שבבים, תאים ומדענים

תלמידי המחקר אייל קרצברון ואלכסנדרה טייר, ממעבדתו של פרופ' רועי בר-זיו מהמחלקה לחומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, בשיתוף עם פרופ' וינסנט נוארו מאוניברסיטת מינסוטה, תיכננו את המערכת, אשר מורכבת ממספר רב של תאים קטנים. תאים אלה - כל אחד מהם בעומק של מיליונית המטר - "נחצבו" בסיליקון, ולמעשה יוצרים מעין התקן ביולוגי. התאים מחוברים באמצעות צינורות דקים לתעלת זרימה מרכזית. בכל תא מקובעים לרצפת התא גדילי דנ"א צפופים. זהות המקטעים הגנטיים האלה נקבעה על-ידי המדענים. כדי "לתרגם" את הגנים האלה לחלבונים, המדענים מעבירים את השליטה למערכת ייצור החלבונים של חיידקי האי-קולי. באמצעות מילוי התאים המלאכותיים בתמצית תאי אי-קולי, שהיא תמיסה המכילה את כל המנגנון החיידקי אשר אחראי על תרגום חלבונים (ובהם ריבוזומים), יכולים המדענים "לקחת צעד לאחור", ולחזות בתהליך הבנייה של החלבונים המתרחש ללא כל התערבות מצידם. באמצעות קידוד שני גנים של בקרה לתוך הדנ"א צפו המדענים בביטוי חלבונים מחזורי, אשר עבר בין מצב "מופעל" למצב "כבוי" (לפי הוראות חלבוני הבקרה). תקופת הזמן שבה פעל התהליך בכל אחד מהמצבים האלה נקבעה באמצעות המבנה הגאומטרי של התאים. התנהגות מחזורית זו, אליה אפשר להתייחס כאל מעין גירסה בסיסית של פעילות מחזור התא, התאפשרה רק בזכות העובדה שהחלבונים אשר הורכבו יכלו לצאת מהתאים, ולהתפזר דרך הפתחים הקטנים והצינורות הדקים. בכך הם למעשה חיקו את תחלופת החלבונים הטבעית, כפי שהיא מתבצעת בתאים חיים. באותו הזמן, מתפזרים חומרי מזון - שהמלאי שלהם מתחדש באופן קבוע - לתוך התא המלאכותי, ובכך מאפשרים לתהליך בניית החלבונים להימשך ללא הגבלת זמן.

"מערכת התא המלאכותי, בה אנחנו יכולים לשלוט בתוכן הגנטי ובזמני פעילות החלבונים, מאפשרת לנו ללמוד על הקשר שבין רשת הגנים לבין תהליכי היווצרות החלבונים - פעולה שקשה יותר לבצע במערכת חיה", אומר קרצברון. "התבנית שתכננו, המבוססת על קידודם של שני גנים, מהווה דוגמה פשוטה לרשת תאית. אבל אחרי שהצלחנו להוכיח את היתכנות העיקרון, אנו מתכננים להכניס רשתות גנטיות מורכבות יותר לתאים המלאכותיים שלנו, כמו הרשתות אשר מצויות ופועלות בחיידקים". "בהמשך", אומרת טייר, "רצינו לבדוק האם התאים המלאכותיים אכן 'מתקשרים' זה עם זה כמו תאים אמיתיים. כדי לעשות זאת יצרנו שורה של תאים. הכנסנו גן מסוים לתא הראשון בשורה, וגילינו כי החלבונים שהורכבו בתא הזה התפזרו במערך התאים, כשכמותם וריכוזם פוחתים בהדרגה, בהתאם למרחקם של התאים מהתא שבו יוּצַר החלבון. בימים אלה אנחנו עובדים על הרחבת המערכת, באמצעות תכנון רשתות גנטיות אשר מסוגלות לפעול בתבניות מרחביות של תאים. מדובר בתבניות אשר מחקות מבנים ותהליכים ביולוגיים ידועים, כגון אלה שפעילים בשלבים הראשוניים של התפתחות עוברית". "מעבר ליכולתה לחקות תהליכים ביולוגיים וללמוד כיצד תאים מלאכותיים מתקשרים אחד עם השני", אומר פרופ' בר-זיו, "היבט נוסף של המערכת, הוא שאיפשר, באופן עקרוני, לקודד לתוכה חלבונים אשר מעורבים בתהליכים שונים: גנים הם כמו לבני לגו - אפשר להחליף ולהתאים רכיבים שונים, שמספקים תוצאות שונות. אפשר, למשל, לקחת רכיבי בקרה מחיידקי אי-קולי ששולטים באופן טבעי בגן מסוים, ובכך לייצר חלבון מסוים; אפשר לחבר אותו רכיב בקרה לגן אחר, וכך ליצור תכונות שונות שאינן קיימות בטבע. מחקר זה עשוי להוביל בעתיד לקידום בנייה של חומרים כמו דלק, תרופות, וכן לפתח אנזימים לשימוש תעשייתי".