ביומימיקרי

משמעות המונח ביומימיקרי היא חיקוי החיים (Biomimicry: Bio=life; mimesis=imitate). ביומימיקרי היא דיסיפלינה רב-תחומית המקדמת חיקוי ולמידה מהטבע לפתרון בעיות בדרכים מקיימות.

חדשנות מהטבע דצמבר 2016

קוראים יקרים שלום,

הכנס השלישי ל"ביומימיקרי – אקדמיה ותעשייה" יתקיים השנה במתכונת מורחבת ב- 08.06.17 באוניברסיטת תל אביב. מצורף קול קורא להרצאות בכנס. הצעות להרצאות יש לשלוח עד . 28.02.17

החודש נעסוק בתחום הכימיה הביומימטית בעקבות ראיון עם פרופ' משנה גליה מעין, ראש המעבדה לכימיה ביומימטית בטכניון, נציג פיתוח של מודם תת ימי שפותח בהשראת הדולפין, מכונית בהשראת דג המפרשן, ונסיים בקשר בין ביומימיקרי למגוון המינים, תוך סקירת מינים ייחודיים שהתגלו בשנת 2016.
 בברכת קריאה מהנה ושנה אזרחית טובה,

  צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

כימיה ביומימטית – צוהר לעולם המולקולרי

מאת: יעל הלפמן כהן

ראיון עם פרופ' משנה גליה מעין, ראש המעבדה לכימיה ביומימטית בטכניון.
בשנים האחרונות פועלת בפקולטה לכימיה שבטכניון מעבדה לכימיה ביומימטית, בהובלת  פרופ' משנה גליה מעין. בנוף החדשנות הביומימטית, אשר מזוהה כיום יותר עם פיתוחים הנדסיים ברמות חיקוי גבוהות כמו חיקוי איברים או אורגניזמים ופחות מזוהה עם פיתוחים כימיים, בולטת מעבדה זו, העוסקת בחיקוי ביומימטי ברמה המולקולרית. מתברר כי גם ברמה המולקולרית יש חקר וחיקוי של תפקודים ושל פעולות הקשורות למבנים, והתוצאה - חדשנות.   
המעבדה עוסקת במספר פיתוחים ביומימטיים המבוססים על כימיה בסיסית.

הפרויקט הראשון עוסק בקטליזה אנזימתית ביומימטית.  הפרויקט מבוסס על חקר פולדמרים, מולקולות היכולות להתקפל בתמיסה על ידי יצירת קשרים לא קוולנטיים. פולדמרים יכולים להיות בעלי מבנה סלילי, למשל, שהוא חיקוי של המבנה הסלילי הקיים בפולימרים טבעיים, כגון פפטידים וחלבונים. מבנה מקופל זה מאפשר את פעילות החלבונים, כמו, למשל, זירוז סלקטיבי של תגובות.
במעבדה פותחה מולקולה דמוית פפטיד, שמתארגנת בצורת סליל (ימני או שמאלי). חיברו לה זרז שיודע לחמצן כוהלים. הזרז חסר כיוון. כשהוא מחובר לסליל מקבל הזרז כיוון מהסליל, והוא מסוגל לזרז בצורה סלקטיבית כוהל ימני (או שמאלי) ולהשאיר את הכוהל השמאלי (או הימני) בתמיסה. כך מתבצעת הפרדה בין כוהלים ימניים ושמאליים שנמצאים בתערובת
ישומים אפשריים: בתהליכי סינתזה של מולקולות, בהן נדרשת הפרדה בין צמדי מולקולות ודרוש זרז שיפריד ביניהם לצורך יישומים שונים. בתהליכי ייצור תרופות, למשל, נדרשות מולקולות בעלות כיוון ספציפי (למשל, רק המולקולה בעלת הכיוון הימני היא התרופה ואילו זו בעלת הכיוון השמאלי חסרת פעילות, או אפילו מזיקה), בעוד שתהליך הסינתזה לרוב מייצר תערובות, כך שנדרשת הפרדה.    

הפרויקט השני עוסק בסלקטיביות ביומימטית. מולקולות שונות בגופינו או בטבע, נקשרות רק ליונים מתכתיים ספציפיים (למשל יוני נחושת) מתוך מגוון יוני המתכות (ברזל, אבץ, מגנזיום וכדומה) לצורך פעולתן. במעבדה יצרו מולקולה דמוית סליל, שיש לה שתי יחידות הקשורות לאותו צד של הסליל, שיכולות לתפוס מתוך "ים" יוני המתכות רק יונים של נחושת (ראה תמונה 1 המדמה את התהליך). יישומים עתידים לכך יתכנו בעולם הרפואי. למשל מחלות הקשורות לפעילות לא נאותה של המוח בגיל מבוגר, כמו דמנציה, קשורות להצטברות עודפת של יוני מתכות כמו נחושת, אבץ, ברזל או אלומיניום. פיתוח עתידי של סלקטיביות ביומימטית עשוי לאפשר תפיסה סלקטיבית של יונים אלה והוצאתם מהגוף

        תמונה 1                                                  

הפרויקט השלישי עוסק בזירוז תגובות ביומימטי.  המערכת הפוטו סינטטית הפועלת בצמחים ובאצות יודעת להפיק אנרגיה מאור השמש, ואם נצליח לחקות אותה נוכל להתמודד עם בעיית האנרגיה ההולכת ומתכלה. המערכת כוללת שני חלקים: חלק אחד קולט אור שמש ומים, מחמצן את המים על ידי אנרגיית השמש, ומייצר חמצן, פרוטונים ואלקטרונים. החלק השני לוקח את הפרוטונים והאלקטרונים ומייצר מהם מימן וסוכר (מקורות אנרגיה).
במעבדה סנתזו מולקולה שדומה במבנה שלה לקומפלקס שמכיל יוני מנגן, המהווה זרז בתהליך חמצון המים. המולקולה תוכננה להיות מסיסה במים, כדי שיהיה אפשר לחקור אם היא יכולה לזרז את חמצונם על ידי פוטנציאל חשמלי נמוך (יתרון סביבתי). ואכן, המולקולה התגלתה כמסיסה ויציבה במים, והראתה יכולת לייצר יותר אלקטרונים ממה שהושקעו בה לצד רמות גבוהות של חמצן. יישומים אפשריים: ייצור מימן כתחליף "ירוק" וזמין לגז כמקור אנרגיה

הפרויקט הרביעי עוסק בזרזים הפועלים בשיתופיות.  אנזים יכול לזרז תהליך פי 600,000 יותר מהר, וזאת בטמפ' הגוף ובלחץ אטמוספירי של סביבת החיים. לשם השוואה, היום בתעשייה (למשל: חמצון כוהלים, חמצון מתאן למתנול, ייצור אמוניה) משתמשים בזרזים שפועלים בטמפ' של 500 מעלות ובלחצים מאוד גבוהים 
מסתבר שעיקרון בולט בתהליך הזירוז הטבעי הוא עיקרון השיתופיות. לכל אנזים יש לפחות אתר פעיל אחד, האתר שבו קורה תהליך הזירוז של תגובה ספציפית. אתר זה מכיל 2-3 חומצות אמינו, ולעיתים קרובות גם יון או יונים מתכתיים. אמנם רק אחת מחומצות האמינו או היון המתכתי ממש מתחבר/ת למולקולה שהפיכתה למולקולה אחרת מזורזת, אך השאר עוזרים בתהליך - למשל מייצבים את חומצת האמינו או את מצב החמצון של היון המתכתי
במעבדה חיקו את תכונת השיתוף, והראו  שאם לוקחים שני זרזים שונים שפועלים בתמיסה בצורה שיתופית, ומקבעים אותם על מולקולה אחרת כך שנוצר "אתר פעיל", השיתופיות מתגברת מאוד וניתן להגדיל את יעילות התגובה המזורזת פי 20-25 (ראה תמונה 2 המציגה תהליך זה).
.
    תמונה 2                                                  
 נראה כי גלום פוטנציאל חדשנות רב ברמה המולקולרית, וכי נשמע עוד רבות בשנים הבאות על כימיה ביומימטית.
הידיעה נכתבה בעקבות ראיון עם פרופ' משנה גליה מעין, ראש המעבדה לכימיה ביומימטית בטכניון.
קישור למעבדה
קרדיט לתמונות: פרופ' גליה מעין
 

 

ציוץ ושירה בלב ים

מאת: יוסי כהן

דולפינים ולווייתנים פיתחו לעצמם טכניקה לתקשורת תת מימית ארוכת טווח יעילה ביותר, המבוססת על ציוץ ושירה בטווח רחב של תדירויות משתנות. ע"י שינוי תדירויות הציוץ הם מעבירים זה לזה אינפורמציה, וממסכים את ההד המיותר ואת רעשי הרקע הבוקעים ממרחבי הים. חברת EVOLOGICS מגרמניה, המפתחת טכנולוגיות חדשניות בהשראת תופעות טבע לתחום הימי והתעופתי, חקרה במשך שמונה שנים את מנגנון התקשורת של הדולפינים. כתוצאה ממחקר ארוך זה פיתחה EVOLOGICS טכנולוגית שידור אקוסטית תת מימית בשם SWEEP SPREAD CARRIER (S2C) , המחקה את מנגנון העברת הקולות של הדולפינים. מודמים (התקנים) תת מימיים אקוסטיים מתוצרת EVOLOGICS  המבוססים על טכנולוגית S2C, מפזרים באופן רציף את אנרגית הסיגנל המשודר לטווח תדירויות רחב, המונע הפרעות ורעשי רקע. רסיבר הקולט את סיגנלי האנרגיה הופך אותן לפס שידור צר וברור, נטול הפרעות, המאפשר פיענוח מוצלח של השידור גם בתנאי סביבה סוערים. ההתקנים התת מימיים של EVOLOGICS מתאימים ליישומים בעומקים רדודים עד בינוניים, בטווחים של עד 1 ק"מ (מהירות שידור גבוהה של 28kpbs), וליישומים בעומקים גבוהים למרחק של עד כ-8 ק"מ (מהירות שידור נמוכה של 6.5kpbs). השימושים העיקריים של התקנים אלה הם בתחום חיפושי נפט וגז, בחקר אוקיינוסים, באיסוף ובשידור מידע סייסמי כמו רעידות אדמה וצונמי, ובריכוז נתונים תת ימיים והעברתם למרכזי מידע.

 
 
 
 

 

מה לדג המפרשן ולמכונית יוקרה?

מאת: עדי וייס

סקרנותו של פרנק סטפנסון ( Frank Sthephenson), מנהל העיצוב של חברת McLaren Automotive, התעוררה כששמע אי שם ב-2014, בעת חופשה בקאריביים, את הסיפורים המקומיים על מהירותו האדירה של דג המפרשן. המפגש המקרי הוביל אותו אל הבוס שלו עם רעיון חדשני, שמצא את דרכו אל שולחן העבודה של מהנדסי חברת המכוניות היוקרתיות. התוצאה? ''סופר מכונית'' בעיצוב מחוכם.
McLaren Automotive מתמחה בייצור מכוניות לטווח שימושים נרחב, שפיתוחן נעשה בשילוב צוותים שעובדים בתחומי ביולוגיה, אומנות והנדסה. חקירת מבנה גופו של הדג הובילה אותם לגלות את ה-''טריקים'' שעזרו לדג להרוויח את התואר ''הדג המהיר ביותר באוקיינוס''.
דג המפרשן נפוץ באוקיינוסים הממוזגים בכל העולם, הוא נע בקבוצות ותופס דגים, דיונונים ותמנונים תוך שימוש בפרצי שחייה קצרים ומהירים במיוחד. מהירותו המרבית מוערכת בכ-110 קמ''ש – שיא שמשאיר אפילו את הברדלס מאחור. שמו מגיע מסנפיר הגב המרשים שלו, הנמתח לאורך כל גופו כמעט.

  
                          קרדיט לסרטון   Dalmeet Singh Chawla      
 
צוות הפיתוח של McLaren Automotive ניגש לעבודה בניסיון להבין את מקור תנועתו היעילה של הדג. מחקרים הראו כי קשקשיו של דג המפרשן גורמים למערבולות קטנות סביב גופו בעת השחייה, שבזכותן נוצרת סביבו מעין מעטפת אוויר. האוויר, בהיותו צפוף פחות ממים, מאפשר לדג לנוע בקלות.
מבנה הקשקשים שולב בצינוריות המובילות אוויר אל המנוע. בכך הצליחו מהנדסי McLaren Automotive להגדיל את נפח האוויר לקירור המנוע. מכיוון שהמנוע ההיברידי של מכוניות אלה דורש אוויר רב עבור בעירה וקירור, כל תוספת בכמות האוויר משפרת את יעילות המכונית.
המכונית ''קיבלה'' גם את צורת הבליטות הקטנות שבבסיס זנבו של הדג, המאפשרות לו להתגבר על כיסי אוויר ומים הנוצרים בעת השחייה ומאטים את התקדמותו. יישום זה שיפר את  המבנה האווירודינמי של המכונית.
בשנים האחרונות צצים פיתוחים שונים בתחום התחבורה ששאבו השראה מהטבע; פיתוח של ''מכונית ביונית'' עמידה יותר להתנגשויות וחסכונית יותר בדלק ע''י מרסדס בנץ נעשה באופן דומה בהשראת דג הקופסינון; ביפן פיתחה חברת ניסאן רובוט ששימש השראה לעיצוב מערכת בלמים חכמה ומערכת להתרעה מפני התנגשויות בהשראת יצורים תת-ימיים.
השילוב בין הרצון לחדשנות טכנולוגית בכלי רכב ובין החיפוש אחר פתרונות שקיימים כבר ביצורים שונים בטבע מוליד המצאות מעניינות. כמו המפרשן – בעלי חיים ימיים שונים מביאים איתם רוח של מקוריות למפרשיהן של חברות לייצור מכוניות.

מקור הידיעה
למידע נוסף

יגעת ומצאת – תחקה

מאת: דפנה חיים לנגפורד

 אחת התרומות של תחום הביומימיקרי לקיימות היא לימוד הפנמת חשיבות מגוון המינים לא רק בהיבטים האקולוגים, אלא גם בהיבטים הטכנולוגים, שכן, אורגניזמים רבים מהווים מקור להשראה וחיקוי לטכנולוגיות בכל תחומי החיים. המשפט "מין שנכחד הוא מורה שאבד" עליו אנו חוזרים בפני סטודנטים ותלמידים מקבל משנה תוקף בהתייחסות לכל אותן טכנולוגיות טבעיות המהוות מקור השראה למספר יישומים. לא אחת, אנו נתקלים בתופעה טבעית אחת המהווה מקור לחיקוי במגוון ישומים שונים, כדוגמת הצבע הפיזיקלי של פרפר המורפו שנתן השראה לפיתוח מסך, בד ומערכת זיהוי. מבנה עור הכריש שנתן השראה לפיתוח בגד הים של ספידו מצד אחד ומשטחים דוחי מיקרובים לחדרי ניתוח מצד שני.

אנו מאמינים שתחום הביומימקרי וטכנולוגיות ביומימטיות מהוות מקור לאופטימיות בדיון של העשור האחרון בנושאי סביבה, שכן התחום מסייע במציאת פתרונות יעילים שעמדו במבחן הזמן גם לבעיות הבוערות ביותר כמו שימוש באנרגיה נקיה, טיפול בפסולת, תחבורה ועוד, ובכך התחום מקדם המשך פיתוח טכנולוגי תוך חיקוי טכנולוגיות קצה יעילות וחכמות בהשראת הטבע.

בהיבט הזה של מקור ההשראה לפיתוחים ביומימטים, שנת 2016 הייתה שנה נפלאה עם 15,000 מינים חדשים שנמצאו, או בראיה שלנו, 15,000 מינים שיכולים להוות מקורות להשראה וחיקוי.

בין המינים החדשים שהתגלו אפשר למצוא למשל עוד שלושה יונקים  - למורים ננסיים            (Mouse Lemur) ממדגסקר, נחש בואה כסוף וענק שנמצא בדרך לא שגרתית כשבדק את ראשו של חוקר שנמנם על החוף  בבהאמה (Bahama’s Silver Boa) ציפור שיר חדשה ואפילו לוויתן!

בין כל העכבישים והפרפרים שנמצאו, נמצא גם עכביש "הארי פוטר" על שום הראש דמוי המצנפת שלו וגם מרבה רגליים (Illacme tobini) שמתנייד עם 414 רגליים, לא פחות מ 200 בלוטות ארס ו...במקום פין אחד לצרכי רביה, הוא מתהדר בארבעה.

וממש לקראת סוף 2016 לרגל סוף כהונתו של נשיא ארה"ב ברק אובמה, נמצא בהוואי דג צבעוני חדש שזכה להיקרא על שם הנשיא היוצא -Tosanoides Obama

כמדי שנה מתגלים בעולם כ 15,000-20,000 מינים חדשים. חוקרים טוענים שאי שם קיימים עוד מיליוני מינים נוספים לגילוי. נקווה לשנת 2017 פורייה גם בהיבט זה של מגוון המינים.