שערים לוגיים, מחשבים ביולוגיים

בעתיד הרחוק – כך מקווים מדענים – מחשבים זעירים יסתובבו בתוך גופנו, כשהם מצוידים בידע רפואי, יזהו מחלות בשלביהן הראשוניים ויטפלו בהן בו במקום על-ידי שחרור תרופה מתאימה – ללא התערבות חיצונית. כדי שהחזון הזה יקרום עור וגידים, המחשבים צריכים להיות די קטנים כדי להיכנס לתוך תאי הגוף. בנוסף, עליהם לדעת "לדבר" עם המערכות השונות בתא. הדרך היעילה ביותר להתמודד עם שני האתגרים האלה היא ליצור מחשבים המבוססים על מולקולות ביולוגיות, כמו די-אן-אי או חלבונים. זהו אינו רעיון מופרך, שכן יצורים ביולוגיים התפתחו כך שיוכלו לקלוט מידע, לעבד אותו ולהגיב אליו – באופן המזכיר את פעולתו של מחשב. מדענים ממכון ויצמן למדע עשו באחרונה צעד חשוב בכיוון זה, כאשר הצליחו לפתח התקן גנטי עצמאי אשר פועל בהצלחה בתוך תאי חיידקים. ההתקן תוכנת כך שיאבחן פרמטרים מסוימים, ויגיב עליהם בהתאם.

ההתקן שיצרו המדענים – פרופ' אהוד שפירא וד"ר תום רן מהמחלקה לכימיה ביולוגית ומהמחלקה למתמטיקה שימושית ומדעי המחשב – בוחן את נוכחותם של גורמי השיעתוק, חלבונים המווסתים את ביטוי הגנים בתא. במקרים רבים, בעקבות פעילות לא תקינה של גורמים אלה, ביטוים של גנים שונים משתבש, דבר שמוביל להתפתחות מחלה. כך, לדוגמה, בתאים סרטניים משתבשים הגורמים המווסתים את הגדילה והחלוקה, דבר שמוביל לחלוקת תאים מוגברת ולהיווצרותו של גידול. ההתקן – אשר עשוי מרצף די-אן-אי שהוחדר לחיידק על-גבי פלסמיד – מבצע מעין "בדיקת נוכחות" של גורמי השיעתוק. במידה ותוצאות הבדיקה תואמות את הפרמטרים שתוכנתו בו מראש, הוא מגיב ביצירת חלבון הפולט אור ירוק – וכך מספק חיווי חיצוני לאיבחון ה"חיובי". במחקרי המשך, הכוונה היא להחליף את החלבון הפולט אור ירוק בחלבון שישפיע על עתיד התא, כמו לדוגמה, חלבון שייגרום לתא להתאבד. באופן זה, ההתקן ינווט אל מותם אך ורק תאים שאובחנו באופן "חיובי".

ההתקן הראשון אותו יצרו המדענים הוא למעשה שער לוגי מסוג NOR: התקן זה מתוכנת לבדוק את נוכחותם של שני גורמי שיעתוק, ולהגיב ביצירת אור ירוק אך ורק במידה ושני הגורמים אינם נמצאים בתא. ואכן, כאשר החדירו המדענים את ההתקן לארבעה סוגי חיידקים מהונדסים גנטית: סוג שמייצר את שני גורמי השיעתוק, סוג שאינו מייצר אף אחד מהם, ושני סוגים שכל אחד מהם מייצר רק אחד מהגורמים, זרחו בירוק רק תאי החיידקים הנכונים. בהתבסס על ההתקן הגנטי הראשון, יצרו בהמשך המדענים התקנים גנטיים מורכבים יותר, המממשים שערים לוגיים מוכרים מעולם הנדסת האלקטרוניקה: שער לוגי מסוג AND (התקן גנטי המתוכנת לאבחן ולייצר אור ירוק אך ורק אם שני גורמי השיעתוק נמצאים בתא), שער לוגי מסוג OR (התקן גנטי המתוכנת לאבחן ולייצר אור ירוק אך ורק אם לפחות אחד מגורמי השיעתוק נוכח), ושער לוגי מסוג NOT (התקן גנטי אשר מאבחן את נוכחותו של גורם שיעתוק אחד, ומייצר אור ירוק אך ורק אם הוא אינו נוכח בתא החיידק). תוצאות המחקר, בו השתתפו גם תלמידי המחקר יוני דואק ולילך מילו, התפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Scientific Reports.

בעקבות התוצאות המוצלחות בתאי חיידקים, מתכננים החוקרים להמשיך ולבחון כיצד ניתן לתכנת ו"לגייס" את החיידקים כמערכת יעילה ונוחה לתפעול למטרות רפואיות, אותה אפשר יהיה גם להחדיר בקלות לגוף האדם (באופן טבעי, בגוף האדם פי עשרה תאי חיידקים מתאים אנושיים). מטרה נוספת היא להפעיל מערכת דומה בתוך תאים אנושיים – שהם מורכבים בהרבה מתאי חיידקים.