חיידק בהזמנה

חוקרים בטכניון הפכו תא חיידקי למחשב ביולוגי המנטר חומרים מסוכנים

חוקרים בטכניון מציגים פיתוח הנדסי חסר תקדים: מחשב ביולוגי מורכב שנבנה בתוך תא חיידקי ומסוגל לנטר חומרים שונים בסביבה. המחשב מזהה ומדווח על חומרים רעילים ואחרים, ובשלב הבא תיבחן יכולתו להתריע על דימומים בגוף האדם. מחקרם של הדוקטורנטית נטלי ברגר ופרופ'-משנה ראמז דניאל, ראש המעבדה לביולוגיה סינטטית בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון, התפרסם ב-4 בנובמבר ב-NAR, או בשמו המלא Nucleic Acids Research.

בעשור האחרון הולכות ונופלות החומות שבין ההנדסה למדעי החיים, ומהמפגש בין שתי הדיסציפלינות השונות נולד מדע חדש: ביולוגיה סינתטית. הביולוגיה הסינתטית מכניסה את ההנדסה לתוך הביולוגיה, מאפשרת לנו לתכנן ולבנות מערכות ביולוגיות שאינן קיימות בטבע ומספקת לנו ארגז כלים חדשני לתכנות-מחדש של הקוד הגנטי ביצורים חיים ובהם האדם.

במאמרם ב-NAR מציגים חוקרי הטכניון ארגון-מחדש של המבנה הגנטי של לוציפראז חיידקי – אנזים המניע בחיידק תגובה ביוכימית המתבטאת בפליטת אור. לדברי פרופ'-משנה ראמז, "על סמך המבנה הגנטי של החלבונים המעורבים ביצירת האור בנינו בעצם מחשב ביולוגי בתוך תא חי. במחשב הזה, כמו במחשבים רגילים, פועלים מעגלים המבצעים חישובים מורכבים, רק שכאן אלה מעגלים גנטיים ולא אלקטרוניים."

לוציפרז מקודד בחמישה גנים ידועים האחראים ליצירת האור בתא החיידקי. על ידי פיצול המבנה הטבעי של הלוציפראז יצרו החוקרים מעגלים גנטיים שונים והחדירו אותם לתאים של חיידק אי-קולי. התוצאה: החיידקים המהונדסים משדרים סיגנלים כתוצאה של פעולה חישובית בתוך התא, וכך משמשים כחיישנים (ביוסנסורים) חכמים – כלים אנליטיים לניטור ולכימות של זיהומים סביבתיים וחומרים רעילים ואחרים.

פרופ'-משנה ראמז והדוקטורנטית נטלי ברגר מסבירים כי "כיום כבר קיימים התקנים דומים בחיידקים, אבל הם מבוססים על המערכת הקיימת (לוציפראז) כפי שהיא. אנחנו, לעומת זאת, הרכבנו מחדש את המערכת כך שתפעל באופן הרצוי לנו ותאתר את החומרים, ואת שילובי החומרים, שמעניינים את המשתמש. יותר מכך, המערכת שלנו מסוגלת להתמודד עם קלט מרובה, כלומר עם חומרים שונים בעת ובעונה אחת. את הבעיה שעמדה לפנינו – זיהוי מדויק של קלט – קשה לפתור בשלב המדידות או אחריו, והפתרון האופטימלי טמון ברמה התוך-תאית."

היישום הראשון של המערכת החדשנית נבדק, ופעל בהצלחה, בניטור חומצה נלידיקסית – חומר מסוכן הפוגע בדי-אן-איי ומניע תהליכים סרטניים. בשלב הבא יבחנו החוקרים את האפשרות לתכנת את התא החיידקי כך שיתריע על דימומים בגוף האדם.

"המחקר שלנו לוקח את הביולוגיה הסינתטית צעד אחד קדימה והופך את הביולוגיה למדע מדויק ומתוכנן," מסכם פרופ'-משנה דניאל. "העולם בכלל, והטכניון בפרט, פועלים כיום להידוק הממשק בין מדעי החיים וההנדסה. במחקר הנוכחי פיתחנו ביו-מחשב מורכב, כלומר מערכת ביולוגית מתוכנתת הממלאת משימות מורכבות. למעשה אנחנו מציגים כאן אורגניזם חדש, או מחודש, שלא נוצר בתהליך אבולוציוני רגיל אלא בתהליך הנדסי מתוכנן."

פרופ'-משנה ראמז דניאל השלים תואר ראשון בפקולטה להנדסת חשמל ע"ש ויטרבי בטכניון ותואר שני בהנדסת אלקטרוניקה וחשמל באוניברסיטת תל אביב, שאחריו יצא לתעשייה. לאחר שמונה שנות עבודה בטאואר ג'ז הוא יצא לדוקטורט ואחריו פוסט-דוקטורט ב-MIT, שם בנה את המחשב הביולוגי הראשון בתוך חיידק. מאז שנת 2014 הוא עומד בראש המעבדה לביולוגיה סינתטית בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון.

נטלי ברגר השלימה תואר ראשון ושני בפקולטה להנדסת סביבתית בטכניון, והשנה היא צפויה להשלים את התואר השלישי בפקולטה להנדסה ביו-רפואית.