פיתוח שבבים המחקים תאים חיים

תא יחיד בגוף האדם יותר יעיל מבחינה אנרגטית פי כעשרת אלפים מאשר כל ננו-טרנזיסטור דיגיטאלי הקיים כיום ואשר מהווה את אבן-הבניין הבסיסית בשבבים אלקטרוניים. בשנייה אחת, תא ביולוגי מבצע כעשרה מיליוני תגובות הכימיות צורכות אנרגיה בכמות מצטברת של פיקווואט אחד

תא יחיד בגוף האדם יותר יעיל מבחינה אנרגטית פי כעשרת אלפים מאשר כל ננו-טרנזיסטור דיגיטאלי הקיים כיום ואשר מהווה את אבן-הבניין הבסיסית בשבבים אלקטרוניים. בשנייה אחת, תא ביולוגי מבצע כעשרה מיליוני תגובות כימיות הצורכות אנרגיה בכמות מצטברת של פיקווואט אחד.

המדען Rahul Sarpeshkar ממכון המחקר MIT מיישם עתה עקרונות אדריכליים הלקוחים מתאים חסכוניים באנרגיה אלו לשם התכנון של מעגלים אלקטרוניים דיגיטאליים-אנלוגיים היברידיים, חסכוניים באנרגיה. מעגלים שכאלו יוכלו לשמש יום אחד בעתיד לפיתוח מחשבי-על מהירים ביותר שיאפשרו חיזוי תגובות מורכבות של תאים לתרופות. הם עשויים לסייע לחוקרים גם לפתח מעגלים גנטיים מלאכותיים בתאים.

בספרו החדש, ” “Ultra Low Power Bioelectronics(Cambridge University Press, 2010), מצביע החוקר על קווי-הדמיון הרבים שבין תגובות כימיות המתרחשות בתא ובין זרימת חשמל במעגל חשמלי מקביל. הוא מתאר כיצד תאים ביולוגיים מבצעים חישובים אמינים למרות רעשי רקע ורכיבים רגישים המצויים בהם (המתייחסים לשינויים אקראיים באותות – הן חשמליים והן גנטיים). מעגלים שייבנו בעתיד על בסיס עקרונות אלו יתגברו על רעשים אלו תוך שימור על היעילות האנרגטית הגבוהה. יישומים מבטיחים בתחום זה כוללים מעבדי תמונות בטלפונים ניידים או שתלים מיוחדים במוח עבור העיוורים.

“מעגלים חשמליים מהווים שפה לייצוג ולניסיון להבין כמעט כל דבר בעולמו, בין אם זה רשתות בביולוגיה, ובין אם זה רכבים,” אומר החוקר, פרופסור להנדסה אלקטרונית ומדעי המחשב ב- MIT. “קיימת צורה אחידה ויעילה להביט על העולם הביולוגי באמצעות מעגלים חשמליים.”

מהנדסי מעגלים חשמליים מכירים כבר מאות גישות להפעלת מעגלים אנאלוגים באנרגיה נמוכה, להגברת אותות ולהפחתת רעשי רקע, ידע שסייע להם לפתח התקני אלקטרוניקה חסכוניים באנרגיה, כגון טלפונים ומחשבים ניידים, נגני מוסיקה וכדומה.

“הנה תחום שהושקעו בו כחמישים שנים בהבנת העיצוב של מערכות מורכבות,” מציין החוקר בהתייחסו לתחום של הנדסת חשמל. “עכשיו אנו יכולים לחשוב על ביולוגיה באותו האופן.” הוא מקווה כי פיסיקאים, מהנדסים, ביולוגים וביוטכנולוגיים יעבדו יחדיו כחלוצים בתחום חדש זה, שאותו הוא מכנה אלקטרוניקה “ציטומורפית” (cytomorphic, שקיבלו את השראת עיצובם מתאים ביולוגיים).

החוקר, מהנדס אלקטרוניקה בעל ניסיון רב-שנים בפיתוח מעגלים ביורפואיים חסכוניים באנרגיה, הרהר תכופות כיצד לנצל את הקשרים שבין ביולוגיה ואלקטרוניקה. בשנת 2009 הוא פיתח שבב רדיו חסכוני באנרגיה המחקה את המבנה של שבלול האוזן האנושי בכדי לסנן ולעבד אותות של טלפונים ניידים, אינטרנט, רדיו וטלוויזיה, בצורה מהירה וחסכונית יותר באנרגיה ממה שאפשר היה להאמין בזמנו.

שבב זה, הידוע כשבלול אוזן בתדר רדיו (RF), הינו דוגמא ל”רכיבי אלקטרוניקה נוירו-מורפיים”, תחום הקיים כעשרים שנים אשר נוסד ע”י המדען Carver Mead שהיה מדריכו של החוקר בקלטק. מעגלים נוירומורפיים מחקים מבנים ביולוגיים המצויים במערכת העצבים, כגון שבלול האוזן, רשתית העין ותאי מח. הרחבתו התפיסתית של החוקר מתחום האלקטרוניקה הנוירומורפית לאלקטרוניקה הציטומורפית מבוססת על בדיקתו את השאלות המצויות בבסיס הדינאמיקה של תגובות כימיות וזרימתם של אלקטרונים בתוככי מעגלים מקבילים להן. הוא גילה כי שאלות אלו, המסייעות בחיזוי התנהלותן של התגובות הכימיות, דומות למרבה ההפתעה, אפילו בתכונות רעשי-הרקע שלהן.

תגובות כימיות (לדוגמא – הקבלה של מים ממימן וחמצן) מתרחשות בקצב מעשי רק אם מושקעת בהן מספיק אנרגיה המפחיתה את המחסום האנרגטי המונע מהן להתרחש באופן רגיל. זרז, כדוגמת אנזים, מסוגל להפחית מחסומים אלו. באופן דומה, אלקטרונים זורמים בתוככי מעגל חשמלי כאשר טרנזיסטור מנצל אנרגיית מתח חיצונית בכדי לאפשר להם להפחית את המחסומים המונעים מהם לנוע ממקור הטרנזיסטור לנקודת יציאתו. שינויים באנרגית המתח המסופקת לטרנזיסטור מפחיתים את המחסום ומגבירים את זרימת האלקטרונים בטרנזיסטורים, בדיוק כפי שמוסיפים אנזימים לתגובה כימית בכדי להאיצה.

בסופו של דבר, ניתן להתייחס לתאים ביולוגיים כמעגלים המשתמשים בפרודות, יונים, חלבונים ודנ”א, במקום באלקטרונים וטרנזיסטורים. הקבלה זו מרמזת כי ייתכן ויהיה אפשרי לפתח שבבים אלקטרוניים – שאותם מכנה החוקר “מחשבים כימיים תאיים” – המחקים תגובות כימיות באופן יעיל ובסקאלת זמנים מהירה ביותר.

דוגמא ליישום עוצמתי אפשרי של מעגל כזה טמון בהדמיה של רשת גנטית – יחסי הגומלין שבין גנים וחלבונים המבקרים את פעילותו וגורלו של התא החי. במאמר קודם שלו, משנת 2009, החוקר הדגים כיצד מעגל שכזה מסוגל לספק הדמיה של כל רשת גנטית ע”ג שבב. לדוגמא, מעגלים אלו יכולים לדמות את יחסי-הגומלין שבין גנים המעורבים בפרוק סוכר (לקטוזה) ובין גורמי תעתוק (transcription) המווסתים את ביטויים בתאי חיידקים.

בשלב הבא, מתעתד החוקר לפתח מעגלים המחקים את יחסי-הגומלין בתוככי הגנום התאי השלם, יחסים החשובים למדענים בכך שהם מאפשרים להם להבין ולטפל טוב יותר במחלות מורכבות כגון סרטן וסכרת. בסופו של דבר, ייתכן וחוקרים יצליחו להשתמש בשבבים שכאלו לשם הדמיית גוף האדם כולו, מאמין החוקר. שבבים אלו יהיו הרבה יותר מהירים מאשר מחשבים המספקים הדמיות כיום, שמוגבלים מאוד בהדמיית ההשפעות של רעשי-רקע לא-ליניאריים הקיימים בתוככי התא. הוא בוחן גם כיצד עקרונות התכנון של מעגלים אלו יוכלו לסייע בהנדוס גנטי של תאים כך שיבצעו תפקידים מועילים, לדוגמא – איתור רגיש ומהיר של רעלנים ורעלים בסביבה.

הידיעה ממכון המחקר