שיטה מתקדמת להנדסה גנטית, מבוססת על עריכת גנים בתאים בודדים

** אמברגו: מותר לפרסום החל מיום חמישי, 15 בדצמבר, בשעה 18:00 **

מדעני המכון שילבו בין שני כלי מחקר משוכללים – טכנולוגיית קריספר (CRISPR) לעריכת גנים, וטכנולוגיה לבניית פרופיל גנומי של תא בודד. באופן זה הם יצרו שיטה חדשה המאפשרת למדענים לקבל תוצאות ממחקר במהירות וברזולוציה גבוהה מאוד. 

אילו שילובים של מוטציות מסייעים לתאי סרטן לשרוד? אילו תאים ומסלולים במוח מעורבים במחלת האלצהיימר? וכיצד תאי המערכת החיסונית מחליטים אם וכיצד להשמיד תא סרטני? מדעני מכון ויצמן למדע שילבו באחרונה שני כלי מחקר משוכללים – טכנולוגיית קריספר (CRISPR) לעריכת גנים, וטכנולוגיה לבניית פרופיל גנומי של תא בודד – וכך יצרו שיטה חדשה שעשויה לתת מענה לשאלות חשובות אלה, ולעוד רבות אחרות. תוצאות המחקר פורסמו בכתב העת המדעי Cell, לצד עוד שני מחקרים מקבילים שחשפו שיטות מחקר דומות וחדשניות אף הן. מחקרים אלה בוצעו במכון ברוד במסצ'וסטס ובאוניברסיטת קליפורניה בסן פרנסיסקו.

השיטה החדשה מאפשרת למדענים לערוך שינויים בגנים, לעקוב אחר השפעת השינויים הללו בתאים בודדים, ולאפיין אותם ברזולוציה שלא התאפשרה עד כה. כל אלה יתרמו לקיצור משמעותי של הזמן הדרוש לעריכת ניסויים של הנדסה גנטית. "ניסוי בודד שייערך בשיטה שפיתחנו עשוי להיות שווה לאלפים רבים של ניסויים הנעשים כיום, ולהאיץ בצורה משמעותית את תהליך הפיתוח של תרופות עתידיות", אומר פרופ' עידו עמית מהמחלקה לאימונולוגיה במכון ויצמן למדע, שהוביל את המחקר.

טכנולוגיית קריספר לעריכת גנים שינתה את פניו של המחקר הביולוגי מסביב לעולם, והשימוש בה למחקר קליני נמצא מעבר לפינה. בבסיס הטכנולוגיה עומד מנגנון שאותר בחיידקים – מערכת חיסונית פרימיטיבית. מערכת זו, כך התברר, "גוזרת" די-אן-אי של וירוסים תוקפים, ו"מדביקה" אותו בגנום החיידקי כאמצעי ללוחמה עתידית בווירוסים. בשנים האחרונות משתמשים מדענים בטכנולוגיית קריספר לצורך ביצוע שינויים בחלקים מהגנום במיגוון רחב של אורגניזמים ובסוגי תאים שונים. אך חסרונו של קריספר טמון בהיותו כלי מחקר שלבדו אינו מאפשר להבין במדויק את השפעתו של השינוי הגנטי. "לאור זאת, לעיתים קרובות אנחנו מתקשים לאבחן מהי בדיוק התוצאה של העריכה הגנטית", אומר ד"ר דייגו חייטין, אחד ממחבריו הראשיים של המאמר. "רוב התהליכים בגוף סבוכים, ואין אפשרות לפענח אותם באמצעות הכלים הנוכחיים". כותבים ראשיים נוספים הם ד"ר עידו יפה וד"ר אסף וינר – שניהם מקבוצת המחקר של פרופ' עמית.

בשנים האחרונות משכללים פרופ' עמית וחברי קבוצתו את הטכנולוגיה לריצוף תכולת האר-אן-אי בתאים בודדים, "הרגל השנייה" בשיטה החדשה. "מדובר בשדה מחקר המתפתח במהירות, שיש לו השפעה עצומה על עולם הביוטכנולוגיה", מסביר פרופ' עמית. "טכנולוגיה זו מאפשרת לאבחן נקודתית את התיפקוד של כל אחד מהתאים, וגם לחשוף את הרכבם המולקולרי. במילים אחרות, מדובר במיקרוסקופ מולקולרי חדש ורב-עוצמה".

באמצעות טכנולוגיה זו מסוגלים המדענים ממעבדתו של פרופ' עמית לרצף עשרות אלפי תאים מרקמה נתונה, וכן לחשוף את תפקידו של כל אחד מהם. "שיטה זו שימשה אותנו לצורך הבנתן של תופעות רבות, כמו תהליכי ההתפתחות של המוח העוברי והשפעותיו, או האופן שבו מתפקדים תאים מסוימים במערכת החיסונית ברקמות הגוף, לרבות במחלות מוח ניווניות וסרטן", מסביר פרופ' עמית. "אך גם כאן קיים חיסרון: הטכנולוגיה יודעת לחשוף רק את המצב המולקולרי הקיים בדגימת רקמה נתונה, אך לא כיצד ניתן להנדס אותה לצורך ריפוי עתידי".

כעת, לאור השילוב בין שתי הטכנולוגיות, על יתרונותיהן המשמעותיים, הצליחו המדענים לפתח כלי מחקר רב-עוצמה. "הטכנולוגיה החדשה מאפשרת לנו 'לערוך' את הגנים בתאים, ואז לעקוב אחר השינויים במיגוון סוגי תאים ובמצבים השונים שלהם", מסבירים המדענים. האתגר העיקרי מולו התמודדו, הם מספרים, היה להתאים את טכנולוגיית עריכת הגנים לזו של ריצוף אר-אן-אי בתאים בודדים. המטרה שעמדה לנגד עיניהם הייתה ביצוע שורת שינויים בגנום של תאים רבים (לרבות שינויים בכמה גנים בעת ובעונה אחת ובאותו התא), ואחר כך בדיקת התוצאה ברמת התא הבודד. כדי לעשות זאת הם פיתחו טכניקות מולקולריות חדשות לזיהוי התאים ששונו, ולזיהוי השינוי המולקולרי שהתרחש בכל תא ותא, לצד שיטות חישוביות חדשות.

כתוצאה מריצוף האר-אן-איי באלפי תאים התקבל מאגר עצום של מידע. "זה הציב בפנינו אתגר, כי ערכים רבים במאגר היו חסרים", אומר פרופ' עמית. כדי להתגבר על בעיה זו, וכן כדי שיוכלו לסווג נכונה את המידע, פיתחו המדענים אלגוריתם שמטרתו לחלק את התאים לקטגוריות. "קיבצנו תאים שהפגינו התנהגות דומה, באופן המזכיר את האלגוריתם של חברת המדיה 'נטפליקס': הוא מקבץ יחדיו אנשים שאוהבים סרטים דומים, וכך הוא יכול לדעת אם אדם מסוים צפוי לאהוב סרט זה או אחר. כך הצלחנו לזהות מה הם התפקידים של גנים רבים – תפקידים שלא היו ידועים עד היום", אומר ד"ר וינר, שעומד מאחורי פיתוח האלגוריתם. כך למשל, השיטה המשולבת איפשרה למדענים לחקור כיצד פועלים התאים החיסוניים בעכבר, בעודם נלחמים בפתוגנים. "זה ניסוי שבוצע כדי לבחון את הטכנולוגיה שפיתחנו", מדגיש פרופ' עמית. "הוא איפשר לנו לראות אילו גנים מעורבים בלחימה בפתוגן, וכיצד עריכתם מסייעת בפיתוח חיסונים יעילים יותר".

"בשורה התחתונה, השיטה שפיתחנו – תוצאה של שילוב שתי הטכנולוגיות – יכולה להניב תובנות, שאף שיטה שעומדת לבדה אינה יכולה להניב", אומרים המדענים. ד"ר יפה מוסיף: "השילוב ביניהן מאפשר לנו לקבל תוצאות ממחקר במהירות וברזולוציה גבוהה מאוד". הרבגוניות והדיוק שבשיטה יוכלו לאפשר, בעתיד, חקר שאלות פתוחות רבות והפקת ממצאים שאיש עדיין אינו יודע עדיין לחזות.

"טכנולוגיית קריספר אפשרה בשנים האחרונות קפיצת מדרגה משמעותית ביכולת לבצע עריכת גנים", אומר פרופ' עמית. "אנו מקווים שהשיטה החדשה תוביל לזינוק טכנולוגי נוסף, ושבאמצעותה נוכל, בין השאר, לכוונן את תאי המערכת החיסונית להילחם בגידולים סרטניים". 

לקבלת מידע נוסף, תמונות ולתיאום ראיונות:
משרד הדובר - מכון ויצמן למדע
08-9343856 news@weizmann.ac.il