בדיקות רפואיות בהשראת הטבע

בטבע, אורגניזם מנטרים את הסביבה כחלק כחלק מאסטרטגית הישרדות ורבייה. חיישנים ביולוגיים זעירים ללחץ, לטמפרטורה, ללחות, לריכוז חומרים שונים בסביבה ועוד, מאפשרים ניטור רציף של השינויים בסביבה, וגוררים שינויים התנהגותיים ואחרים בהתאם למצב. מדענים מאוניברסיטת UC סנטה ברברה בארה"ב, בשיתוף עם מדענים מאוניברסיטת ורגטה ברומא, חיקו כמה מאסטרטגיות אלה לשיפור ביצועים של גלאי DNA.

אחת הבעיות של ביוסנסורים שונים היא רגישותם לטווח ריכוזים מסויים מאוד. למשל: חישת סוכר בחולדה, בחזיר ובאדם, על אף שהיא מבוצעת באמצעות אותו מנגנון, פחות או יותר, תתבצע בכל אחד מהאורגניזם המתואר בטווח ריכוזים שונה במקצת. 

טווח הריכוזים ה"קבוע" לכל ביוסנסור מונע את השימוש בהם במגוון רחב של אפליקציות. במעקב אחר התקדמות מחלת ה-HIV  למשל, יש למדוד את רמת הווירוס ברמות של חמישה סדרי גודל כדי לקבוע את הטיפול הנכון. בתרופות טוקסיות (תרופות רעילות, המשמשות גם לטיפול במחלת הסרטן), הביוסנסורים הקיימים אינם רגישים מספיק כדי לבחון את רמת רעילות התרופה לרקמה הבריאה.

מטרת המחקר של פרופ' קוין פלקסקו (Kevin W. Plaxco) מ-UCSB  ושל עמיתיו, היא לייצר חיישן, שיהיה בעל יכולת חישה בטווח ריכוזים רחב או צר, בהתאם ליישום. פריצת הדרך להשגת מטרת המחקר הגיעה מצפייה בחישה הביולוגית בטבע. האורגניזמים החיים מנטרים את הסביבה באופן אופטימאלי, על ידי שימוש במולקולות המגיבות לשינויים של חומרים בסביבה, בטווח רחב או צר של ריכוזים. בטבע, מושגת יכולת חישה בטווח משתנה של ריכוזים על ידי שימוש בקולטנים מרובים, כאשר כל אחד מהם בעל אפיניות (זיקה כימית) שונה לחומר המטרה.

בהשראת האופטימיזציה של חיישנים בטבע, יצרו החוקרים שילובים שונים של חיישנים בעלי אפיניות משתנה לחומר המטרה, על מנת לאפשר חישה בטווח ריכוזים מגוון. החוקרים בחרו במולקולת ה-DNA  כמולקולת היעד, כדי לייצר חיישן למוטציות ב-DNA. שילוב מולקולות בעלות אפיניות משתנה יצר אפשרות חישה בטווח ריכוזים רחב מאוד, בשילוב יכולת חישה רגישה מאוד בטווח ריכוזים מצומצם.

החוקרים מאמינים כי אסטרטגיית חישה זו, אשר משתמשת בסנסורים שונים בעלי אפיניות שונה לחומר מטרה אחד, יכולה לסייע בבניית מערכות דיאגנוסטיות מדויקות יותר, ובמעקב טוב יותר אחר התפתחות מחלות שונות.

מקור הידיעה

פוטוסינתזה מלאכותית

מאת: לירון דן

הרכבה עצמית של חומרי בניין טבעיים הוא תחום מבטיח במחקרים ביומימימטיים. חוקרים במעבדות סנדיה (sandia national labs), פיתחו דרך לייצור תהליך ציפוי, המתרכב מאליו על ידי התחברות של מולקולות המשתנות ומתאדות בטמפרטורת החדר. היכולת הטמונה בטכנולוגיה זו כבר קיימת, והיא מקושרת לייצור תאים פוטוולטאים. כך, יכול המשתמש לרסס פרקורסור (חומר שממנו נוצר חומר אחר בתהליך כימי) על גבי משטח, ולצפות בחומר מתרכב באופן טבעי.

דוגמא לטכנולוגיה מתפתחת מסוג זה היא טכנולוגיית ה- (Dye solar cells) DSC, המחקה את תהליך הפוטוסינתזה בצמחים, על ידי שימוש בחומרים שכבר זמינים בתעשייה לצורך הולכת חשמל. בשנת 2010, זכה פרופ' מיכאל גרצל בפרס יוקרתי על פיתוח דור שלישי של טכנולוגייה זו.

תאים פוטוולטאים עשויים לרוב מחומרים מוליכים למחצה, דוגמת סיליקון. כאשר פוגע אור בתא, נקלט חלק ממנו בתוך המוליך למחצה, ואנרגיית האור שנקלטה מועברת למוליך למחצה. האנרגיה משחררת אלקטרונים, ומאפשרת להם לרחף באופן חופשי בצורת זרם. על ידי משטחים מוליכים מעל ומתחת לתא הסולארי, מנותב הזרם החשמלי לשימוש חיצוני (לצורך טעינת פלאפון, למשל).

בתאים פוטוולטאים מסורתיים מתנהג הסיליקון גם כמקור למשיכת אלקטרונים, וגם כנושא המטען החשמלי. תאי DSC מפרידים את קליטת האור מנושא המטען החשמלי על ידי חיקוי תהליך הפוטוסינתזה בצמחים. לצורך העניין, ניתן להמשיל עלים למפעלים זעירים. כאשר נספג אור השמש בעלה, הופך הכלורופיל את תחמוצת הפחמן ואת המים לחמצן ולגלוקוז, אשר מספקים מקור אנרגיה לצמח כולו. בתאי DSC  נוצרת "פוטוסינתזה מלאכותית", מבנה העלה מוחלף בננו-מבנה נקבובי מתחמוצת טיטניום, והכלורופיל מוחלף במולקולות צבע.

תאים מסוג DSC מכילים תחמוצת טיטניום ננו-קריסטלית, המצופה במולקולות צבע סופגות אור, שטבולות בחומר מוליך חשמל. עוביו של הסרט הפוטוולטאי הוא 10 מיקרומטר בלבד, והוא מונח בתוך שתי שכבות זכוכית או פלסטיק, ככריך. כאשר מכה אור על גבי הפאנל משתחררים האלקטרונים, ויוצרים מעין חורים. החלק בעל המטען החיובי נטען כאשר אלקטרונים נעלמים. חלקיקי תחמוצת הטיטניום, שהם מוליכים למחצה, אוספים את האלקטרונים ומעבירים אותם למעגל חיצוני, היוצר זרם חשמלי.

כיום, קיימים בשוק שלושה סוגים עיקריים של תאים פוטוולטאים מבוססי סיליקון זמינים: סינגל קריסטל, פוליקריסטליין וסיליקון אמורפי. תהליך הייצור של תאים פוטוולטאים מבוססי סיליקון דורש אנרגיה רבה. כ- 40 טון של סיליקון מייצר מגה וואט אחד של חשמל, ואילו על כל טון סיליקון שמיוצר, נפלטים לאוויר 1.5 טון של פחמן דו חמצני.

מנקודת מבט בת קיימא, השיפור העיקרי בתאים פוטוולטאים מבוססי סיליקון, אשר יוצרו במהלך השנים בה קיימת הטכנולוגיה, הוא העלאת אחוזי היעילות מקרינה סולארית לאנרגיית חשמל (עד 15%). לעומת זאת, תאי DSC מיוצרים בעלות נמוכה יותר (יחסית) מבחינת המיכון הדרוש, תוך שימוש בחומרים שקיימים בשוק ושאינם רעילים (יחסית). למרות זאת, עד כה לא עולה ניצולת האנרגיה על 8%, וזה כנראה מה שמשאיר את הטכנולוגיה על שולחן הפיתוח (לבד ממקרים בודדים של ייצור תעשייתי ניסיוני).

להתקנה ויישום של DSC יש מספר יתרונות על פני תאים פוטוולטאים מבוססי סיליקון: התאים, המיוצרים בצורת סרט דק, גמישים ומאפשרים יישומים בפרויקטים ארכיטקטוניים מגוונים. התאים יכולים להשתלב בתהליך הזיגוג על גבי זכוכית, ובכך לשמש גם כאלמנטים להצללת המבנה, אפשר לייצרם בצורות ובגוונים שונים (על-ידי הדפסת דוגמאות שונות על גבי הסרט) ובכך מעלים את הגמישות, את היצירתיות ואת הערך האסתטי שאפשר להפיק מהם. בנוסף,DSC  מייצר חשמל גם בתנאים בהם התאורה חלשה ואפילו בתנאי גשם.

מקור הידיעה

יער סהרה - ממדבר לנווה מדבר

פרויקט ניסיוני המכונה "יער סהרה" ינסה להפריח חיים באזורים שחונים, תוך חיקוי עקרונות הפעולה של מערכות אקולוגיות בטבע.

סייע בהכנת הידיעה: זיו כהני

חיסרון במי שתייה הוא מקור לסבל ולעוני במקומות רבים בעולם. שיטות נוכחיות להתמודדות עם מצב זה כוללות שאיבת יתר ממאגרים תת קרקעיים, הובלת מים מאזורים מרוחקים והתפלת יתר. פתרונות אלה יקרים אנרגטית, ואינם מקיימים. 
מערכות מתוכננות על-ידי אדם הן בדרך כלל מערכות ליניאריות, כאלה המייצרות אשפה ותלויות בדלקים פוסיליים. למערכות אלה לרוב תפקיד אחד, והן  מתוכננות למיצוי תפקיד זה באופן מכסימאלי. פרויקט יער סהרה נועד להתמודד עם האתגר של יצירת מים באזורים שחונים תוך יישום פרדיגמה שונה, המודגמת במערכות אקולוגיות בוגרות.

במערכות אקולוגיות בוגרות מקור האנרגיה היא השמש ואין פסולת באופן שתוצרי הלואי של אורגניזם אחד מהווים מקור מזור לאורגניזם אחר וחזרת תוצרי הלואי למעגל החומר. מערכות אקולוגיות מתפתחות לכדי אופטימיזציה.

פרויקט יער סהרה מונע על ידי חזון של שלושה יזמים, ביניהם גם האדריכל מייקל פאולין, המזוהה עם מספר פרויקטים ביומימטיים. חזונם של האדריכל, מתכנן מתקני התפלת מי ים ומהנדס אזרחי הוא להפוך את מדבר סהרה - המסמל שממה - למקור של אנרגיה, מים ומזון, ולאפשר פיתוח חקלאי באזורים שחונים.

התמונה באדיבות Luca Galuzzi 

אז איך מפריחים את השממה בצורה מקיימת?

הרעיון המרכזי הוא להשתמש במשאבים זמינים ומתחדשים, קרינת השמש והאוויר, באמצעות שילוב סינרגטי של שתי טכנולוגיות מקיימות, בהן טכנולוגיה לייצור אנרגיה סולארית וטכנולוגיה לייצור מים.

הטכנולוגיה הסולארית, המכונה (Concentrated Solar Power) CPS, מבוססת על שימוש באלפי מראות למיקוד קרינת השמש לעבר דוד חימום המכיל מים. המים מתחממים לכ- 540 מעלות צלזיוס ומייצרים קיטור. הקיטור מניע טורבינה המייצרת חשמל.

הטכנולוגיה להפקת המים, המכונה חממת מי ים, הופכת מי ים למים נקיים באמצעות קרני השמש. אוויר מוזרם לעבר מבנה שעל קירותיו מותזים מי ים קרים. האוויר שנכנס למבנה מתקרר באופן מהיר, מתמלא לחות ואז מתעבה למים נקיים באמצעות קרני השמש.

הפרויקט צפוי להשתרע על שטח של כ 200 דונם, ולעלות כ 80 מיליון יורו וצפוי לקום בקאטר במהלך 2012. דווח גם כי ממשלות נורבגיה וירדן החליטו להשקיע משאבים לצורך הקמת פרויקט ניסיוני מחקרי בקרבת הערבה וים-המלח. מצפים שבשנת 2015 המחקר יבשיל לכדי פרויקט מקיים, בעל פוטנציאל כלכלי.

מקור הידיעה

לקראת עונת הרחצה – מה אפשר ללמוד מהמדוזה

לקראת עונת הרחצה, ונחילי המדוזות הצפויים להגיע לחופי ארצנו, אנו שמחים לספר לכם שברע הזה יש גם טוב. חוקרים אמריקאים פיתחו רובוט מדוזה – הרובוג'לי, למשימות חילוץ והצלה תת מימיים. רובוט, אשר באופן תיאורטי מונע על ידי ריאקציה כימית תת מימית, ואינו זקוק למקור אנרגיה חיצוני.

הרובוג'לי בנוי מחומרים חכמים, בעלי יכולת שינוי צורה וגודל כתוצאה מגירוי, וצינורות פחמן מזעריות. הוא מונע על ידי ריאקציה כימית המתרחשת על פני שטח הרובוט והוא מסוגל לחקות את תנועת המדוזה בסביבה מימית.

מנגנון השחיה הפשוט של המדוזה הוא מודל אידיאלי לכלי רכב תת מימי. תנועת המדוזה הינה פאסיבית ברובה, היא מתקדמת באמצעות כיוונון קל של הגוף ותנועת התכווצות ושחרור. השרירים הטבעתיים המצויים במרכז המדוזה (במקום שנראה כמו מטריה מבפנים) מתכווצים, ועל ידי כך מתכווץ מרכז המדוזה ויוצר זרנוק מים המניע את המדוזה. לאחר מכן השרירים נרפים והמדוזה חוזרת לצורתה המקורית.

תנועתיות זו שוכפלה לכלי רכב מימי, שהורכב מחומרים בעלי זכרון צורה (Shape Memory Alloys) SMA. אלה חומרים חכמים, הזוכרים את צורתם המקורית. הם מצופים בצינוריות פחמן ובאבקת פלטינה שחורה. הרובוט מונע על ידי ריאקציה כימית בין החמצן והמימן שבמים לבין הפלטינה שבציפוי. החום שנוצר בריאקציה זו מועבר לשרירים המלאכותיים וגורם לשינוי בצורתם. הרובוג'לי מייצר למעשה אנרגיה מחומרים שסביבו, ללא צורך בהחלפת סוללות.

בשלב זה מבצע הרובוט את מרבית הפונקציות המתוכננות על ידי תנועה של שמונת הזרועות, אך עדיין מופעל באמצעות סוללות כפי שניתן לראות בסרטון הבא:

http://www.youtube.com/watch?v=U2OSJQhHQp8

אז בפעם הבאה שאתם רואים מדוזה מתקרבת אליכם, זכרו – אפילו ממנה אפשר ללמוד משהו...
מקור הידיעה

חדש(נ)ות מהטבע פברואר 2012

באוניברסיטאות שונות בעולם, מבצעים היום צוותי מחקר משולבים של מהנדסים וביולוגיים מחקרים יישומיים. בהארוורד הוקמה מחלקה שלמה למחקר יישומי ביומימטי, בברקלי משלבים מהנדסים וביולוגיים במחקרים יישומיים שונים, וגם באנגליה, ביפן ובגרמניה יש יותר ויותר קורסים, מחקרים ופטנטים בתחום. חדש(נ)ות מהטבע, במתכונתו הנוכחית, מביא לקוראים בארץ את סיפורי התוצרים של עבודה משולבת זו.

בגיליון זה של חדשנות מהטבע אנו פותחים בסדרת כתבות מאת מאיה גבעון, על קבלת החלטות בעולם החי, על סדרות מתמטיות שמורות בטבע ועל הקשר שלהן לשדות אנרגיה. בנוסף, נתאר מחקרים חדשים בנושא עמידות קורי העכביש, בנושא מהירות שחיית הכריש ובנושא ייצוב השממית על משטח חלק. בעלי חיים אלה כבר תוארו בידיעון זה בעבר, ומחקרים חדשים שופכים אור נוסף על המנגנונים והמבנים שבבסיס תכונותיהם.

קוראים המעוניינים לקבל מידע שוטף מוזמנים להצטרף  לדף הפייסבוק של ארגון הביומימיקרי, ולקרוא בו ידיעות נוספות על פיתוחים אחרונים בהשראת הטבע, ועל פעילות הארגון. כמו כן, להרשמה לקבלת חדש(נ)ות מהטבע ישירות לתיבת הדואר - הרשמה לידיעון.

בהזדמנות זו, אנו רוצים לאחל ליעל הלפמן-כהן, מנכ"ל ארגון הביומימיקרי הישראלי,

מזל טוב להולדת בנה אייל.

                                                                     בברכת קריאה מהנה,

                                                                           צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי