הישג זה פורסם היום בכתב-העת המדעי NATURE, והוצג בכנס מדעי יוקרתי שהתקיים בבריסל בהשתתפות חתני פרסי נובל המתמקד בכיווני התפתחות עתירי חזון בתחומי מדעי החיים והרפואה
מדעני מכון ויצמן פיתחו מחשב ביולוגי מולקולרי שמזהה במבחנה תנאים אופייניים לסרטן מאבחן את סוג הסרטן ומייצר בתגובה מולקולת תרופה מתאימה
מערכת החישוב הביולוגית המולקולרית, הזעירה בעולם על-פי ספר השיאים של גינס מהדורת 2004, עוברת משלב של חישובים פשוטים לתחום אליו נועדה מלכתחילה: עכשיו היא מסוגלת לזהות – במבחנה – מולקולות ביולוגיות המייצגות תנאים האופייניים למחלות סרטן מסוימות, לאבחן את סוג הסרטן ולהגיב בייצור מולקולות תרופה מתאימה.
בשנת 2001 הציגו פרופ' אהוד שפירא מהמחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית ומהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, ועמיתיו למחקר, מערכת חישוב ביולוגית מולקולרית המסוגלת לבצע חישובים פשוטים. הקלט, הפלט וה”תוכנה” של המערכת היו עשויים מולקולות DNA , החומר הגנטי. ה”חומרה” שלה הורכבה משני אנזימים (“מכונות מולקולריות”) המבצעים פעולות חיתוך והדבקה של מולקולות DNA. כאשר מולקולות אלו נתונות יחד בתמיסה, מולקולות החומרה והתוכנה פועלות יחד, בתיאום, על מולקולות הקלט ומייצרות את מולקולת הפלט. מערכת החישוב המולקולרית הזאת ניתנת לתכנות באמצעות בחירת מולקולות שונות של “תוכנה” שיקבעו כיצד תפעל המערכת. בתכנות מסוים, למשל, יכולה המערכת הזאת לבדוק האם במולקולת קלט המקודדת רשימה של ספרות 0 ו-1, כל המופעים של 0 קודמים לכל המופעים של 1. בשנת 2003 הציג הצוות גרסה נוספת של המחשב, אשר משתמש במולקולת הקלט גם כבכמקור האנרגיה של המחשב.
מחשב זה הוא הבסיס למחקר חדש של של פרופ' שפירא וצוותו, תלמידי המחקר יעקב בננסון, בנימין גיל ואורי בן-דור, וד”ר רבקה אדר, ממכון ויצמן למדע, המתפרסם היום בכתב-העת המדעי NATURE, ושהוצג בכנס Life, a Nobel Story בבריסל. במחקר זה נוסף למחשב מנגנון קלט, המאפשר לו לזהות מולקולות ביולוגיות (mRNA) מסוימות, אשר שינויים בכמות שלהן בהשוואה לכמות הנורמלית שלהן בתא מהווים סמן לסוגים מסוימים של סרטן. למחשב נוסף גם מנגנון פלט, המאפשר לו לשחרר בתגובה, באופן מבוקר, מולקולת DNA חד-גדילית המיועדת לגרום למותו של התא הסרטני (הניסוי שעליו מדוחים המדענים בוצע במבחנה, אך בעתיד הם מקווים להפעיל את המערכת ברקמות תאים).
לדוגמה, בסדרת ניסויים אחת הצליחו המדענים לתכנת את המחשב כך שיזהה נוכחות של מולקולות mRNA הנושאות את הקוד ליצור חלבונים מסוימים אשר ביטוי יתר שלהם אופייני למתחולל בתאים של גידולי סרטן הערמונית. המחשב שמזהה את התנאים האלה ומאבחן סרטן ערמונית מייצר בתגובה מולקולת DNA חד-גדילית שהימצאותה בתא גורמת לתא סרטני “להתאבד”. בדרך דומה הצליחו המדענים לאבחן – במבחנה – גם את התנאים האופייניים לגידולים של סוג מסוים של סרטן הריאה (SCLC).
פרופ' שפירא: “החזון שלנו לעתיד הוא שמחשבים ביו-מולקולריים יפעלו בתוך רקמת תאים חיים, יזהו מבעוד מועד מאפיינים של מחלות, יאבחנו את המחלה ויגיבו מיידית בייצור תרופה שתבלום את המחלה שאובחנה בעודה באיבה. לכולנו ברור שהדרך להגשמת החזון ארוכה עד מאוד, וייתכן שיעברו עשרות שנים עד שמחשב כזה יוכל לפעול בגוף האדם. יחד עם זאת, לפני כשנתיים הערכתי שיחלפו לפחות עשר שנים עד שנגיע לתוצאות שהצגנו היום”.
סמ”ק מכיל יותר מידע מטריליון תקליטורים
מחשבים שעשויים מ-DNA יוצרו בעבר, אך לצורך פעולתם נדרשו סדרת פעולות מפרכת, וסיוע של בני אדם. המחשבים המולקולרים הקודמים “בעצם היו מחשבים בגודל של חדר”, אמר הפרופ' שפירא ל”הארץ” לפני יציאתו לכנס בבריסל, ולאחר פרסום המאמר שחשף את המחשב הביולוגי שפותח במכון ויצמן. שפירא וצוותו חיפשו בעבור הננו-מחשב שפיתחו יישום מדעי-רפואי שיכול לנצל את תכונתו הבסיסית – הוא עשוי ממולקולות ולכן יכול לתקשר עם מולקולות אחרות.
בעוד שפיתוח שבבים מבוססי סיליקון מתקרב לקצה גבול יכולת המזעור, המחשב הביולוגי כה קטן, עד שמיליוני מחשבים יכולים להצטופף בטיפה אחת, ולבצע מיליארד פעולות בשנייה. בסנטימטר מעוקב אחד, ניתן לדחוס יותר מידע מאשר בטריליון תקליטורי מחשב.
המחשב הביולוגי שפיתחו אנשי המכון דורש רק את התערובת המולקולרית הנכונה, ומבצע לבדו את כל הפעולות החישוביות. החומרה של המחשב עשויה מאנזימים, שמדביקים וחותכים את ה-DNA. כשמערבבים יחד את ה-DNA והאנזימים הם יכולים לבצע חישובים במידת דיוק של 99.8% ויותר לפעולת חישוב. הפרופ' שפירא הודה שהופתע מתוצאות הניסוי. “לפעמים המדע מספק הפתעות נעימות ולא רק אכזבות”, הוא אומר בחיוך.
כשנשאל מה תוכניותיו לעתיד, ענה: “לנוח. עבדנו קשה על הניסוי ועל המאמר לכתב העת”. לאחר המנוחה, מתכננים המדענים לשכלל ולשפר את כל אחד מרכיביו השונים של המחשב הביולוגי שפיתחו. “מכיוון שהמחשב שלנו מודולרי, אפשר לשפר כל רכיב בנפרד: את רכיב הקלט, רכיב החישוב ורכיב הפלט. לדוגמה, אפשר לחשוב על סוגים אחרים של תרופות שישמשו כפלט של המחשב. האתגר המרכזי, שעדיין לא ברור לנו כיצד נתגבר עליו, הוא כיצד לשלב את המחשב בסביבה חיה”.
לאתר של פרופ' אהוד שפירא
למאמר בנייצ'ר (פורמט PDF
באותו הנושא באתר הידען:
