• תפריט
מוסף 06.09.2012

קיפול הזהב

הדבר הבא בעולם הטכנולוגיה הוא בעצם אמנות יפנית עתיקה: בעזרת האוריגמי מקווים המדענים לחקות את דפוסי הפעולה של הטבע וליצור סוג חדש ומהפכני של ייצור. הדבורה הרובוטית הראשונה שהורכבה בשיטה הזאת כבר פרסה כנפיים

דרייק בנט, "בלומברג ביזנסוויק" 08:4706.09.12

ב־1996 המתמטיקאי ומהנדס המחשבים הצעיר אריק דמיין (Erik Demaine) מצא עצמו מוקסם מתכסיס שהארי הודיני נהג לבצע לפני שביסס את המוניטין שלו כאמן היחלצות. הקוסם נהג לקפל חתיכת נייר כמה פעמים, לבצע חתך אחד ישר באמצעות מספריים - ואז לפתוח מחדש את הנייר ולחשוף כוכב בעל חמש פינות. במרוצת השנים קוסמים רבים השתמשו בטריק הקיפול והחיתוך של הודיני, ואף הצליחו ליצור צורות מורכבות יותר, כמו אות או שרשרת כוכבים.

 

זה נושא מחקר משונה למדי למרצה למדעי המחשב, אך הרקע של דמיין אינו רגיל. הוא היה בן 20 בלבד ב־2001, כשהחל לעבוד ב־MIT, ונחשב למרצה הצעיר ביותר בהיסטוריה של המוסד. חיוור, רזה ושקט, עם אצבעות של כייס ושיער ארוך אסוף לקוקו שטני, דמיין נולד בהליפקס, נובה סקוטיה, קנדה, וגדל אצל אביו מרטין, נפח זכוכית ידוע.

 

אריק דמיין ואוריגמי. גילה שאפשר להרכיב באוריגמי כל מוצר אריק דמיין ואוריגמי. גילה שאפשר להרכיב באוריגמי כל מוצר צילום: L. Barry Hetherington
 

כאשר דמיין היה בן 6 הוא הקים עם אביו חברת פאזלים. שנה לאחר מכן אביו הוציא אותו מבית הספר, ובארבע השנים הבאות הם טיילו ברחבי ארצות הברית כשבכל פעם הם בוחרים יחדיו את היעד הבא. דמיין זוכר כיצד השניים בילו כמה חודשים בפלורידה "כי היא שטוחה וטובה לרכיבת על אופניים". בעודם עוברים ממקום למקום, מרטין היה האחראי על החינוך וההשכלה של בנו. הנדודים פסקו לאחר שאריק שב להליפקס כדי להירשם לאוניברסיטת דלהאוזי. הוא היה בן 12.

 

כנער, כשדמיין חיפש נושא לתזה, אביו הפנה את תשומת לבו לבעיית הקיפול והחיתוך. היה ברור שאפשר ליצור צורות בקיפול וחיתוך, אבל עד כמה הן יכולות להיות מורכבות? מהן המגבלות? אלו שאלות פשוטות אך אוניברסליות, בדיוק מהסוג שדיבר אל לבו של דמיין.

 

הוא עבד על הבעיה במשך שנתיים וב־1998 פרסם מאמר עם התשובה שלו: אין שום מגבלות. קיפול וחיתוך מאפשרים ליצור כל צורה הקיימת בעולם, ולמעשה כל אוסף של צורות, כל עוד הן בעלות צדדים ישרים. בעזרת הקיפולים הנכונים והחיתוך המדויק אפשר אפילו ליצור את הטקסט המלא של העמוד הזה (בפונט זוויתי). במאמר נוסף, שפרסם שנתיים אחר כך, הרחיב דמיין את הרעיון הזה לתלת־ממד: כל גוף בעל פאות, טען, לא משנה עד כמה הוא מורכב או ייחודי, אפשר ליצור מקיפול של דף נייר יחיד. עם דף נייר גדול מספיק, אפשר ליצור במדויק אפילו את קתדרלת נוטרה דאם, עד לגרגויל (פסל מפלצתי) האחרון.

 

בתיאוריה, זה עובד. האוריגמי החישובי של דמיין מניח את קיומו של גיליון נייר אידאלי בעובי אפס, כזה שאפשר לקפל מספר בלתי מוגבל של פעמים. למרות הבעיות הכרוכות במעבר מתיאוריה למציאות, המחקר חשף את טווח האפשרויות הטמון בקיפול. דמיין נהפך מאז לאמן אוריגמי בעל שם, ואף הצליח לקפל רובוט מדף פלסטיק אחד.

 

הדבורה הרובוטית שמורכבת בתוך עשירית שנייה במנגנון "פופ אפ" ממשטח אחד. יכולה לשמש לריגול, חילוץ והצלה הדבורה הרובוטית שמורכבת בתוך עשירית שנייה במנגנון "פופ אפ" ממשטח אחד. יכולה לשמש לריגול, חילוץ והצלה צילום: courtesy of Pratheev Sreetharan

 

שיטת הייצור של הטבע

 

כשאנחנו חושבים על ייצור המוני, התמונה שעולה בדרך כלל לראש היא מפעל. בייצור מכונית, למשל: המנוע נוצק מברזל או אלומיניום; הגג והדלתות מעוצבים במכבשים של 100 טונות; תיבות הילוכים מכורסמות במתכת או נחתכות ממנה; הקונסולה וידיות הפנים נוצקות או משויפות; השטיחונים והמושבים נטווים ונתפרים. מקורם של חלק מהתהליכים הללו במהפכה התעשייתית, חלקם מגיעים עוד מתקופת הברזל. הם זרים לטבע, הוא לא פועל כך. מצדו, אחת השיטות האהובות ביותר היא קיפול חומר שטוח לצורה תלת־ממדית. פרחים, עלים, כנפיים, חלבונים, רכסי הרים, עפעפיים, אוזניים, דנ"א - כולם נוצרו בקיפולים.

 

חוקרי רובוטיקה, ביולוגיה, מתמטיקה ומדעי המחשב מתרכזים כיום בשיטה הזאת. מדענים בוחנים כיצד חומרים ומולקולות מתקמטים, עוטפים, מתעקמים ומתקפלים. הם משתמשים בקיפולים כדי לעצב הכל, מרובוטים ועד תרופות נגד סרטן, מכריות אוויר ועד מראות לטלסקופים לווייניים. זונג יו, מהנדס מאוקספורד, השתמש בטכניקות אוריגמי כדי לעצב פגושי מכוניות שיתעקמו טוב יותר וסטנטים גמישים וזולים. צוות מאוניברסיטת וויק פורסט השתמש בקיפולי אוריגמי ליצירת בד משכבות צפופות של ננו־צינוריות שמייצרות אנרגיה מחום הגוף. במגוון רחב של תחומים, ייצור באמצעות קיפול הוא בעל פוטנציאל להיות מהיר, זול וזולל פחות אנרגיה מהשיטות המסורתיות, ולאפשר עבודה כל כך מדויקת שלידו אפילו המטחנות והמחרטות העדינות ביותר נראות מדויקות כמו רעידת אדמה.

 

הביו־פיזיקאי שון דגלאס. בנה "דנ"א ננו־רובוט אוריגמי" לאספקת תרופות הביו־פיזיקאי שון דגלאס. בנה "דנ"א ננו־רובוט אוריגמי" לאספקת תרופות

 

גם יצרני ציוד רפואי ומוצרי אלקטרוניקה כבר בוחנים טכניקות קיפול שונות בניסיון לייעל את תהליכי הייצור. "הפרדיגמה השלטת היא לבנות דברים מבלוק מוצק, שאותו מגלפים, חוצבים או מסתתים עד שמקבלים כל צורה שרוצים", מסביר פרופ' וויליאם שין (William Shih), מרצה לביוכימיה באוניברסיטת הרווארד. "זה דומה למיכאלאנג'לו שסיתת את פסליו מגושי שיש או למכונות שמגלפות חלקי מנוע ממתכת. האופן שבו הטבע פועל הוא שונה. הטבע משתמש באלגוריתם קיפול, ונראה שהוא פועל בשיטה יעילה יותר. אנחנו יכולים לקבל השראה מהטבע". שין עצמו עיצב מכשירים מיניאטוריים מסלילי דנ"א, בתהליך הידוע כ"אוריגמי של דנ"א".

 

למצוא אבן בניין אוניברסלית

קיפול, במהותו, הוא בעיה גיאומטרית, והבסיס למרבית המחקרים החדשים נבנה בידי מתמטיקאים. עם זאת, יישומי השיטה - שהופכים למתוחכמים יותר ויותר - מגיעים משיתופי פעולה בין מהנדסים, מדענים ומתכנתים. "ביולוגיה בהשפעה הנדסית" היא גישה חדשה ושאפתנית למדע, שמתייחסת לאורגניזמים חיים כמו אל מערכות מכניות. בדיוק כפי שקוטר גלגל השיניים או חוזק הקפיץ קובעים כיצד שעון פועל, הצורה ואיכות המתיחה של חלבונים מקופלים קובעים את תפקידם באינספור התהליכים שמאפשרים לגוף האדם לתפקד. הבנת הקשרים הללו וההסתמכות עליהם היא חלק מהותי במדע החדש של הקיפול.

 

רוברט ווד (Robert Wood) מהרווארד ודניאלה רס (Daniela Rus) מ־MIT הם שניים ממומחי הרובוטיקה שעובדים עם דמיין. רס היא מהחוקרים המובילים בעולם של "חומר ניתן לתכנות" (Programmable matter): חומרים שיכולים לשנות את התכונות הפיזיות של עצמם. חומרים ניתנים לתכנות יכולים לשמש ביצירת מכשירים שיבצעו כמה משימות מגוונות במקביל, יתקנו את עצמם או יתפתחו. לסוכנות למחקרי ביטחון מתקדמים בארצות הברית (Darpa) יש פרויקט חומר ניתן לתכנות, והיא סייעה לממן את המחקר שווד, רס ודמיין ערכו יחד.

 

מרבית המחקרים בתחום החומר הניתן לתכנות התמקדו עד כה ברובוטים מודולריים קטנים והתקנים אחרים שאפשר לשלב למגוון מכשירים גדולים יותר. קיפול הוא גישה שונה לנושא, ויתרונו בכך שהוא נחקר הן בידי מתמטיקאים כמו דמיין והן בידי דורות של אמני אוריגמי. כפי שראס, ווד ודמיין כתבו במאמר שהופיע ביוני 2010 בפרסום של האקדמיה הלאומית למדעים (PNAS), קיפול חומר ניתן לתכנות יכול לשמש ליצירת כלי בסגנון אולר שוויצרי, שיהפוך ממפתח ברגים לאנטנה ואז לחצובה. רס מדברת על יצירת מפות קינטיות, שיכולות לשחזר את הטופוגרפיה של האזור שהן מציגות, ודמיין על פאנלים סולאריים, שמכווננים את עצמם כך שיוכלו ללכוד באופן יעיל יותר את אור השמש.

 

פריחת הציניה. מה אפשר ללמוד מאלגוריתם הקיפול של עלי כותרת? פריחת הציניה. מה אפשר ללמוד מאלגוריתם הקיפול של עלי כותרת? צילום: CC By EraPhernalia Vintage

 

האתגר הראשון שעומד בפני יצירת מכשירים מסוג זה הוא להבין אם סוג הקיפול הנדרש אפשרי מבחינה קונספטואלית. אוריגמי מתמקד בדפוסי קפלים: דפוס הקיפול "נועל" את ה"נייר" לצורה אחת סופית, בין אם מדובר במנוף או בפרח. דמיין ניסה להבין אם קיים דפוס קיפול יוצא דופן, מעין אבן בניין אוניברסלית לאוריגמי. הוא מצא אותה בקיפול שנקרא "חריץ תיבה": גריד מרובע של קפלים עם אלכסונים משתנים שאמני אוריגמי משתמשים בו ליצירת מגוון רחב של צורות. גם כאן תרומתו של דמיין לנושא היתה לבדוק עד כמה רחב מגוון הצורות האפשרי. באמצעות שימוש בגיאומטריה חישובית, הוא הוכיח ש"חריץ התיבה" יכול לשמש כפיקסל תלת־ממדי (voxel). "אם רוצים ליצור צורה כלשהי מקוביות קטנות, דפוס הקיפול הזה מספיק", הוא אומר. מבחינה גיאומטרית, כל מה שצריך לעשות זה להתחיל עם מספיק קוביות.

 

בקיץ 2008 רס, ווד ושאר החוקרים במעבדה שלהם החליטו לבדוק אם אפשר לתרגם את ההוכחה המתמטית של דמיין למשהו ממשי. המטרה היתה אב־טיפוס קטן, דף שיוכל לקפל את עצמו לשתי צורות פשוטות: מטוס וסירה. עובי הגיליון וגודלו, שני נושאים שלנצח מפרידים את האוריגמי החישובי מהקיפולים של העולם האמיתי, סיבכו כהרגלם את העניינים משתי סיבות: על פני ה"נייר" אמורים להיסגר מעגלים חשמליים, וכל החיווטים אמורים להימתח בפרקים, כשכל קיפול מכפיל את עובי הנייר. נוסף על כך, מאחר שהם מוצבים במפרק, הנקודה בעלת המינוף הנמוך ביותר, המנועים שיניעו את תהליך השינוי צריכים להיות דקים אך חזקים מאוד (בדומה לדחיפת דלת פתוחה בסמוך לציר ולא בצד הידית).

 

ככל שהתקדמה העבודה מצאו החוקרים פתרונות לכל אחד מהאתגרים. גיליון הנייר הסופי, ריבוע של 4 X 4 ס"מ שעוביו חצי מ"מ, הכיל 32 משולשי פיברגלס זהים עם מפרקי סיליקון ביניהם. כדי ליצור את חיווט המפרקים, ווד ורס חתכו פלסטיק מצופה נחושת לרשת שיכולה להיפתח כמו אקורדיון לצד הקפלים, תוך שהיא נושאת זרם חשמלי. שרירי הרובוט היו רצועות דקות של סגסוגת מתכת בעלת זיכרון צורני, שהתיישרו או התקפלו לפי הזרם החשמלי. המוח של הרובוט היה מדבקה.

 

ההשראה: ספרי ילדים

 

מאז היה סטודנט לתואר שני באוניברסיטת קליפורניה שבברקלי, ווד עסק בפיתוח דבורה רובוטית בגודל טבעי. רובוט מעופף קטן, הוא טוען, יכול לסייע באיסוף מידע בפעולות צבאיות, בפעולות חילוץ והצלה, לבחון אזורים מסוכנים ואף להפרות פרחים, אם אוכלוסיית הדבורים בעולם תמשיך להצטמצם.

 

כיום רובוט הדבורה של ווד (RoboBee) הוא חלק ממירוץ החימוש של המזמזמים הקטנים: יש גם את הננו יונק דבש, שנבנה על ידי AeroVironment עבור Darpa, ורוטורים מרובעים, בגודל 56 ס"מ, שמפתחת אוניברסיטת פנסילבניה (מעללי הטיסות שלהם הפכו אותם לסנסציית יוטיוב. חפשו quadrotors). רובוט הדבורה הוא עדיין מעופף ראשוני למדי, והמעצבים שלו עדיין עובדים על רחיפה יציבה. האתגר שבטיסה יציבה ומפוקחת קשה יותר לרובובי כי הוא קטן בהרבה מהמתחרים - 39 מ"מ מכנף לכנף, 18 מ"מ מראש עד זנב, ושישית מהמשקל של רבע דולר.

 

הגודל המיניאטורי שלו יצר בעיות קשות בהרכבה. הרובוטים נבנו ידנית באמצעות מיקרוסקופים, פינצטות ודבק. לקח לחוקרים שנה ללמוד את תהליך הבנייה המפרך, וגם אז העווית הקטנה ביותר באצבע של המרכיב היתה יכולה להרוס את העבודה. 9 מתוך 10 חלקים התגלו כפגומים. בהרווארד ווד והסטודנטים לתואר שני במעבדה שלו חיפשו כל העת אחר דרכים לשיפור התהליך. לכמה מהם, ובהם ווד עצמו, יש ילדים קטנים בבית, ולפני כשנתיים הם הבינו שהמודל לשיפור התהליך נמצא ממש מתחת לאפם: ספרי פופ־אפ. "אתה מעביר עמוד ואז קופץ החוצה מבנה מורכב", אומר ווד. "כל חלקי ההרכבה נמצאים בתוך המבנה הדו־ממדי הזה".

 

הקסם של ספרי הפופ־אפ טמון בכך שגם התינוק המגושם ביותר יכול לגרום להם לעבוד. הפתיחה קלה, אבל המורכבות טמונה בביצוע החתכים והקיפולים שיבטיחו תצוגה הולמת מבעוד מועד. אם המהנדסים במעבדה יוכלו ליצור שיטת הרכבה שתפעל באופן דומה, הם יצליחו להפוך משימה מייגעת לתהליך ייצור המוני. אפשר יהיה לייצר מיני־רובוטים בכמויות.

 

פרתיב סריתארן וג'י. פיטר וויטני, שניים מהסטודנטים לתואר שני במעבדה של ווד, החלו לעבוד על הרכבת פופ־אפים, כשהם סורקים ספרי הדרכה בנושא ומחליפים אימיילים עם פסל פופ־אפים גרמני. סריתארן (Pratheev Sreetharan), פיזיקאי בהכשרתו, החל להוביל את תהליך הייצור של רובוט הדבורה. הוא מיפה את הכוריאוגרפיה המסחררת, שיכולה להרים בתנועה אחת כל חלק של הדבורה משני ממדים לשלושה, בלי שהחלקים יתנגשו זה בזה בעודם מחליקים למקומם. הוא העביר חודשים מול תוכנת עיצוב ממוחשבת כשהוא משרטט את החתכים שייאלץ לבצע כדי להבטיח את הקיפולים הנכונים, ובנה מודלים גדולים מקרטון ודבק כדי לבחון את הרעיונות שלו. "אחד היתרונות שהבאתי איתי לפרויקט", הוא אומר, "הוא הסבלנות לעבוד תקופה ארוכה כל כך על הנושא".

 

הדמיה של קיפול חלבון הדמיה של קיפול חלבון צילום: אם סי טי

 

הדבורה הרובוטית ממריאה

 

הרעיון הבסיסי היה לערום את כל חומרי הבנייה של הדבורה - שכבות של סיבים פחמניים (לגוף), טיטניום (למסגרות הכנפיים), קרמיקה פיזואלקטרית (להנעת הכנפיים) וסרט פולימידי פלסטי גמיש (מפרקים) - אחד על גבי השני, כמו עץ לבוד, ולהשתמש בפינים כדי לחבר אותם. כל אחת מ־18 השכבות נחתכה במדויק בלייזר, כ־3,000 חתכים לשכבה, וחוברה לשכנותיה בנקודות מסוימות באמצעות דבק חזק. חלק מהרכיבים של הרובוט, כמו מסגרות הכנפיים, הורכבו משכבה אחת בלבד. אחרים נוצרו מחיבור כמה שכבות - המפרקים, לדוגמה, הם סנדביצ'ים של פולימידים הממוקמים בין שכבות של סיבי פחמן, וחתיכות קטנות מהפחמן הקשיח נחתכו החוצה כדי לאפשר תנועה, כמו מפרקים בשריון ברזל. המעגלים החשמליים הדרושים לשליטה על תעופת הדבורה, אומר סריתארן, הודפסו בקלות על חלק מהשכבות באמצעות טכניקת ההדפסה שמשמשת חברות שבבים.

 

באביב האחרון סריתארן חש שהוא מתקרב לקו הסיום. הרעיון היה לחתוך בלייזר סיב פחמן שיקיף את הדבורה וייצור מה שהוא מכנה "פיגום הרכבה" - רשת סבוכה של מפרקים שתכוון כל רכיב בערימה למקומו בעודה מתרוממת, ואז, לאחר שהגיעו למקומם, תתנתק מהם בקלות. באפריל סריתארן חתך באמצעות לייזר אב־טיפוס, הציב אותו מתחת למיקרוסקופ, והחל להרים אותו לאט לאט, באמצעות חכה וכננת שבנה בעצמו.

 

להפתעתו, זה עבד כמעט בצורה מושלמת. סריתארן הוא פסנתרן, והוא זוכר שחשב במהלך היווצרות הדבורה שיש בתהליך כולו משהו סימפוני. "יש בזה כל כך הרבה חלקים שונים וכולם עובדים יחד בהרמוניה", הוא אומר, "שום דבר לא עומד במקומו. הכל קורה יחד בצורה מסודרת ומבוקרת". רובוט הדבורה האחרון שיצר קיבל את צורתו בתוך פחות מעשירית שנייה - הוא נאלץ להאט את התהליך כדי שיוכל לצלם אותו. קודמיו הורכבו ביד במשך שבוע.

 

ווד הוא אחד מ־17 החברים המייסדים של מכון וויס (Wyss), שיתוף פעולה מחקרי שאפתני שנוצר בהרווארד ומלווה חוקרים בניסיון להפוך את הרעיונות שלהם למסחריים. מה שמלהיב אותם במיוחד בקיפולי הפופ־אפ הוא השימוש הפוטנציאלי של הטכניקה ביצירת מגוון מכשירים מסובכים. "זוהי אסטרטגיית ייצור שלהערכתנו תוביל למהפכה בכל תחום, ממיקרואלקטרוניקה ועד לייצור צעצועים", אומר דונלד אינגבר (Donald Ingber), מרצה לרפואה בהרווארד ומנהל וויס.

 

אחת החברות שעובדת עם הקבוצה של ווד היא יצרנית הצעצועים ההונג־קונגית WowWee, שלהיטים קודמים שלה כוללים את רובוט הצעצוע Robosapien ואת פייפר ג'אמז, מערכת כלי נגינה מנייר שעליו מעגלים מודפסים. "אנחנו מעוניינים מאוד בשיתוף הפעולה הזה", מספר דאווין סאפר (Davin Sufer), סמנכ"ל הטכנולוגיה של החברה. "יש לנו כמה קונספטים למוצרים שאנחנו עובדים עליהם יחד בימים אלה". WowWee בוחנת את האפשרות להשתמש בשיטת הפופ־אפ ליצירת צעצועים שבדומה לרובוט הדבורה ישלבו בין אלקטרוניקה מורכבת וחלקים שנעים בדייקנות. "הרכבת צעצועים דורשת בדרך כלל הרבה עבודה; נוכל לחסוך בעלויות ולייצר באופן יעיל יותר", אומר סאפר. "אנחנו בוחנים גם את האפשרות לייצר מוצרים קטנים וקומפקטיים יותר מאשר בעבר".

 

מקפלים חלבונים ודנ"א

 

מבחינת חוקרים רבים המדד האמיתי לפוטנציאל שמגלם הקיפול הוא שפע הדרכים שבהן הטבע משתמש בו. אחד משותפיו של ווד הוא אל. מאהדבן (L. Mahadevan), מתמטיקאי מהרווארד שחוקר את אלגוריתם הקיפול של כנפי חרקים, עלים ופרחים. בוויס חבר גם הביו־פיזיקאי שון דגלאס (Shawn Douglas), שיחד עם האימונולוג עידו בכלת (Ido Bachelet) בנה משהו שנקרא "דנ"א ננו־רובוט אוריגמי", מכשיר לאספקת תרופות שגודלו אחד חלקי עשרת אלפים מהנקודה בסיום המשפט הזה. הרובוט היה מסוגל, לפחות בצלוחית פטרי, לזהות תאים סרטניים ולשחרר מטען של נוגדנים שחיסלו אותם תוך פסיחה על תאים בריאים.

 

דגלאס ובכלת בנו את הפצצות החכמות שלהם בעזרת אוריגמי של דנ"א, שמנצל את האופן שבו הדנ"א מתחלק לזוגות שמתחברים זה לזה - אותן שיניים ברוכסן של הסליל הכפול. התהליך כולל ערבוב חוטים אחדים של דנ"א ליצירת מעין סריג תלת־ממדי מובנה. על ידי קביעת סדר הזוגות בבסיס, מתכנני האוריגמי של הדנ"א יכולים לקבוע היכן יתאחדו החוטים, ולפיכך לעצב גם את הצורה התלת־ממדית שהסריג כולו מקבל. זה לא בדיוק אוריגמי: יותר כמו חיית הבלונים הקטנה והמורכבת ביותר בעולם.

 

חוקרים אחרים מנסים לפצח את חידת הקיפול של החלבונים. החלבונים, לבני הבנייה של התאים האנושיים, הם למעשה שרשראות של חומצות אמיניות שנמתחות, כמו ספגטי, ממכונות תאים שנקראות ריבוזומים. ביולוגים עדיין אינם מבינים עד הסוף כיצד נקבעת הצורה המורכבת שהשרשראות הארוכות מקבלות עם השלמתן. לשאלה זו השלכות עצומות - על פי הערכות, אלצהיימר, מחלת הפרה המשוגעת וסוגים שונים של סרטן נגרמים בשל קיפול שגוי של חלבונים.

 

גישה מבטיחה במיוחד להבנת קיפולי חלבונים מוצגת באתר Foldit ("קפל את זה") שהקים דיוויד בייקר (David Baker), ביוכימאי מאוניברסיטת וושינגטון. מדובר במשחק -כל אחד יכול לגלוש לאתר ולשחק - שמעניק נקודות למי שמוצא את דפוסי הקיפול הוודאיים ביותר לחלבון. שחקנים מסוימים מגלים כישרון טבעי למשחק, והמאמצים המצטברים שלהם עזרו לפתור בעיות שביוכימאים רבים נותרו מולן ללא מענה.

 

המטרה של חוקרים כמו בייקר אינה רק להבין איך חלבון מתקפל ומה יכול להשתבש בתהליך, אלא גם לעצב חלבונים חדשים לחלוטין. צורות החלבונים הן שקובעות את הפונקציה שלהם - חולץ הפקקים של האקטין הוא המכניזם שבאמצעותו נוצרים השרירים, הזרועות הארוכות והדביקות של הפיברין יוצרות קרישי דם וכן הלאה. יצירת חלבונים שמתקפלים לצורות חדשות יכולה ליצור רכיבים בעלי יכולות חדשות: תרופות, זרזים כימיים, מולקולות שמוציאות מהאוויר את הפחמן הדו־חמצני או מביאות להתפרקות של רכיבים רעילים. בייקר פיתח חלבון שנראה שביכולתו למנוע הידבקות בנגיף השפעת H1N1, והשחקנים באתר עמלים על חלבונים דומים לזנים אחרים של שפעת. כפי שבייקר מגדיר זאת, מה שהוא וגולשי Foldit עושים הוא אוריגמי חלבונים.

 

"במערכות חיות יש מגוון של פעולות ומגוון של תגובות כימיות שהן מעוררות, אבל אלו רק התגובות הכימיות שהיו שימושיות בזמן האבולוציה", הוא אומר. "בעולם המודרני אנחנו מתמודדים כיום עם שורה של בעיות שלא היו קיימות במהלך האבולוציה, כך שאנחנו מעוניינים ליצור חלבונים חדשים שיפתרו את הבעיות האלה".

 

הדבר הבא: קיפולים מעוקלים

 

דמיין חקר אף הוא את קיפול החלבונים. בשילוב גיאומטריה מתקדמת, הוא משתמש בהנחות בסיס דומות לאלו שעומדות מאחורי Foldit. "אם נוכל למצוא אלגוריתם קיפול נחמד ויעיל לחלבונים, אולי יתברר כי הטבע עוקב אחריהם", הוא אומר.

מה שמלהיב אותו בשלב זה הוא מה שנקרא "קיפול קמט מעוקל" (curved-crease folding), שיטה שמקורה בשנות העשרים של המאה הקודמת ובאמנים ומעצבים מאסכולת הבאוהאוס. קיפולים מעוקלים, מתברר, הם בעלי כוח ייחודי: דפוס פשוט יכול ליצור ביבר של צורות תלת־ממדיות מורכבות ואף לשנות את האיכויות של פיסת הנייר, להעניק לה יכולות מתיחה ועטיפה חדשות. הסיבה לכך מסקרנת את דמיין. "כמעט שאין תיאוריות בנוגע לאוריגמי מעוקל", הוא אומר.

 

הוא אינו בטוח שהעבודה שלו תוליד משהו שימושי, וכמתמטיקאי זה לא ממש משנה לו. אביו הוא כיום אמן אורח ומדען מבקר ב־MIT, ויחד הם יצרו סדרה של פסלים בקיפול מעוקל. חלקם מוצגים בתערוכה הקבועה במוזיאון סמיתסוניאן לאמנות אמריקאית, אחרים הוצגו באביב האחרון בגלריה במנהטן. הם נראים כמו מוטציות של רכיכות ששרטט מאוריץ קורנליס אשר. הם נראים, בו בזמן, בלתי אפשריים וטבעיים לחלוטין.

 

Used with permission of bloomberg L.P Copyright 2012

All rights reserved

 

בטל שלח
    לכל התגובות
    x