויים חומרים אלה להחליף חומרים פייזואלקטריים מכילי-עופרת שנמצאים כיום בשימוש נרחב, אך מעלים חשש לדליפה של המתכת הרעילה לסביבה."

 

מחקר

09.05.2021
משנה מקום משנה צורה

אוניברסיטת תל אביב שיגרה לחלל "חומר חכם" - פולימר מקופל שנפרס לצורתו המקורית בחימום, והוא יקיף את כדור הארץ במסלול

  • הנדסה וטכנולוגיה
  • מדעים מדויקים

הלוויין TAUSAT-1 של אוניברסיטת תל אביב והמרכז למחקר גרעיני (ממ"ג) שורק, ששוגר לאחרונה לחלל, ממשיך לעשות היסטוריה: ב-9 באפריל, בשעה שבע בערב (שעון ישראל), ניתן האות ממרכז הבקרה באוניברסיטת תל אביב, וחומר חכם בעל זיכרון צורני (shape memory polymer, או SMP), שינה את צורתו ונפרס במסלול סביב כדור הארץ. זאת הפעם הראשונה שחומר חכם משוגר מישראל לחלל. מנגנון הפריסה שפותח יוכל לחסוך בעתיד את הצורך לשגר מנגנונים כבדי משקל, ולשמש לפריסת רכיבים שונים כמו לוחות סולאריים ואנטנות.

 

נכנס למסלול

"מדובר באקטואטור - רכיב שאחראי להנעת חלקים ומערכות - על בסיס פולימר משנה צורה", אומר פרופ' נעם אליעז מהמחלקה למדע והנדסה של חומרים בפקולטה להנדסה ע"ש אידי ואלדר פליישמן. האקטואטור פותח במסגרת עבודת המאסטר של דבי מרגוי ובהנחיה משותפת של פרופ' אליעז וד"ר רונן ורקר מממ"ג שורק. הפולימר החכם הוא ניסוי אחד מבין חמישה שעורך TAUSAT-1 במעבדה מוטסת זעירה, בגודל של 10×10×10 ס"מ, שפותחה על ידי מחלקת סביבת חלל בממ"ג.

 

"היו עוד ננו-לוויינים ששוגרו מישראל, חלקם הצליחו וחלקם לא, אבל זאת הפעם הראשונה שמשוגר מישראל לוויין עם מנגנון פריסה של פולימר משנה צורה. הפולימרים האלה הם חומרים חכמים שיכולים לחזור לצורתם המקורית עקב גירוי חיצוני כמו אור, חום, שדה חשמלי או שדה מגנטי", אומר פרופ' אליעז.

 

"חומרים חכמים הם פתרון עתידני ויצירתי לצורך שיגור מנגנוני פריסה מתכתיים כבדי משקל", מוסיף ד"ר רונן ורקר. "חומרים חכמים מאפשרים לנו לשלוט בתהליך הפריסה ללא מגע פיזי וללא קשר עין עם מרכז הבקרה, ולחסוך דרמטית במסה ובנפח של המטען המשוגר לחלל. האקטואטור שפיתחנו נפרס בתגובה לחום. בנוסף, זווית הכיפוף של האקטואטור גם משנה את ההתנגדות החשמלית שלו, ובאמצעות מדידת ההתנגדות החשמלית אפשר לקבל אינדיקציה לכך שהוא אכן נפרס בהצלחה".

 

מעבדה מוטסת

המעבדה המוטסת של TAUSAT-1 מכילה שורה של ניסויים מדעיים נוספים, שנועדו לחקור את סביבת החלל במטרה למצוא פתרונות טובים יותר לשיגור ולתפעול של לוויינים וחלליות בסביבה זו, בהם גם מדידת קרינה מייננת מצטברת באמצעות גלאי טרנזיסטור בעל שכבת תחמוצת עבה, ההופכת אותו לרגיש מאוד לקרינה מצטברת. מערכת הניסוי מודדת את השתנות ערכי מתח הסף להפעלת הטרנזיסטור באופן רציף ולאורך זמן, וכך מאפשרת מדידה גם של מנות קרינה נמוכות במיוחד.

 

הננו לוויין אופיין, פותח, הורכב ונבדק במסגרת המרכז לננו-לוויינים בקמפוס, שיתוף פעולה ייחודי בין הפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן ובית הספר פורטר לסביבה ומדעי כדור הארץ, בפקולטה למדעים מדויקים לבין המרכז למחקר גרעיני - שורק.

מחקר

25.04.2021
ננו-חומר חדשני יאפשר הפקה נקייה של דלק מימן לכלי רכב – הדלק הנקי ביותר בעולם

לראשונה: הידרוג'ל ביולוגי פשוט, זול ורב-שימושי מגן על חומרים רגישים מפני החמצן באוויר

  • הנדסה וטכנולוגיה
  • רפואה ומדעי החיים

"גז מימן המופק באמצעות מקורות אנרגיה מתחדשים כמו השמש, נחשב לדלק הנקי ביותר שקיים: צריכתו מייצרת אך ורק אדי מים נקיים, ללא כל פליטות מזהמות," מסביר פרופ' יעקובי. "כבר היום נוסעים בכבישי ארה"ב ואירופה מכוניות ואופניים חשמליים המתודלקים במימן, עם טווח נסיעה של עד 500 ק"מ למיכל. השנה צפויה גם ישראל להצטרף לקהל המשתמשים, עם הקמת התחנות הראשונות בארץ לתדלוק במימן. עם זאת, כיום מיוצר המימן עצמו בתהליכים שצורכים אנרגיה רבה ופולטים לאוויר כמות גדולה של חומרים מזהמים."

 

"מנגד, אנו מכירים תהליכים ביולוגיים נקיים ויעילים לייצור מימן - על ידי פירוק מים (H2O) בעזרת אנזים הקרוי 'הידרוגנאז'; אך השימוש בהידרוגנאז לצורך זה מוגבל מאוד לעת עתה, מכיוון שהוא מנוטרל מיד בנוכחות החמצן המצוי באוויר. במחקר שלנו חיפשנו דרך פשוטה ליצור עבור האנזים הידרוגנאז סביבה מוגנת נטולת חמצן, שבה יוכל לפעול ביעילות ולאפשר ייצור מימן בתהליך נקי."

 

החוקרים מצאו כי חומר ביולוגי רב-שימושי וקל לייצור – די-פפטיד המורכב מרצף קצר של חומצות אמינו, ומסוגל ליצור הידרוג'ל, המגן על חומרים רגישים מפני מגע עם החמצן באוויר שגורם לנזקים רבים. באופן ספציפי נותן המחקר מענה לאתגר המעסיק חוקרים בכל העולם: הגנה על האנזים הידרוגנאז המאפשר הפקה נקייה של דלק מימן, אך מנוטרל מיד בחשיפה לאוויר, ולכן השימוש בו מוגבל ביותר.

 

המחקר הובל על ידי פרופ' יפתח יעקובי מבית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון בפקולטה למדעי החיים ופרופ' ליהי אדלר-אברמוביץ מבית הספר לרפואת שיניים בפקולטה לרפואה ומהמרכז לננו-מדע ולננוטכנולוגיה, ובוצע על ידי תלמידי המחקר ד"ר אורן בן-צבי, יצחק גרינברג וחוקרים נוספים מאוניברסיטת טקסס A&M וממכון מיגל למחקר מדעי בגליל. המאמר התפרסם בכתב העת היוקרתי ACS Nano. המחקר בוצע בתמיכת האקדמיה הלאומית למדע ומשרד האנרגיה.

 

הגנה מפני מגע ישיר עם החמצן

החוקרים בחרו להתמקד בחומר ביולוגי מוכר, פשוט ורב-שימושי – די-פפטיד,  כלומר חומר המורכב משתי חומצות אמינו, ששמו Fluorenylmethyloxycarbonyl-diphenylalanine, אשר ידוע כאבן בניין לננו-סיבים המרכיבים הידרוג'ל – ג'ל מבוסס-מים. במעבדתה של פרופ' ליהי אדלר-אברמוביץ, העוסקת בפיתוח ננו-חומרים, הוכנס האנזים הידרוגנאז לתוך תמיסה המכילה את אבני הבניין של ההידרוג'ל. אבני הבניין הסתדרו מעצמן בתהליך מהיר של הרכבה עצמית ובנו הידרוג'ל, שבו שזור האנזים הידרוגנז. תכונותיו של ההידרוג'ל החדש נבחנו במעבדה ובאמצעות סימולציה ממוחשבת.

 

"כשחושפים תמיסת הידרוגנאז לאוויר, החמצן מנטרל אותו תוך שניות בודדות. התהליך שביצענו במעבדה ארז למעשה את ההידרוגנאז בהידרוג'ל שכלא את מולקולות החמצן בתוכו," מסבירה פרופ׳ אדלר-אברמוביץ. "כך הגן ההידרוג'ל על ההידרוגנאז מפני מגע ישיר עם החמצן, והאנזים לא נוטרל מיד, אלא שרד במים במשך שעות. זו הפעם הראשונה שמתגלה חומר ביולוגי כה פשוט וקל לייצור שמסוגל להגן על חומרים רגישים מפני תהליכי חמצון."

 

"האפשרות להגן על האנזים הידרוגנאז מפני החמצן שבאוויר ובמים פותחת פתח לשימוש נרחב בהידרוגנאז להפקת דלק מימן – דבר שעשוי להגדיל משמעותית את תפוצת כלי הרכב המונעים במימן – הדלק הנקי ביותר בעולם. בנוסף, המנגנון והכלים שהתגלו במחקר עשויים לתמוך ביישומים רבים נוספים, בהם נדרשת הגנה על חומרים רגישים לחמצן, כגון: הגנה על מצננים במכוניות מפני חלודה, שינוע חמצן, אריזות מזון המשמרות טריות ועוד, "מסכם פרופ' יעקובי.

מחקר

16.02.2021
חרדים שגרים בשכונות מעורבות נדבקים פחות בקורונה

שעורי התחלואה בקורונה בקרב חרדים הגרים בשכונות מעורבות נמוך משמעותית מחרדים הגרים בשכונות חרדיות

  • הנדסה וטכנולוגיה

מחקר ראשון מסוגו של חוקרים וחוקרות מאוניברסיטת תל אביב מצא הבדלים משמעותיים בשיעורי ההדבקה בקורונה בין חרדים הגרים בשכונות שבהן כל התושבים חרדים לבין שכונות מעורבות שבהן שיעור גבוה של חרדים. לטענת החוקרים, ממצאי המחקר עולה קשר מובהק בין ההיבדלות של הקהילה החרדית לבין שיעורי תחלואה גבוהים. עוד הם מצאו כי אין קשר לצפיפות, לשיעורי ילודה גבוהים ולמעמד סוציו אקונומי.

 

"מובהקות סטטיסטית בין אורח החיים החרדי למקרי ההדבקה"

את המחקר ערכו ד"ר רוית חננאל, ד"ר נחומי יפה וד"ר רם פישמן מהפקולטה למדעי החברה ע"ש גרשון גורדון. הם רצו לבדוק אם ההומוגניות החרדית של השכונה משפיעה על הסיכוי להידבק בקורונה. תוצאות המחקר, הנמצאות בימים אלה תחת שיפוט, יוצגו בכנס ה-52 של האגודה הסוציולוגית הישראלית שייערך במכללת ספיר.

 

"רצינו לבדוק האם לחרדים שגרים בשכונות לא-חרדיות יש אותו סיכוי להידבק בקורונה כמו לחרדים שגרים בשכונות חרדיות לגמרי, ומצאנו מובהקות סטטיסטית בין אורח החיים החרדי למקרי ההדבקה", מסבירה ד"ר חננאל. "צריך להבין שהקשר כאן הוא לא לינארי, דהיינו יותר חרדים שווה ליותר נדבקים, אלא שהקהילה החרדית משחקת תפקיד שלילי במגפה: לחרדי שגר בשכונה הטרוגנית יש סיכוי נמוך יותר להידבק בקורונה מאשר לחרדי שגר בשכונה חרדית הומוגנית".

 

הומוגניות חרדית והדבקה בקורונה

שכונות כמעט ללא חרדים

 

שכונות עם מעט חרדים

שכונות שכמחציתן חרדיות

שכונות עם שיעור גבוה של חרדים

שכונות חרדיות

אוכלוסייה (מכלל ישראל)

 

74.17%

12.48%

3.17%

1.77%

8.41%

מקרי קורונה

(מכלל ישראל)

38.16%

9.31%

3.93%

4.87%

43.73%

 

 

המחקר נערך במאי 2020, עם היציאה מהסגר הראשון בישראל, וסקר את כל השכונות בישראל, כ-9.2 מיליון אזרחים בכ-2,400 שכונות. החוקרים חילקו את השכונות לחמש קטגוריות, לפי מידת ההטרוגניות או ההומוגניות של האוכלוסייה החרדית, הדתית-לאומית והערבית, אבל רק באוכלוסייה החרדית נמצא מתאם בין הדבקה בקורונה להומוגניות של השכונה.

 

שכנות טובה

על פי החוקרים, לרוב אין הבדלים מבחינת אורח החיים, ההשכלה והמעמד הסוציו-אקונומי בין חרדים בשכונות הומוגניות וחרדים בשכונות מעורבות. "לצורך המחקר נעזרנו בשני מאגרי נתונים ייחודיים: נתוני ההדבקה של משרד הבריאות ומאגר הנתונים של חברת פוינט מיפוי עסקי בע"מ, שמתמחה במיפוי ואיסוף נתונים מדויקים על השכונות בישראל, לצורך פתיחה של מיזמים עסקיים", מסבירה ד"ר חננאל. "התוצאה ברורה: חרדים שגרים בשכונות מעורבות ומקיימים אורח חיים חרדי לחלוטין, נדבקים פחות מאשר חרדים שגרים בשכונות חרדיות".

 

ד"ר חננאל מציינת שכמובן שישנם משתנים רבים המשפיעים על סיכויי ההידבקות בקורונה, כגון מעמד סוציואקונומי, מספר הנפשות למשפחה, צפיפות הבנייה, רמת החשיפה לטכנולוגיה ועוד, אלא שאין בכך כדי להסביר את הפערים הגדולים בשיעורי ההדבקה בין חרדים בשכונות חרדיות לחרדים בשכונות מעורבות.

 

"בתקשורת מדברים על 'החרדים', אבל אנחנו מראים שלא כל החרדים נדבקים בקורונה בשיעור דומה", אומרת ד"ר חננאל. "משהו באורח החיים החרדי במסגרת של קהילה חרדית סגורה, הוא שמעלה את הסיכוי להידבק בנגיף. בימים אלה מתנהל דיון ציבורי בשאלה האם לבנות שכונות חרדיות הומוגניות, או לשכן חרדים במסגרת שכונות קיימות, וכאן אנחנו רואים בבירור שמידת ההומוגניות של הקהילה החרדית משפיעה לרעה על החוסן הבריאותי שלה".

מחקר

09.02.2021
גילאי 40-20 בסגר: ישנים יותר, צועדים פחות ומאושרים הרבה פחות

שעונים חכמים עקבו אחר השינויים באיכות החיים במהלך הסגר

  • הנדסה וטכנולוגיה

במחקר ראשון מסוגו, חוקרים מאוניברסיטת תל אביב והמכללה האקדמית תל אביב-יפו עקבו באמצעות שעונים חכמים ואפליקציה ייעודית אחר 169 נבדקים לפני ובמהלך סגר הקורונה השני בישראל (אוקטובר 2020). השעונים החכמים והאפליקציה הייעודית סיפקו לחוקרים מדי יום נתונים מדויקים המעידים על איכות החיים של הנבדקים כגון מצב הרוח, מתח, משך ואיכות השינה, קצב לב במנוחה, מפגשים עם אנשים אחרים ופעילות גופנית. הנתונים מפתיעים מאוד: "צעירים בגילאי 20 עד 40 נפגעו קשה יותר ממבוגרים בגילאי 60 ומעלה, ונשים נפגעו קשה יותר מאשר גברים".

 

מנתוני המחקר עולה כי במהלך הסגר הנבדקים ככלל ישנו יותר (מ-06:01 שעות שינה לפני הסגר ל-06:08 במהלכו), נפגשו פחות פנים אל פנים עם אנשים אחרים (מ-11.5 מפגשים יומיים לפני הסגר ל-7.8 במהלכו), ביצעו פחות פעילות גופנית (מ-30 דקות לפני הסגר ל-27 במהלכו), צעדו פחות (מ-8,453 צעדים ביום לפני הסגר ל-7,710 במהלכו), היו פחות מאושרים (בסקאלה של מינוס 2 עד 2, מ-0.87 לפני הסגר ל-0.76 במהלכו) וקצב הלב שלהם במנוחה ירד (מ-62.6 פעימות לדקה לפני הסגר ל-62.1 במהלכו).

 

בקרב הצעירים, נרשמה ירידה חדה במספר הצעדים היומי: מ-9,500 צעדים לפני הסגר ל-8,200 צעדים בלבד במהלך הסגר. לשם השוואה, בקרב גילאי 60 ומעלה, ממוצע הצעדים היומי ירד במהלך הסגר מ-7,500 צעדים ביום ל-7,200 צעדים.

                              

הסגר גם הביא לפגיעה קשה במצב רוחם של הצעירים. בסקאלה של מינוס 2 עד 2, נתוני הצעירים הצביעו על ירידה מ-0.89 לפני הסגר ל-0.72 במהלך הסגר בעוד שנתוני המבוגרים דיווחו על ירידה קלה בלבד מ-0.85 לפני הסגר ל-0.8 במהלכו.

 

ממצא מעניין נוסף הוא שהנהנים העיקריים מהעלייה בשעות השינה היו מבוגרים 'טיפוסי ערב', שעבורם הנתונים מצביעים על עלייה של 10 דקות בממוצע מ-6:48 שעות שינה לפני הסגר ל-6:58 במהלכו, וצעירים 'טיפוסי בוקר', שעבורם הנתונים מצביעים על עלייה של 18 דקות בממוצע, מ-7:06 שעות שינה לפני הסגר ל-7:24 במהלכו. הסבר אפשרי לתופעה זו הוא שהצעירים בדרך כלל עובדים או לומדים ויש להם ילדים קטנים, ולכן טיפוסי הערב בקבוצה זו לרוב סובלים מתופעה הקרויה ג'ט לג חברתי. לוח הזמנים הגמיש יותר של הסגר אפשר לאנשים אלה, שקודם לכן היו צריכים להתעורר "בכוח", להתעורר בשעה טבעית יותר להם – וכתוצאה מכך, לדווח על מצב רוח טוב יותר במהלך הסגר.

 

מפלס הלחץ אצל הנשים עלה

מניתוח הנתונים בפילוח מגדרי עולה כי למרבה ההפתעה, רמת הלחץ דווקא ירדה בקרב הגברים – ממינוס 0.79 לפני הסגר למינוס 0.88 במהלכו. באותו הזמן, נתוני הנשים העידו דווקא על התגברות תחושת הלחץ: ממינוס 0.62 למינוס 0.52. לתופעה זו מספר הסברים אפשריים. ראשית, על פי נתוני משרד הכלכלה, יותר נשים איבדו את מקום עבודתם (פוטרו או הוצאו לחל"ת) לעומת גברים. שנית, מערכות החינוך בישראל היו סגורות במהלך הסגר והורים לילדים צעירים נאלצו להישאר בבית עם ילדיהם. בפרט, על פי מחקרים שהתבצעו בגרמניה, גברים היו מודאגים יותר לגבי פרנסת המשפחה בעוד שנשים היו מודאגות יותר לגבי טיפול בילדים. הסבר אפשרי נוסף הוא אלימות במשפחה כנגד נשים, שעל פי נתוני משטרת ישראל עלתה משמעותית במהלך הסגרים.

 

יתרה מכך, הסגר היה "אפקטיבי" יותר במניעת מפגשים פנים אל פנים בקרב נשים. שעה שמספר מפגשים אלו ירד אצל גברים מ-11 מפגשים ביום לפני הסגר ל-9 במהלכו, הנשים דיווחו על ירידה תלולה מ-12 מפגשים יומיים בממוצע ל-7 מפגשים בלבד. פגישות פנים אל פנים, ואפילו פגישות מקריות עם שכן בחדר המדרגות או עם נהג תחבורה ציבורית, ידועות בהקשר של שיפור מצב הרוח ובהפחתת דיכאון וחרדה. "הנשים בסגר היו מבודדות ולחוצות יותר מהגברים, ובכלל רווחתן ובריאותן הנפשית נפגעו משמעותית יותר מזו של הגברים", מוסיף ד"ר שמואלי.

 

"משבר הקורונה הפנה משאבים רבים לשלומם ולרווחתם של המבוגרים, ובצדק – שכן הם חשופים יותר מהצעירים לסיבוכים הבריאותיים של המחלה עצמה", אומר ד"ר שמואלי. "אבל המחקר שלנו מראה שיש לתת דגש גם לבריאותם הנפשית של הצעירים – ששילמו מחירים כבדים יותר על צעדים כמו ריחוק חברתי וסגר".

 

המחקר נערך על ידי צוות מומחים מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן באוניברסיטת תל אביב בהובלת ד"ר ארז שמואלי, ד"ר דן ימין, שי עובד ומירב מופז, ובשיתוף ד"ר ענת לן ופרופ' חיים עינת מהמכללה האקדמית תל אביב-יפו ופרופ' נגה קרונפלד שור מבית הספר לזואולוגיה ובית הספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל אביב. המחקר טרם עבר ביקורת עמיתים, והוא פורסם כ-Preprint ב-Research Square.
 

 

מחקר

13.01.2021
רובוט, תקשיב טוב

חוקרים הצליחו ליצור רובוט, ששומע באמצעות אוזן ביולוגית

  • מוח
  • הנדסה וטכנולוגיה
  • רפואה ומדעי החיים

מה קורה כשזואולוגים ומהנדס שבבים נפגשים בבית קפה בקמפוס? לא, לא מדובר בבדיחה, אלא בפרויקט חוצה פקולטות ובתי ספר, שהוליד רובוט עם אוזן אמתית על שבב, ששומע ומגיב לקולות. בתעשייה הביטחונית כבר מביעים עניין, והחוקרים מבטיחים שמכאן השמיים הם הגבול.

 

למה דווקא חגב?

פרופ' יוסי יובל, מבית הספר לזואולוגיה, ,ממוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט מבית הספר להנדסה מכנית בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן וראש בית ספר סגול למדעי המוח, פרופ' אמיר אילי, גם הוא מבית הספר לזואולוגיה ומבית הספר סגול למדעי המוח, וד"ר בן מעוז מהפקולטה להנדסה ומבית הספר סגול למדעי המוח, רצו לדעת האם זה אפשרי לבנות מערכת ביו-היברידית, שתשלב מערכת ביולוגית בתוך רובוט. מי שהרימה את הכפפה היא עידן פישל, שעשתה תואר שני בהנחיית שלושת החוקרים והביאה את הפרויקט למאמר מדעי, שפורסם לאחרונה בעיתון Sensors.

 

לניסוי המהפכני בחרו החוקרים באוזן של חגב, חרק בעל אברי קול ושמע מפותחים. "רצינו להראות שאנחנו יכולים לעשות אינטגרציה בין מערכת ביולוגית ואלקטרונית, ובחוש השמיעה יש סנסורים חשמליים שמתאימים למשימה", מסביר ד"ר מעוז. "לחרקים יש מערכות שמיעה שהן פשוטות מבנית, אך עושות עיבוד נתונים מורכב. יחד עם זה, המערכת אדפטיבית, היא קלת משקל וקטנה בממדים שלה, וקלה יותר לשימוש מאשר אוזן של יונק למשל", מוסיפה עידן פישל, שהובילה את המחקר.

 

במחקר, שארך כשנתיים, לקחו חלק גם נטע שביל - דוקטורנית בהנחיה משותפת של השלושה, ד"ר אנטון שיינין ויוני עמית.

 

אוזן קשבת

החוקרים בודדו אוזן של חגב. אחרי שהוכיחו שהמערכת ממשיכה לעבוד באופן תקין, בנו פלטפורמת אוזן-על-שבב, שבעזרתה אפשר לקלוט את האותות שמגיעים לאוזן ולערוך הקלטה אלקטרו-פיזיולוגית של פעילותה, וחיברו אותה לרובוט. התוצאה: כשמשמיעים צליל, האוזן הביולוגית שומעת, ממש כפי שקורה בגוף האדם. האות הקולי הופך לאות חשמלי ומגיע לרובוט, שיודע להגיב בהתאם.

 

"גלי הקול גורמים לתזוזה של עור התוף של החגב, שמפעיל את המכנו-רצפטורים של אוזן החגב, בדומה לשערות האוזן שקיימות אצלנו. הן יודעות להמיר את הוויברציה המכנית לאות חשמלי, שיוצא דרך עצב השמיעה, מגיע אל המוח ומעביר את המידע", מסבירה עידן. "אחרי שהוכחנו שהמערכת ממשיכה לעבוד באופן תקין, שמנו אותה על שבב ומיקמנו אותה על הרובוט".

 

את השבב שתומך באוזן, בנה צוות החוקרים בעזרת תוכנה ומדפסת תלת ממד. "הייתי צריכה לתכנן שבב שיהיה מודולרי, כדי שאפשר יהיה לשים אותו על הרובוט, שהוא יוכל לחוש את הפעילות החשמלית של מערכת השמיעה, ושמבחינה פיזיולוגית ומבחינה מבנית הוא יתאים למערכת השמיעה של החגב. כלומר, שהוא יאפשר מצד אחד סביבה מימית, אך מצד שני יאפשר כניסה של אוויר ושל גלי הקול, בדומה לאיך שהדבר קורה אצל בעל החיים", מפרטת עידן את תהליך המחקר.

 

את הרובוט, תכנן ובנה יוני עמית, יחד עם עזרתו של ד"ר אנטון שיינין. הרובוט תוכנן כך שיהיה מודולרי ויוכל בקלות להיות מתוכנת להגיב לצלילים שונים.

 

מכינה מקום לאוזן על השבב. עידן פישל

 

רובוט ביו-היברידי בהאזנה

"האתגר העיקרי היה להפוך את המערכת הקיימת לדבר מודולרי. הפלטפורמה קטנה מאוד, והרעיון הוא שאפשר יהיה להרכיב אותה על משהו בגודל של טלפון סלולרי", מסכימים ד"ר מעוז, פרופ' יובל ופרופ' אילי. "כמו כן, שילוב הכוחות ביננו הוביל לגישור על 'פערי שפה' שקיימים בין תחומי המחקר שלנו ואיתגר את הסטודנטים והסטודנטיות, שהסכימו להשתתף במחקר ולהיות פתוחים לשגעונות חדשים", מוסיף פרופ' אילי בחיוך.

 

"חשוב לזכור שהאתגר הוא אדיר. לכן כשהחלטנו להתחיל בחרנו ללכת על משהו שקל להשוות אותו למערכות קיימות, כמו למשל מיקרופון או רמקול, אבל אנחנו בטוחים שניתן לקחת את הפרויקט למקומות נוספים, כמו למשל איברי שמיעה של חרקים נוספים, ריח, ראייה – חושים אחרים ששם לחרקים יש יתרונות אדירים," אומר ד"ר מעוז.

 

היות והתחום ההיברידי נושא הבטחה גדולה, גופים רבים מתעניינים במחקר. "השלב הבא יכלול שילוב של machine learning, גם בצד שקורא את הסנסור הביולוגי וגם בצד שמפעיל את המנועים. כלומר, נחקה את הטבע גם באלגוריתמיקה," מגלה פרופ' יובל. "בעתיד, רובוט כזה יוכל לגלות חומרי נפץ או אנשים שאבדו. אולי יהיו נחילים של רובוטים, שידברו ביניהם וכל אחד מהם יהיה מצויד בחיישנים, כיד הדמיון הטובה", אומר פרופ' אילי.

 

"בנינו מערכת שהיא ביו-היברידית: יש בה גם רכיבים ביולוגיים וגם רכיבים חשמליים. כשהקונספט הזה של שילוב עובד – אין סוף לאפשרויות. ניתן יהיה לעשות אפליקציות עתידניות, כמו לדוגמא לחבר שתי אוזניים לצ'יפ לצורך איכון, נוכל ליצור רובוטים שמשלבים מספר חושים, לדוגמא מערכת שמיעה וראייה על גבי אותו הרובוט. יכול מאוד להיות שאפילו השמיים הם לא הגבול", מסכמת עידן.

 

 

מחיאות כפיים! הוא שומע! הרובוט הביו-היברידי מגיב לקול

פרופ' תמיר טולר וד"ר אייל אפרגן

מחקר

04.01.2021
חלב פרה – הדור הבא

חוקרים מעריכים: ניתן לייצר חלב משמרים, שהוא זהה בטעם ובצבע לחלב פרה

 

  • הנדסה וטכנולוגיה

האם פיתוח טכנולוגי חדש של חוקרי אוניברסיטת תל אביב צפוי לשנות בקרוב את האופן שבו אנו צורכים מוצרי חלב? יוזמי הפיתוח מעריכים שבעתיד הלא רחוק, נוכל לקנות בסופר מוצרי חלב שיהיו זהים בטעם ובצבע למוצרי החלב הרגילים שאנחנו צורכים, אבל  בהבדל אחד קטן: מוצרי החלב הללו יופקו משמרים ולא מחלב פרה. מאחורי הפיתוח עומד פרופ' תמיר טולר מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, שהקים ביחד עם יזם הפודטק ד"ר אייל אפרגן את חברת הסטארט אפ 'אימג'נדיירי' ("חלב דמיוני"), אשר מנסה לעשות את הבלתי אפשרי: להפיק חלב פרה משמרים.

 

שומרים על הסביבה ומונעים פגיעה בבעליי חיים

בשנים האחרונות, עם המודעות לנזק הסביבתי, הבריאותי והמוסרי של תעשיית החלב, חברות ביו-טכנולוגיה בכל העולם מחפשות אחר תחליפי חלב. חברת 'אימג'נדיירי' זיהתה את הפוטנציאל בשימוש של פיתוח חלבונים לתעשיית המזון, ובעזרת החיבור לאוניברסיטת תל אביב ולחברת רמות (חברת מסחור הטכנולוגיות של אוניברסיטת תל אביב), פועלת לפיתוח ולייצור חלבוני חלב, שזהים לחלבוני החלב שכולנו מכירים, בשאיפה לשחרר את תעשיית החלב מהתלות בבעלי חיים.

 

"המטרה של 'אימג'נדיירי' היא לייצר חלב מתורבת, שישמר את כל הערכים התזונתיים החשובים של חלב מן החי, עם אותו הטעם, הריח והמרקם המוכרים לכולנו, אך ללא הסבל שנגרם לפרות וללא ההרס הסביבתי", מסביר פרופ' טולר. למעשה, החלב והגבינות של 'אימג'נדיירי' יהיו בריאים בהרבה ממוצרי חלב מן החי, שכן הם לא יכילו כולסטרול, לקטוז או תאים סומטיים.

 

"הסטארטאפ שלנו כולל גם מהנדסי מזון ומומחי מזון מחברת שטראוס", מספר פרופ' טולר, "ובימים אלה הם מנסים לייצר גבינה מחלבוני החלב שבשמרים. מדובר בתהליך ממושך של שיפור התפוקה והטעם, וכמובן גם המחיר. צריך להבין שלא מדובר בתחליפי חלב כמו שקדים וסויה. בסופו של דבר אנחנו שואפים להגיע למוצרי חלב, שיהיו זהים למוצרים מן החי".

 

"הטכנולוגיה פורצת הדרך של פרופ' טולר יכולה לחולל שינוי משמעותי בתעשיית החלב כפי שאנו מכירים כיום", אומרת קרן פרימור כהן, מנכ"לית רמות.

 

ליצור חלבון באמצעות תהליך ביטוי גנים

המעבדה של פרופ' טולר מתמחה מזה כעשור במידול ביטוי גנים, בין היתר על ידי שימוש בסימולציות של תהליכים תוך-תאיים, במידול חישובי של אבולוציה מולקולרית ובאלגוריתמים ייעודיים. בין השאר, המודלים האלה משמשים כדי לייעל ולהוזיל את התפוקה של חלבונים הטרולוגיים (חלבונים שהמקור שלהם מאורגניזם אחר). הטכנולוגיה של פרופ' טולר נוסתה בעבר בהצלחה באורגניזמים שונים כגון שמרים, חיידקים, מיקרו-אצות ואפילו בווירוסים, לפתרון בעיות שונות כגון יצירה של חיסונים, נוגדנים, ביו-סנסורים ואנרגיה ירוקה.

 

"הגנום של כל יצור חי מכיל גנים, שמקודדים את ה'מתכון' של החלבונים, כלומר את רצף חומצות האמינו שלו. אבל הוא גם מכיל אינפורמציה שמקודדת את התהליך המורכב שנקרא 'ביטוי גנים', כלומר העיתוי וקצב הייצור של החלבונים", מסביר פרופ' טולר. "ביטוי גנים זה הוא בעצם תהליך, הכולל את המעבר מרצף דנ"א 'דומם' לחלבונים, שהם 'מהות החיים' עצמם ומהווים רכיב מרכזי בכל דבר חי שאנחנו מכירים, החל בבני אדם, דרך וירוס הקורונה ועד לחלב פרה. כבר הרבה שנים חברות ביוטכנולוגיה רותמות את התהליך על מנת לייצר חלבונים בצורה זולה, כשהרעיון הוא לקחת גן מיצור אחד ולשתול אותו בגנום של יצור אחר, כדי שהוא ישמש כ'מפעל' לייצור החלבון שמקודד בגן הזה. הטכנולוגיה הזו משמשת הרבה שנים לייצור תרופות, חיסונים, אנרגיה וגם משמשת את תעשיית המזון".

 

השמרים כבית חרושת לחלבון חלב

"תיאורטית, ניתן להגיע למצב שבו לא ניתן להבדיל בין חלב מפרה לחלב משמר. אבל בשביל שזה יתבצע בצורה כלכלית, צריך לגרום לתאי השמר להפוך לבתי חרושת לחלבוני החלב", מרחיב פרופ' טולר. "למרות שאנחנו יודעים מהם הגנים שמקודדים את החלבונים לחלב בפרה, אם ניקח גן כזה מפרה - הקודים של ביטוי גנים שמקודדים בו יהיו כתובים ב'שפה' של תאי הפרה. לכן האתגר הוא לכתוב מחדש את הגן עם קודים שמתאימים לשמר. זה יאפשר לייצר את חלבוני החלב בצורה נכונה, זולה ויעילה ב'מפעל' שהוא תא השמר".

 

"בעזרת המודלים שפיתחנו במעבדה, אנחנו מאמינים שתוך זמן לא רב נצליח לגרום לשמר לייצר חלבוני חלב בצורה יעילה, שתאפשר גם ייצור תעשייתי, זול ואיכותי. כבר היו ניסיונות להפיק חלב ממיקרופלורה, אבל כדי שבאמת נחולל שינוי, צריך להגיע למצב שבו השמרים מפיקים חלב במחיר שמתחרה בתעשיית החלב. אני מאמין שאנחנו בדרך הנכונה, ובעוד זמן לא רב נוכל להכין לנו בבית טוסטים מגבינה צהובה, שהופקה משמרים ולא מחלב פרה".

 

שמרים. יחליפו את הפרה בייצור חלב?

אוניברסיטת תל אביב עושה כל מאמץ לכבד זכויות יוצרים. אם בבעלותך זכויות יוצרים בתכנים שנמצאים פה ו/או השימוש
שנעשה בתכנים אלה לדעתך מפר זכויות, נא לפנות בהקדם לכתובת שכאן >>