יתרון ביולוגי

01.12.2003
 
ד"ר רועי בר-זיו. גנים במעגל
 
 
עיבוד ואיחזור מידע הוא שם המשחק בתעשייה המתקדמת. מדענים ומהנדסים משקיעים מאמצים רבים בפיתוח דרכים ושיטות לבצע את התהליכים האלה ביעילות ובמהירות רבות יותר, ובמתקנים קטנים יותר. ד"ר רועי בר-זיו מהמחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע סבור, שהייעול והמיזעור המוחלטים כבר מצויים בידינו: זהו החומר הגנטי, די-אן-אי. מהנדסי חומרה יכולים רק לחלום על התקנים בסדר הגודל של די-אן-אי. מהנדסי תוכנה יכולים להשתאות למראה היעילות, האמינות ומנגנוני התיקון ה"אוטומטיים" של החומר הגנטי. מכל אלה מתבקשת האפשרות לפתח דרכים לניצול תכונותיו הייחודיות של הדי-אן-אי לבניית מערכות מלאכותיות שיוכלו לעמוד בבסיסיהם של טכנולוגיות והתקנים שונים, שיהיו בעלי מגוון תכונות מבטיחות.
 
ד"ר בר-זיו, פרופ' אלבר ליבשאבר וד"ר וינסנט נוארו מאוניברסיטת רוקפלר בניו-יורק, צעדו צעד משמעותי לקראת מימוש החזון זה. הם יצרו והדגימו מעגל פעולה המזכיר מעגל אלקטרוני, אלא שהמעגל שלהם היה מבוסס על גנים שפעלו מחוץ לתאים חיים. תהליך התכנון של המעגל, שהוא, למעשה, מעין חיקוי של המערכת הביולוגית, התבסס על זיהוי המרכיבים החיוניים וסדר הפעולות של מעגל אלקטרוני רגיל. מערכת מידע אלקטרונית כוללת בדרך כלל ארבעה מרכיבים עיקריים - קלט, עיבוד (השינוי או החישוב שמתבצע בקלט), פלט (התוצאה), ושלבי פעולה עוקבים שבהם פלט של שלב מסוים הוא הקלט של שלב הפעולה המתקדם הבא. המעגל בנוי משלושה גנים, והוא מכיל גם אנזימים שונים, חומצות אמינו, וחומרים מספקי אנרגיה.
 
המעגל המבוסס על די-אן-אי לא דמה כלל וכלל למעגלים האלקטרוניים המוטבעים בשבבי סיליקון, המשמשים במתקנים אלקטרוניים קיימים. לצורך בנייתו השתמשו המדענים במערכת ביולוגית המייצרת חלבונים במבחנה, המבוססת על תמצית של נבטי חיטה, שממנה הורחקו גרעיני התאים והקרומים. מה שנותר הוא, למעשה, מעין מרק של חומרים תוך-תאיים,לרבות הריבוזומים, המתרגמים את המידע האצור בגנים, ויוצרים לפיו חלבונים. הקלטים היו פלסמידים, שהם מבנים של גנים שונים, וכן האנזימים המשעתקים את הדי-אן-אי ויוצרים על פיו מולקולות של אר-אן-אי שליח. הפלט היו החלבונים שיצרו הריבוזומים. המעגל תוכנן כך שהחלבונים שמקודד גן אחד התחברו לגן השני והפעילו אותו, וכך הלאה. המפסק הראשי של המעגל היה הסוכר לקטוז. כשהוסיפו את הסוכר הזה למערכת, הוא מנע מאנזים אחד לחסום את פעילות הגן הראשון במעגל, דבר שאיפשר את הפעלת המעגל (לעומת זאת, מחסור בסוכר גרם להפסקת פעולתו של המעגל).
 
אבל הסיכויים שקערות של מרק ביולוגי יחליפו בעתיד הקרוב את המחשבונים והיומנים האלקטרוניים נראים בשלב זה קלושים ביותר. תהליך ייצור החלבון נמשך כשעה, ולעיתים יותר. ואם לא די בכך, מתברר שהתהליך כולו מתעכב עוד יותר מכיוון שהשלב השני במעגל מתחיל רק לאחר שב"מרק" נוצרת כמות גדולה מספיק של החלבון שהוא הפלט (התוצר) של השלב הראשון. כשמנסים להוסיף יותר מדי שלבים לרצף, הכל מתחיל להשתבש, כי המשאבים הזמינים נגמרים ורמות הפלטים מגיעות לרווייה. ד"ר בר-זיו אומר, שהבנת הגורמים לצווארי הבקבוק האלה היא המפתח ליישום עתידי של מעגלים מבוססי די-אן-אי. תיאום מדוקדק של שלבי ביניים בתהליך ושיפורים בהנדסת המעגל (למשל, יצירת תהליכי משוב),עשויים לפתור חלק מהבעיות, אבל גם כך, מעגלי די-אן-אי לעולם לא יתחרו במהירות עם המעגלים האלקטרוניים, שמהירות העברה האותות בהם היא כמעט מיידית.
 
היתרונות האפשריים של מעגלי הדי-אן-אי נובעים מיכולתם של מיליארדי מולקולות לפעול במקביל, ובעובדה שהגנים מגיעים מה"מפעל" כשהתוכנה כבר כלולה בהם. בנוסף, הדי-אן-אי יכול ליצור העתקים מדויקים של עצמו, ולתקן נזקים ו"קלקולים" שפוגעים בו. ד"ר בר-זיו: "עדיף שנתרחק מהמודל האלקטרוני, ושנתקדם לקראת פיתוח יכולת ליישם את שפת המערכות הביולוגיות במערכות מלאכותיות. הגן הוא חומרה, תוכנה ומידע, המעורבים זה בזה ללא יכולת להפריד ביניהם. מדענים רבים מנסים לבנות ננו-מכשירים שניתן לתכנת מראש את פעילותם. אבל מדוע לא להשתמש במערכת שכבר עומדת לרשותנו?"
 
ד"ר בר-זיו קיבל תואר שני ושלישי בפיסיקה ממדרשת פיינברג של מכון ויצמן למדע (בהנחייתם של פרופ' שמואל שפרן ופרופ' אלישע מוזס). לאחר מכן ביצע מחקר בתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת רוקפלר במעבדתו של פרופ' אלבר ליבשאבר שהוכתר באחרונה בתואר דוקטור לשם כבוד מטעם מכון ויצמן למדע. במחקרים שהוא מבצע בימים אלה, במכון ויצמן, הוא מנסה למצוא דרכים לשילוב די-אן-אי במערכות מורכבות. הוא שואף להגיע ליישומים מעשיים של מעגלים מבוססי די-אן-אי במערכות שונות בתחום המחשבים, וכן באיבחון רפואי, טיפולים רפואיים, ביוטכנולוגה ועוד.
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם