פלא הבריאה בגוף האדם: מנוע של חיידק – ברוורס

מזה כעשרים שנה ידוע על מנוע השוטון שבאמצעותו נעים חיידקים בתוך הגוף - יצירה מופלאה שמדירה שינה מעיניהם של מאמיני המקריות... אך בחודשים האחרונים גילה מחקר חדש שכלול מפתיע במנוע החיידק: הוא מסוגל להפוך בבת אחת את כיוון סיבוב המנוע. מי שמכיר איך עובדים מנועים, יודע שזו פעולה מסובכת ביותר. הרכב, למשל, לא הופך את כיוון המנוע כאשר הוא נוסע רוורס, הוא רק הופך את גלגלי השיניים המבצעים תמסורת מן המנוע. בשביל זה יש לו גיר, וגם החילוף על ידי הגיר נעשה, כמובן, רק במצב עצירה מוחלטת. אי אפשר באמצע נסיעה להעביר לרוורס. אבל כדי שהמנוע עצמו יעצור ויהפוך את הכיוון בבת אחת, יש צורך בטכנולוגיה מתוחכמת מאוד.

ובכן, מסתבר שלחיידק יש הטכנולוגיה הזו!

החיידקים המדוברים נוסעים ברחבי גוף האדם באופן ממונע: בבסיסו של הזנב, המכונה "שוטון", או "פלגלה" בשפה מדעית, מצוי מנוע סיבובי של ממש – מנוע ביולוגי זעיר, שבנוי ממספר טבעות, צירים וחלבונים הפועלים יחד כמערכת מכנית מורכבת.

המנוע הזה פועל במהירויות שקשה להעלות על הדעת בקנה המידה המיקרוסקופי. מדידות הראו כי הוא מסוגל להסתובב מאות ואף אלפי סיבובים בשנייה. לשם השוואה, מנועים תעשייתיים גדולים מגיעים למהירויות דומות רק בתנאים מבוקרים ובמערכות מכניות גדולות בהרבה. כאן מדובר במערכת זעירה שקוטרה נמדד בננומטרים בלבד.

הגילוי האחרון בעניין הוא, כאמור, יכולתו של המנוע הזעיר להחליף כיוון כמעט מיידית. החיידק נע בדרך כלל בקו ישר, כאשר הפלגלה מסתובבת בכיוון אחד. כאשר הכיוון מתהפך – החיידק משנה את תנועתו, מסתחרר מעט, ואז ממשיך במסלול חדש. שינוי הכיוון הזה מתרחש בשבריר שנייה, והוא מאפשר לחיידק לנווט בסביבתו: להתקרב למזון ולהתרחק מחומרים מזיקים.

מבחינה הנדסית, היכולת להחליף כיוון במהירות כזו היא אתגר מורכב ביותר. במכונות רגילות, שינוי כיוון הסיבוב של מנוע כרוך בהאטה, עצירה והאצה מחדש. במנוע הפלגלה התהליך מתבצע כמעט מיד. מחקרים חדשים מציעים כי המנגנון כולל מערכת דמוית "תיבת הילוכים" זעירה – מערכת חלבונים המסוגלת לשנות את דפוס הסיבוב ואת הכוח המועבר לציר.

המנוע עצמו מקבל את האנרגיה שלו לא באמצעות דלק או חשמל, אלא באמצעות זרימה של יונים – בדרך כלל פרוטונים – דרך ממברנת התא. הפרשי הריכוזים של היונים יוצרים מעין זרם טבעי, והחלבונים שבבסיס המנוע ממירים את האנרגיה הזו לסיבוב מכני. כך נוצרת מערכת שמזכירה במידה רבה טורבינה זעירה שפועלת באמצעות זרימה של חלקיקים טעונים.

במחקרים עדכניים הוצעו גם מודלים שמראים כיצד המערכת יכולה לשנות את יחס הכוח והמהירות, בדומה להילוכים במכונית. התאמה זו מאפשרת לחיידק לפעול ביעילות בתנאים שונים – למשל בנוזלים סמיכים יותר, או כאשר הוא צריך להאיץ במהירות.

למנגנון זה יש גם חשיבות מדעית רחבה יותר. מהנדסים וחוקרי ננוטכנולוגיה מתבוננים בפלגלה כמודל אפשרי לפיתוח מנועים זעירים מלאכותיים. בעולם שבו הולכים ונבנים התקנים מיקרוסקופיים – החל ברובוטים זעירים ועד מערכות רפואיות המיועדות לפעול בתוך גוף האדם – מערכות ביולוגיות כאלו מספקות השראה ממשית לפתרונות הנדסיים.