ביו-מולקולות, המכונות המתחזקות את החיים, משנות את צורתן (את הקונפורמציות שלהן) תדיר ובמהירות גבוהה – מתכופפות, מיטלטלות ומתפתלות.   דינמיקה זו מקשה לחקור כיצד הן מוציאות לפועל את פעילותן, כיצד נפגמת פעילותן במחלות, וכיצד מולקולות אחרות (כגון תרופות פוטנציאליות) משפיעות עליהן.
דרך אחת להתבונן על דינמיקה זו מתאפשרת באמצעות הצמדה של דווחנים (reporters) קטנטנים, הנקראים פלואורופורים, אל הביו-מולקולות שאחרי תנועתן אנו מעוניינים לעקוב. ניתן לדמות את הדווחנים לטלפונים סלולריים קטנטנים, אשר מאפשרים שליחת מסרים בחזרה אל החוקרות/ים, כאשר המסרים הינם פוטונים (מנות אור קטנות). הבנת מידע זה דומה לניחוש מה עושה שולח/ת ההודעה ברגע נתון, בהתבסס על סוג ההודעות הנשלחות באותו רגע:

• נשלח בעיקר דוא"ל – השולח/ת ככל הנראה בעבודה
• נשלחות בעיקר הודעות וואטצאפ – השולח/ת ככל הנראה בביתה/ו

בדומה להודעות דוא"ל או וואטצאפ, גם הפוטונים המדווחים על מצב הביו-מולקולות עשויים להגיע בכל רגע נתון ללא קשר לסוג ההודעה. אם כן, מידע מסוג זה הינו מבולגן וקשה לפענוח.
על מנת לסייע בתהליך ניתוח הנתונים, בהקשר של חקר הדינמיקה הביו-מולקולרית ממדידות פלואורוסנסציה ברמת המולקולה הבודדת, כאשר המידע הגס הינו זמני גילוי פוטונים, פיתחתי יחד עם  הפוסט-דוקטורנט ד"ר פול דיוויד האריס שיטת ניתוח מידע חדשנית -  Multi-parameter photon-by-photon hidden Markov modelling (mpH2MM).
שיטה זו מאפשרת ניתוח נתונים ברמת הפוטונים הבודדים, כל מסר נפרד שנשלח באמצעות הדווחנים הקטנים הקשורים לביו-מולקולות הנחקרות (הפלואורופורים). שיטה זו מאפשרת לנתח את שינויי הצורה והמבנה של הביו-מולקולות , לקבוע את הצורות המבניות השונות ואת קצבי המעבר בין הצורות הללו.
אנו וידאנו שהפיתוח שלנו עובד כראוי, והצגנו את הפוטנציאל של השיטה באמצעות מדידות של שלוש מערכות ביו-מולקולריות שונות. 
המערכת הראשונה היתה לולאת DNA קטנה, עבורה הדינמיקה המבנית כבר ידועה ומאופיינת היטב. לאחר שהוכחנו את אמינות השיטה במערכת הנ"ל, שילבנו כוחות עם שותפינו מהקבוצה של ת'ורבן קורדס, ממינכן, גרמניה, אשר סיפקו שתי מערכות חלבוניות, המשנות את צורתן ומבניהן כתוצאה מקישור מולקולת ליגנד ספציפית, אך עושות זאת בדינמיקה שונה:
באמצעות המערכת החדשה גילינו כי החלבון MalE, אשר קושר את מולקולת הסוכר מלטוז, אינו משנה את צורתו ומבנהו, אלא אם כן מולקולת מלטוז נקשרת אליו, מה שמשרה שינוי מבנה בחלבון. המצב דומה למישהי/ו אשר מתחיל/ה משימה אך ורק כאשר היא/הוא מקבל/ת מסר.
המערכת הביומולקולרית הנוספת שחקרנו היתה החלבון YopO, חלבון ממשפחת החיידקים Yersinia, אשר זן שלהם גרם למגיפה השחורה (The bubonic plague).   YopO הינו קינאזת סרין/תראונין החשובה ליכולת ההדבקה וההשתלטות על התא המארח.
בניגוד ל MalE, החלבון YopO מקפץ ספונטנית ובאופן קבוע בין שני מבנים כל זמן שהוא אינו קשור למולקולת הליגנד שלו, אקטין. רק לאחר הקישור של מולקולת הליגנד מתייצב החלבון במבנה אחד.
הדבר דומה למישהי/ו המשנה משימות באופן תדיר, אך בוחר/ת להיצמד למשימה אחת בלבד לאחר שהיא/הוא מבין/ה שהמשימה הזו מניבה (פרודוקטיבית).
השיטה החדשה שפיתחנו מצטיינת בשני מאפיינים:

1. היא מסוגלת לזהות מעברי שינוי מבנה מהירים מאוד, עד כדי שינויים המתרחשים במיליוניות שניה (מיקרו-שניות), פי 100 מהר יותר מקצב עדכון מסכי גיימינג מתקדמים. זאת משום שהשיטה בוחנת ישירות את רצף המסרים (פוטונים), במקום לקבצם בקבוצות יחד, בטרם ניתוחם.
2. היא טובה במיוחד בהבחנה בין שינויי מסרים הנובעים מהפלואורופורים כתוצאה משינויים במבנה הביו-מולקולה הנחקרת, לבין שינויי מסרים הנובעים ממוזרויות טבעיות של הפלואורופורים עצמם, אשר אינם קשורים כלל ועיקר לשינויי מבנה ביו-מולקולריים.
   אם נשתמש שוב באנלוגיה בין הפלואורופורים לבין טלפונים סלולריים, אז המוזרויות של הפלואורופורים נדמות לבעיות שמתרחשות כאשר הסוללה של הטלפון הסלולרי כמעט מרוקנת. זה מתאפשר ב mpH2MM באמצעות יכולות השיטה לשלב ממצאים מסוגים שונים הנגזרים מרצף ההודעות (הפוטונים).

כעת אנו מרחיבים את השיטה על מנת שתכלול ממצאים פוטוניים נוספים, שעד כה היה בלתי אפשרי לשלבם, ומיישמים את השימוש בשיטה על מערכות ביומולקולריות נוספות המעניינות את חברי קבוצתנו.
השיטה החדשה שפיתחנו (mpH2MM) הינה שיטה רגישה ורב-שימושית, המסוגלת לגלות את התנועות של המולקולות המאפשרות לחיים לקרות.
 
קיראו את המאמר בכתב העת היוקרתי Nature Communications:
 https://doi.org/10.1038/s41467-022-28632-x