תאי מערכת החיסון מזהים לאן עליהם להגיע בגוף באמצעות נהירה כימית, כלומר זיהוי מולקולות המופרשות באזור שבו זוהה פולש. אחת מהדרכים בהן הם נודדים היא באמצעות יצירת צברים שמזהים ביתר יעילות את הכיוון ממנו מגיעים החומרים המופרשים. מודלים פיזיקליים על תנועת צברים כאלו זיהו כמה תבניות תנועה אופייניות.

פוסט אורח מאת ידיד העמותה ומשותפי המחקר פרופ' ניר גוב, בשיתוף עם שקד אשכנזי

דמיינו שאתם מטיילים להנאתכם ופתאום מכה בכם גל ריח של מאפים חמים וטריים. קשה שלא לעזוב הכל וללכת בעקבות הריח. תופעה זו קיימת בכל היצורים החיים. בעוד שאנחנו מעבדים את האותות מהחושים שלנו ובוחרים באופן מודע כיצד להגיב להם, יצורים חד תאיים כמו חיידקים עושים זאת באופן אוטומטי. כך למשל, לחיידקים יש קולטנים למולקולות של מזון על גבי כל פני השטח שלהם. כאשר הם מזהים מזון בסביבה הם יוצרים איתות שבעקבותיו החיידק ינוע בכיוון שבו נמצאים הקולטנים שהגיבו, שהרי זהו הכיוון בו נמצא המזון. התופעה שבה תא חי בודד נע בכיוונו של חומר מהסביבה נקראת ״נהירה כימית״ (כימוטקסיס).

בגוף שלנו רוב התאים הם נייחים. הם מקבלים את המזון שלהם מזרם הדם ואינם צריכים לחפש אותו. עם זאת, יש תאים שתפקידם לזוז ממקום למקום. למשל, תאי מערכת החיסון שצריכים לאתר פולשים כמו נגיפים וחיידקים ולהפטר מהם. ישנם תאים של מערכת החיסון שמסיירים בכל רקמות הגוף, וכאשר הם נתקלים בפולש הם בולעים אותו. בהמשך, תאים אלו מתחילים שרשרת של תגובות שעיקרן גיוס של תאי חיסון נוספים לאזור. איך תא יכול להזעיק תאים נוספים? ניחשתם נכון, באמצעות נהירה כימית!

איך התא יודע לזהות מאיזה כיוון הגיעו החומרים? לפי מפל ריכוזים - ככל שמתקרבים למקור שמפריש את החומרים, ריכוזם יהיה גבוה יותר. כדי להצליח לזהות את הכיוון המדוייק, קולטני התא צריכים לקלוט ריכוז מעט שונה של החומרים, כתלות במיקום שלהם על גבי התא. אבל אורכו של תא הוא כמה עשרות מיקרונים בלבד - בתוך המרחק הקצר הזה הוא צריך להרגיש הבדל מספיק בין קצוותיו כדי לדעת לאן לנוע, ולעיתים ההבדלים האלו מאוד קטנים.

דרך אחת של תאי מערכת החיסון להתגבר על הבעיה הזו הינה להתאגד לצבר תאים. צבר כזה יכול להכיל עד עשרות רבות של תאים. היתרון שלו על פני התא הבודד הוא בכך שבשל גודלו - הפרש הריכוזים בין קצותיו הינו גדול גם אם מפל הריכוזים על פני תא בודד חלש. ניסויים על צברים כאלו במבחנה מראים כי זה אכן מאפשר לצבר לנוע ביעילות רבה יותר לכיוון ממנו הופרשו החומרים. מודלים פיזיקלים גם כן מראים כי הצבר מזהה ביעילות רבה את הכיווניות גם במפלי ריכוזים חלשים [1].

כדי לגרום לצבר תאים להגיב ביעילות לאות הכימי, על התאים בצבר לתאם את תנועותיהם. אם כל התאים ינועו לאותו כיוון - התנועה תהיה יעילה. אם הם ינועו בכיוונים שונים - כוחות התנועה של התאים השונים יבטלו זה את זה והצבר ישאר במקום. כיצד מתאמים התאים את תנועותיהם? התשובה לכך איננה ברורה, ומהווה נושא מחקר פעיל. ברור, עם זאת, שיש לתאים יכולת תיאום ושהיא מתחזקת ככל שתנועת התא מהירה יותר.

במחקר שפורסם לאחרונה במעבדתה של פרופ' אג'אי גופינתן מאוניברסיטת קליפורניה במרסד [2], התגלה שצברים נעים בצורה מתואמת כ-40% מהזמן. כ25% מהזמן הם נעים במעגלים (תנועה סיבובית של הקבוצה סביב צירה), ויתר 35% מהזמן הם נעים בתנועה אקראית ולא מתואמת. כדי להבין את דפוסי התנועה האלה, יצרו החוקרים מודל ממוחשב של צבר תאים שלוקח בחשבון את התהליכים הטבעיים המתרחשים בתוך התא. התהליכים האלו גורמים לתא, לעיתים, לזוז קצת לכאן וקצת לכאן. כאשר החוקרים דימו מצב של מעט תזוזות - בתגובה לחומרים מופרשים, התאים נעו בצורה מסודרת לפי מפל הריכוזים. לעומת זאת, במצב של הרבה תזוזות - התאים לא הצליחו להיות מתואמים ונעו באקראי. אבל המודל לא חזה את התנועה הסיבובית.

בשלב הבא החוקרים בחנו מודל חדש, שמדמה יותר נאמנה את המציאות, ובו צבר התאים אינו אחיד. יכולת התנועה של תאים תלויה במיקומם בצבר, כך שתאים שנמצאים בהיקף יכולים לנוע יותר מאשר תאים שכלואים במרכז. במודל זה התגלתה תבנית תנועה חדשה: ברמות בהן התהליכים הטבעיים בתא גרמו לו לזוז קצת, אבל לא יותר מידי, תאי ההיקף הצליחו להיות מתואמים וניסו לנוע קדימה אבל תאי המרכז לא הצליחו לתאם את תנועתם. כמו שאתם הייתם מרגישים אם היו מנסים בכוח לגרור אתכם למקום כלשהו, כך גם בתאים המצב הזה מייצר מצב של תסכול, בו אף צד לא מקבל בדיוק את מה שהוא רוצה. התוצאה? תנועה בסיבובים.

התועלת שבתנועה בסיבובים, אם ישנה, עדיין לא לחלוטין ברורה. ייתכן שזה מצב מעבר בין תבניות תנועה, או שזה מונע מתאים בצד אחד להיות חשופים לריכוזים גבוהים של חומרים כל הזמן. צברים גדולים מבלים יותר זמן בסיבובים ולכן כנראה שלא "כדאי" לצברים לגדול מעל גודל מסוים, וייתכן שהם אכן "מתוכנתים" לכך. על אף שהסיבה עוד לא ברורה, אין ספק שהצברים מבלים חלק לא קטן מזמנם בתנועה סיבובית ומחקרי המשך יצטרכו להבין למה.

במחקר זה החוקרים התמקדו בתאי מערכת החיסון, אך תנועה קבוצתית דומה קיימת בהרבה מערכות שונות נוספות, כמו להקות דגים וציפורים. על אף ההבדלים המשמעותיים ברמת המורכבות של דגים לעומת תאים, בשתי המערכות האלו נמצאו אותם שלושת דפוסי התנועה. ייתכן שההבנה של מערכת פשוטה יותר תעזור לנו להבין גם מערכות מורכבות יותר.

מקורות:

[1]  מאמר על תנועה של צברי תאים בתגובה למפל ריכוזים

[2] המאמר המקורי - מידול דפוסי תנועה של תאים בקבוצה