מדע חדש נולד – הביו אינפורמטיקה

תחום מדעי חדש, ביואינפורמטיקה, המשלב בין הביולוגיה למדעי המחשב * רובוט להדפסת שבבי דנ”א. זרוע המכשי אוספת מקטעי דנ”א ידועיםו”מדפיסה”אות על השבבים

מרית סלוין, הארץ

גילויו של הגנום האנושי עורר “בהלה לזהב” חדשה לפיתוח תרופות שיהיו מבוססות על מידע גנטי. הצורך להכניס סדר בכמות המידע האדירה ולצרף את פיסות המידע לתמונה כוללת יצר תחום מדעי חדש, ביואינפורמטיקה, המשלב בין הביולוגיה למדעי המחשב

רובוט להדפסת שבבי דנ”א. זרוע המכשיר (בצהוב) אוספת מקטעי דנ”א ידועים ו”מדפיסה” אותם על השבבים מאות מיליוני צירופים שונים של ארבע האותיות-A ,C ,G ,Tכך נראית מפת הדנ”א שהתפרסמה לפני כחודשיים. בתוך כל אלה טמון סוד החיים. לקורא הפשוט נראית המפה המוזרה הזאת כמו בליל של אותיות חסרות פשר. המדען יודע כי סדר האותיות אינו מקרי, וכי הן מייצגות את אבני הבניין של כ-26 אלף גנים המספקים את הוראות ההפעלה של תהליכי החיים.

אבל איפה בדיוק מצויים הגנים ועל מה כל אחד מהם מופקד? מציאת הסדר בתוך מיליארדי האותיות הללו נראית משימה בלתי אפשרית. גם אם יוצאים מההנחה שכל גן ממוקם באזור מוגדר בסליל הדנ”א, ברור כיום שכל גן מקודד ליותר מחלבון אחד. איך מוצאים את האזורים האלה, כאשר ידוע כי רק כ-%8 מכלל הגנום שייך לגנים מתפקדים,וכל השאר מורכב מרצפים של דנ”א חסרי משמעות שתפקידם עדיין אינו ידוע?

כמות המידע הזורמת במעבדות המחקר הולכת גדלה. כבר לפני שמונה חודשים שבב דנ”א בפעולה. הצבעים השונים מאפשרים לזהות את עוצמת פעילותם של הגנים פירסמה חברת”סלרה ג'נומיקס” כי יש בידה כמות מידע שאפשר לאחסן ב-80 אלף תקליטורים, שאם יסדרו אותם (עם מכסיהם) על מדפים, יגיע אורך המדפים לקילומטר. אבל גם כאשר יתגלה מיקומם של גנים על סליל הדנ”א, הדרך הארוכה והמפרכת לפיצוח הקוד הגנטי רק תתחיל. רוב השאלות עדיין פתוחות: מהו תפקידו של כל גן? מתי ובאילו רקמות בגוף מופעלים גנים שונים? מי הם החלבונים שהגנים האלה מקודדים? מהו המבנה המרחבי של החלבונים האלה ? איך הם מגיבים זה לזה בבריאות ובחולי?

הצורך להתמודד עם כמות המידע האדירה, להכניס בה סדר ולהבין איך מצטרפות פיסות המידע לתמונה כוללת, יצר תחום מדעי חדש ושמו ביואינפורמטיקה, תחום המשלב בין הביולוגיה למדעי המחשב. כבר כיום מעורבות בעסקי הביואינפורמטיקה כ-50 חברות פרטיות וציבוריות האוספות את המידע, מתרגמות את העובדות ומייצרות מאגרי נתונים. מאגרי הנתונים של החברות כוללים מידע על מקטעי דנ”א שכבר פוענחו, איפה ומתי מופעלים גנים מסוימים. במידע כלולים גם הבדלים גנטיים זעירים בין אדם לחברו, מבנה של חלבונים שונים ומפות המתארות איך החלבונים פועלים זה עם זה. מאגרי המידע כוללים גם את פרטי מיפוי החומר הגנטי של יצורים אחרים שהתבררו זה כבר. הנגישות אל המידע נמכרת לחברות פרמצבטיות וביוטכנולוגיות במיליוני דולרים.

חברות התרופות מתעניינות במאגרי הנתונים, כי באמצעותם יהיה אפשר למצוא מטרות טובות לפיתוח תרופות. הבנת הבסיס הגנטי של מחלה מסוימת מאפשרת לדעת מהו החלבון הפגום שנוצר ולפתח תרופה שתחסום את פעולתו.

כבר היום אפשר לראות את ניצני המהפך הביו-רפואי בעקבות התפתחות הביואינפורמטיקה. תרופות חדשות מיוצרות בטכניקות מתוחכמות המתבססות על הבנת תפקודם של גנים שונים.

התחום החדש הזה, הקרוי פרמקוגנומיקה, מתרכז בחיפוש אחר חלבונים העשויים לשמש מטרה לתרופות חדשות. התהליך הזה מקצר את משך הפיתוח של חדשה, מאריך את זמן השימוש בה לפני שפג תוקף הפטנט שלה, וכך מגדיל מאוד את רווחי החברה. ההתפתחות המהירה בתחום תוביל, בתוך זמן קצר יחסית, לפיתוח תרופות שיהיו תפורות על פי הפרופיל הגנטי של כל אדם. אנליסטים מעריכים כי התחום יצבור תאוצה לקראת 2005 ויגלגל כספים בסדר גודל של מיליארדי דולרים. אין פלא איפוא שחברות תרופות ענקיות, מעבדות אקדמיות וכספים ציבוריים מתאחדים יחד ל”בהלה לזהב” הווירטואלית כדי לחשוף את המידע המבטיח האצור בגנום.

תחום פיתוח התרופות עובר בימים אלה מהפך קונצפטואלי. עד לאחרונה, היתה ההתערבות התרופתית בדרך כלל בתסמיני המחלה, לרוב באמצעות חיפוש אחר תרופות חדשות מצמחים, או פיתוח חומרים דומים לתרופות קיימות, המחקים את אופן פעולתן. גם אם מבינים את מנגנון הפעולה של תרופה מסוימת, קשה לרופאים לנחש איזו תרופה תפעל בהצלחה על איזה חולה. תרופות מסוימות פועלות היטב על חולה אחד וחסרות כל השפעה על חולה אחר. המערך הגנטי של כל פרט הוא שאחראי על כך, והבנתו תאפשר להתאים תרופה אישית לכל חולה.

יישומה של טכנולוגיה זו שמור בינתיים לעתיד, אך כבר כיום יש התפתחות מסחררת בפיתוח התרופות הגנומיות-תרופות שפיתוחן מבוסס על מידע גנטי. חברות התרופות מחפשות בלא הרף גנים המקודדים לחלבונים העשויים להשתתף בתהליכי מחלה. אם נמצא גן שהוכח כי הוא משתתף בתהליכים פתולוגיים, מחפשים במאגרי המידע הביואינפורמטיוויים דמיון בין מקטע הדנ”א של הגן ובין מקטעי דנ”א מיצורים אחרים, שהרצף שלהם ידוע וידוע אף החלבון המקודד ממנו. ההיגיון בחיפוש כזה מבוסס על העובדה כי חלקים בדנ”א,המקודדים לחלבונים המשתתפים בתהליכי חיים חשובים, נשמרים בדרך כלל במשך האבולוציה והרצף שלהם דומה בשמרים, בזבובים, במכרסמים ובבני אדם. לכן אפשר להשוות בין הרצפים השונים, ומהדמיון בין הגנים אפשר להסיק על מהות החלבון שהגן מקודד, ולעתים גם על מבנהו ודרך פעולתו.

אחת הדוגמאות לכך היא פיתוח חדשני של תרופה נגד אוסטיאופורוזיס-מחלה המתבטאת בדלדול רקמת העצם ותוקפת נשים רבות בגיל הבלות. ב-1993 מצאו חוקרים מחברת התרופות האמריקאית “סמית-קליין-ביצים” גן שבודד מסוג מסוים של תאי עצם. תאי העצם האלה מתפרקים בתהליך הבנייה והפירוק הרגילים של העצם, אך אצל חולי אוסטיאופורוזיס פעילות ההתפרקות מוגברת, מה שגורם לדלדול רקמת העצם של החולים. החוקרים פנו למדענים מחברת הביואינפורמטיקה Human Genom” “Sciences וביקשו מהם לקבוע את רצף הדנ”א של הגן ולחפש במאגר הנתונים שלהם רצפים דומים לזה, כדי לתת בידם רמז כלשהו על מהות החלבון שהגן מקודד.

במאגרי הנתונים זיהו את רצף הדנ”א של הגן וגם נמצא רצף דומה לו; כך התאפשר זיהוי החלבון שהגן מקודד. התברר שהחלבון שייך לקבוצת מולקולות ידועות, קטפסינים.

התרגיל הזה בביואינפורמטיקה נתן למדעני
“סמית-קליין-ביצים” בתוך שבועות ספורים מטרה מבטיחה לפיתוח תרופה חדשה שתעכב את פעילות החלבון ואולי תאט את קצב הפירוק של העצם. מיותר לומר כי בניסויי המעבדה הסטנדרדיים, האפשרות להגיע להישג כזה מחייבת עבודה קשה של שנים רבות, ולא תמיד בהצלחה. עתה מנסים מדעני החברה לפתח תרופה שתתקשר לאתר הפעיל במולקולת הקטפסין ותבלום את פעילותה. הניסויים האלה עדיין מתנהלים במעבדה “רטובה”, כלומר בניסויים קלאסיים שבודקים בהם-בניסויי מעבדה, בבעלי חיים ובניסויים קליניים בבני אדם-את פעילות התרופה, רעילותה ומידת הספיגה שלה בגוף.

גם כאן מסייעת הביואינפורמטיקה לחוקרים. מדענים סבורים כי לא ירחק היום שבו, על סמך נתונים כמו מבנה חלבונים ויחסי גומלין בין חלבונים שונים המצויים במאגרי המידע, יהיה אפשר לבדוק באופן ממוחשב את כל המדדים הנבדקים היום במעבדה. שיטת העבודה המהפכנית הזאת נקראת “ביולוגיה בסיליקון”.

אלפרד גילמן מהמרכז הרפואי שבאוניברסיטת טקסס, חתן פרס נובל ב-,1994 מנסה ליישם זאת כבר עתה.בסיוע 50 חוקרים מאוניברסיאות שונות הוא מפתח במחשב “תא וירטואלי”, ובו יקודד מידע על מערכות התקשורת הכימית שבתא החי. התא האלקטרוני הזה יאפשר לבחון בעתיד את התרופות החדשות שבפיתוח בלי צורך בניסויים בבעלי חיים ובבני אדם.

הצעדים האלה הם תחילת המהפכה בפיתוח תרופות גנומיות. תעשייה שלמה מתפתחת עתה כדי לנצל את המידע האצור בגנים, לבדוק מתי ובאילו רקמות הגנים נעשים פעילים ולזהות את תכונות החלבונים שהגנים האלה מקודדים. זיהוי החלבונים שמקודדים הגנים, והבנת דרך פעולתם, יצרו תחום חדש הסוחף חברות רבות והשקעות של מאות מיליוני דולרים, ושמו “פרוטאומיקה”. מה שמעניין היום בגנום, מודים חוקרים, הם לא הגנים, אלא מה אפשר לעשות אתם.

אחת הטכנולוגיות שבוחנת זאת היא הכנולוגיית “שבבי הדנ”א”. באחד מיישומיה החשובים מאתרת הטכנולוגיה הזאת את הגנים הפעילים בתא. באמצעותה אפשר להתחקות, למשל, אחר המאפיינים הייחודיים של תאים סרטניים לעומת תאים בריאים. בתאים סרטניים מופעלים גנים התורמים לתהליך הסרטני ולמאפייניו השונים. סוגי סרטן שונים, ואפילו גידולים מאותו הסוג, מצטיינים בפרופיל גנטי ייחודי היכול להסביר את מידת אלימותם ותגובתם לטיפולים שונים. איתור הגנים האלה יספק מידע חשוב על מהות התהליך הסרטני ויאפשר לפתח חומרים שיסכלו אותו.

שבבי הדנ”א הם שבבים קטנים בגודל מטבע, המחולקים לתיבות זעירות שמניחים בהן אלפי מקטעי דנ”א מתוך גנים ידועים המסודרים זה לצד זה. את הגנים האלה משווים עם גנים מרקמות מסוימות. בשיטה מיוחדת מפיקים מהרקמה מולקולות המייצגות את הגנים הפעילים בה והופכים אותן למולקולות דנ”א המכונה “דנ”א משלים”. את הדנ”א הזה מסמנים בחומר פלואורסצנטי. כאשר מביאים את מולקולות הדנ”א המשלים במגע עם השבב, כל אחד מהגנים שברקמה הנבדקת נצמד לגן המתאים לו בשבב ומתקבלת נקודה מוארת. על פי מיקומה ועוצמת האור אפשר לזהות, באמצעות סריקה ממוחשבת, את זהות הגן ומידת פעילותו. בעבר היו שבבי הדנ”א יקרים, אך היום מאפשרות טכנולוגיות חדשות לייצר אותם במחיר נמוך, מה שעושה אותם זמינים לשוק הדיאגנוסטי.

באמצעות שבבי הדנ”א ניסו להבין מדוע בסרטן הדם מסוג לימפומה, %40 מהחולים מגיבים לטיפול ו-%60 נכנעים למחלה. בדיקת דגימות דנ”א של חולי לימפומה מסוג מסוים בטכנולוגיית שבבי הדנ”א הראתה שונות גדולה בגנים הפעילים בין שתי הקבוצות. ניתוח התוצאות במחשב העלה כי אפשר לחלק את החולים לשתי קבוצות על פי מידת הפעילות של גנים מסוימים.

קבוצה אחת הגיבה לטיפולים כימותרפיים, לעומת הקבוצה השנייה שלא הגיבה, וגם מידת הישרדות החולים היתה שונה מקבוצה לקבוצה. לממצאים האלה יש משמעות מעשית. חולי לימפומה מקבלים היום טיפולים כימותרפיים, וכשאלה אינם מצליחים הם מועברים להשתלת מוח עצם. בעתיד, חולי לימפומה בעלי פרופיל גנטי המעיד על חוסר תגובה לטיפולים כימותרפיים יופנו מיד להשתלת מוח עצם ויחסכו סבל ונזק מיותרים.

באמצעות שבבי הדנ”א נמצאו תבניות פעילות שונות של גנים גם במלנומה (סרטן עור אלים). חוקרים השוו באמצעות שבבי דנ”א את הגנים הפעילים בגידולי מלנומה אלימים היוצרים גרורות בתדירות גבוהה, עם גידולים אלימים פחות. ההשוואה העלתה כמה גנים שפעילותם עלתה כאשר החלו תאי המלנומה לייצר גרורות. רוב הגנים האלה קשורים ליכולת התנועה והחדירה של התאים לרקמות חדשות. גם בגידולי שד, שלכאורה מציגים תמונה פתולוגית זהה בחולות, יש שוני בתבנית פעילותם של גנים רבים, מה שאחראי קרוב לוודאי על התגובה השונה לטיפולים בין חולה לחולה.

המחקרים האלה הם דוגמאות ראשונות לתחילתו של מחקר ענף לבירור שרשרת ההתרחשויות הגנטיות המובילה להתפתחות מצבים סרטניים רבים ולפיתוח גישה של ריפוי המותאם לחולה, גישה שתיתן אנליזה גנטית מדויקת של החולים ותציע ריפוי ה”תפור” לפרופיל הגנטי הייחודי של המחלה.

במוסד הלאומי לסרטן בארה”ב חוקרים זה שנתיים את הגנים והחלבונים שהם מקודדים הקיימים בתאים מסוגי סרטן שונים. הפרויקט, הקרוי “האינדקס הגני של סרטן האדם”, הוא שיתוף פעולה בין הממשלה האמריקאית, האוניברסיטאות וחברות תרופות גדולות. עד כה בודדו יותר מ-50 אלף גנים הפעילים בסוגי סרטן שונים. לדוגמה: נמצאו 5,692 גנים הפעילים בתאי סרטן השד, מתוכם 277 גנים שאינם פעילים ברקמות אחרות. חלבונים שיכוונו נגד תוצרי הגנים האלה יוכלו לשמש תרופות ייחודיות לסרטן השד בלבד בלי לגרום לתופעות לוואי.

“העתיד הפוסט גנומי כבר אתנו כאן ועכשיו, והוא משנה היבטים רבים בראייתנו את הפרט”, מסכמת הפרופ' חרמונה שורק מהמכון למדעי החיים באוניברסיטה העברית.