ביומימיקרי היא גישת מחקר חדשנית המחפשת פתרונות ברי קיימא לאתגרים אנושיים על ידי חיקוי האסטרטגיות והמבנים אשר נוצרו על ידי הטבע במהלך הזמן. בביומימיקרי משתמשים בכלים מתחום מדע החומרים וההנדסה ומתבוננים בטבע לצורך השראה. הדוגמא המוכרת ביותר של ביומימיקרי היא עלה הלוטוס. פרח הלוטוס הוא צמח מים. עלי הצמח ידועים בתכונת הסופר הידרופוביות שלהם אשר מוכרים כ"אפקט הלוטוס". סופר הידרופוביות זו אינה מגיעה כתוצאה מההרכב הכימי של פני השטח אלא דווקא כתוצאה ממיקרו מבנה פני השטח.
במחקר שלנו אנו לוקחות כלים מעולם הביומימיקרי – חיקוי מבנים טבעיים – ומשתמשות בהם על מנת ללמוד יותר על הטבע ולא לצורך פיתוח טכנולוגיות סינתטיות. אנו מתייחסות לפני השטח של הצמח כאל שער הכניסה אל הצמח. כל פעולת גומלין בין הצמח וסביבתו מתחילה בפני השטח. אם נסתכל על מערכת היחסים בין הצמח ואורגניזמים חיים כגון חיידקים, פטריות או חרקים, התגובה ההתחלתית קורית על פני השטח. במהלך פעולת הגומלין הזו, ישנם סיגנלים רבים המועברים בין הצמח לבין האורגניזם – סיגנלים מולקולריים וכימיים המופרשים ונספגים על ידי כל אחד מהצדדים. בעוד שהסיגנלים הכימיים והמולקולריים נלמדים באופן נרחב במערכות אלו, ישנו סיגנל אחד אשר לרוב אינו מקבל התייחסות – הסיגנל הפיסיקלי המתקבל כתוצאה ממיקרו טופוגרפיית פני השטח.
חקירת הסיגנל הפיסיקלי, תוך כדי שימוש במערכת הטבעית, יכולה להיות מאתגרת מאד. זאת מכיוון שהמערכת הטבעית היא מאד רועשת ומלאה בסיגנלים כימיים ומולקולריים נוספים. אי לכך, יש עניין במציאת שיטה אחרת דרכה ניתן יהיה ללמוד על השפעת המבנה, באופן מבודד משאר הגורמים, על יחסי צמח-סביבה. אנו משתמשות בביומימיקרי לצורך זה בדיוק. אנו בונות משטחים סינתטיים המחקים את מבנה פני השטח בדיוק של עד פחות ממיקרומטר אחד. המשטחים אותם אנו בונות הם אינרטיים (אינם מגיבים כימית) ועשויים מפולימר בשם polydimethylsiloxane (PDMS) אשר הוא ביוקומפטבילי (מאפשר חיות של אורגניזמים ביולוגיים על פניו), שקוף, זול וזמין מסחרית. אנו מכינות את המשטחים בשיטה פשוטה הכוללת שני שלבי יציקה ונקראת ליתוגרפיה רכה (soft lithography).
אחת ממערכות המודל שלנו היא המערכת של עגבניה ובוטריטיס. בוטריטיס היא פטריה פתוגנית אשר לה מאכסנים רבים, אחד מהם הוא העגבניה. פטריה זו גורמת למחלת העובש האפור. הפטריה מופצת כנבגים בעזרת הרוח ונוחתת על פני שטח הצמח, לרוב על העלים. בהינתן התנאים המתאימים, הנבגים יינצו ויחדרו אל תוך הצמח. המחלה מייצרת פצעים על הצמח ועל הפרי ובכך גורמת לאובדן יבול והפסד כספי. גודל נבגי הפטריה הוא כ 10 מיקרונים – אותו סדר הגודל של המאפיינים המיקרו טופוגרפיים של פני שטח העלה.
בעזרת המערכת הסינתטית שלנו אנו לומדות על השפעת מבנה פני השטח על התפתחות הפטריה ואף על יכולותיה הפתוגניות. על ידי גידול נבגים על משטחים חלקים, במקביל למשטחים בעלי מבנה המחקה את פני שטח העלה, מצאנו כי הנבגים מנצים באחוזים גבוהים יותר על משטח בעל מבנה. תופעה זו מרמזת על הכרה של הנבגים את פני השטח עליהם הם מתפתחים גם באופן המבני.
בנוסף למדנו כי התפתחות המושבה של הפטריה על פני צלחת אגר תלויה מאד במבנה פני השטח. המושבה מתפתחת בצורה מעגלית על משטח חלק, אבל מתפתחת לאורך מערכת העורקים של העלה כאשר מבנה פני השטח מחקה את פני השטח של העלה. תופעה זו, של התפתחות פטריות על פני מערכת העורקים, נצפתה בעבר במערכות טבעיות בהסתכלות על פטריות אחרות. ההסבר לתופעה ניתן בכך שמערכת העורקים מוליכה את הסוכרים בעלה ולכן אזור זה עשיר בחומרי מזון וסוכרים. אנו הבחנו בתופעה על פני משטח סינתטי אשר בו הכימיה וזמינות חומרי המזון זהים בכל הכיוונים. המערכת שלנו הראתה כי הסיגנל אותו חשה הפטריה הוא דווקא סיגנל מבני ולא סיגנל כימי. דבר זה מראה על הסתגלות הפטריה למערכת הצמחית וספציפית למבנה פני השטח.
לסיכום, אנו מפתחות מערכות חדשות לצורך הפרדה בין הסיגנל הכימי/מולקולרי לסיגנל הפיסיקלי/טופוגרפי ביחסי צמח-סביבה. מערכת זו תוכל לעזור בהבנה של יחסי הגומלין בין צמח לפתוגן, למיקרוביום, לאוויר או אדמה תוך שימת דגש על פני השטח כחסם המיידי, ומבנה פני השטח כסיגנל נוסף אשר לרוב לא נחקר עד עתה. אנו משתמשות בביומימיקרי באופן חדש – במקום חיקוי הטבע ככלי ליצירת טכנולוגיות, אנו מחקות את הטבע ככלי להבנה טובה יותר של הטבע.
כותבת המאמר: ד"ר מאיה קליינמן
