מהנדסה גנטית ועד ניסיונות ביצירת חיים
בסתיו 2007 הופיעה ב"גרדיאן" הלונדוני הכותרת הבאה: "'אני יוצר חיים מלאכותיים', מכריז חלוץ המחקר הגנטי". נוכח הכרזה זו מיד עולות תמונות מסרטי מדע בדיוני הממצות את פחדינו ממדע שיצא משליטה ושמאיים על המין האנושי. המציאות הרבה יותר פרוזאית. הבסיס לטענה היה מחקר של קבוצת ביולוגים סינתטיים בראשות קרייג ונטר (Venter) שתיאר סינתזה של כרומוזום שלם במעבדה. ובכן, על מה היה הרעש?
המטען הגנטי של היצורים החיים מקודד ב-DNA, שהוא פולימר המורכב מחומרים פשוטים יחסית. אם אפשר לסנתז באופן מלאכותי חתיכת DNA שתקודד את ההוראות ליצירת יצור חדש, אזי אפשר ליצור חיים מלאכותיים. זהו בדיוק הרעיון שהנחה את הביולוגים הסינתטיים ממרכז המחקר על שם קרייג ונטר, הוא המדען המצוטט בכותרת. אלא שיש שלוש בעיות שעליהן הייתה צריכה קבוצת המחקר להתגבר כדי ליצור חיים מלאכותיים באמת. הראשונה היא הבחירה של הגנים על ה-DNA; השנייה היא כיצד לסנתז את ה-DNA הדרוש; והשלישית היא מציאת דרך שבה יוכל המידע הגנטי להתבטא כדי ליצור חלבונים ואת שאר המולקולות האורגניות הנדרשות לחיים.
הבעיה הראשונה היא בעיה קשה, שכן איש אינו יודע כיצד לבנות חלבון בלי להסתמך על חלבונים קיימים. לפיכך, במקום להמציא גנים חדשים, סנתזו החוקרים כרומוזום של חיידק קיים. הבעיה השנייה הייתה מכשול טכנולוגי קשה. במעבדה אפשר לסנתז בצורה כימית חתיכות DNA שאינן עולות על כ-100 נוקלאוטידים. כדי לסנתז פיסות גדולות יותר הרכיבו החוקרים חתיכות קטנות של DNA למולקולות הולכות וגדלות (איור 1). הבעיה השלישית אינה רק קשה אלא אף עקרונית, מכיוון שהיא נוגעת בבסיס התורה התאית שקובעת שתאים חדשים נוצרים רק מתוך תאים קיימים. בעיה זו נפתרה על ידי הוצאת ה-DNA של חיידק קיים והשתלה בתוכו של ה-DNA שסונתז, וזאת תוך כדי שימוש בחלבונים שכבר קיימים בחיידק. לבסוף, בשנת 2010, אוחדו הטכנולוגיות השונות ונוצר חיידק שבו מושתל כרומוזום שסונתז במעבדה ושמסוגל לשכפל את עצמו. כך יצרו הביולוגים הסינתטיים חיים מלאכותיים.
או שמא לא יצרו דבר, שכן התבססו על מערך החלבונים ומערך הגנים של יצורים קיימים. הוויכוח על כך עדיין רוחש בקהילה המדעית והפילוסופית, אבל לא נעסוק בו כעת מכוון שטרם הסברנו מה היא בעצם ביולוגיה סינתטית.
ביולוגיה והנדסה?
את מקורותיה של הביולוגיה הסינתטית אפשר לאתר בהנדסה הגנטית, שעוסקת בשינוי החומר הגנטי של יצורים חיים. היכולת לשנות את המידע הגנטי ולשלוט על האנזימים הנוצרים בתא הובילה לניסיונות לייצר חומרים כגון תרופות או דלקים בתוך יצורים חיים. אלא שבמשך שנים רבות לא נמצאו עקרונות מנחים כיצד לשנות את ה-DNA כדי ליצור את התוצאה הרצויה. כל מחקר היה צריך להתחיל כמעט מאפס. בשנות התשעים פותחה ההנדסה המטבולית, כדי לייעל תהליכי ייצור של מולקולות בתוך תאים. כדי להשיג מטרה זו השתמשו אנשי ההנדסה המטבולית בידע על הפיזיולוגיה של התא ובכלים מתמטיים ותיארו את כל האנזימים שמובילים ליצירת התוצר הסופי כמערכת אחת. בהתאם לתוצאות הניתוח שינו החוקרים את רמות הביטוי של אנזימים רבים בו-זמנית, הוסיפו אנזימים חדשים או שינו את פעילותם של אנזימים קיימים. היתה זו קפיצת דרך של ממש, אך עדיין מספר היישומים הממשיים נשאר מוגבל, שכן הניתוח המתמטי התבסס פעמים רבות על מידע חסר.
לפני כשמונה שנים נוצר מאגר של רכיבים ביולוגיים, פיסות DNA, שאותן יכולים החוקרים להזמין דרך האינטרנט. מצפים ממחברי המאגר לא רק להזמין חלקים, אלא גם לשתף את עמיתיהם בתוצאות מחקריהם. לפני כעשר שנים החלו מדענים שונים לחשוב שאולי אפשר להתייחס ברצינות לרעיון שמה שהם עושים הוא הנדסה, ולנסות ליישם עקרונות הנדסיים ממשיים כדי ליצור, בעזרת הביולוגיה, יישומים חדשים שאינם קיימים בטבע.
מה מאפיין הנדסה? מה הופך את ההנדסה המודרנית לכה מוצלחת? זוהי העובדה שלא צריך להתחיל כל פעם מחדש, והעובדה שהארכיטקטורה ההנדסית היא בדרך כלל מודולרית והיררכית. כשמהנדס אלקטרוניקה רוצה לתכנן לוח שיהיה חלק ממכונה, הוא נכנס למאגר נתונים גדול המכיל מספר רב של רכיבים ובוחר מתוכם רכיבים קיימים. לכל אחד מהרכיבים הללו פעולה ספציפית, וכל אחד מהם אופיין בצורה דקדקנית כך שאפשר לחזות כיצד הוא יעבד אות אלקטרוני. המהנדס מרכיב את הרכיבים השונים זה אחרי זה וזה לצד זה כדי שהלוח החדש שתכנן יבצע את הפעולה הנדרשת. גם כשאי אפשר להשתמש בשיטות מודולריות, פעמים רבות טכנולוגיה חדשה היא תוצר של טכנולוגיה קיימת. למשל, כשהמהנדסים של אינטל רוצים לבנות מעבד חדש הם יודעים מה הם מחפשים, ועליהם רק למצוא דרך לעשות את הדבר מהיר יותר וקטן יותר.
לעומת זאת, כשחושבים על ביולוגיה התפישה משתנה. הביולוגיה עוסקת במערכות מורכבות שבהן לכל רכיב יש תפקיד, אלא שכל אחד מהרכיבים תלוי ברכיבים נוספים. במעט מאוד מקרים יש התאמה בין גֶן יחיד לתכונה, מה שמקשה לתכנן בצורה הנדסית יישומים ביולוגיים חדשים. תארו לעצמכם שהיה קיים מאגר של רכיבים ביולוגיים בעלי מאפיינים ידועים, שאפשר היה להרכיב מהם מערכות מורכבות יותר בצורה היררכית ומודולרית. מאגר כזה היה מאפשר ליצור הנדסה ביולוגית אמיתית.
כאן נכנס לתמונה פרויקט הרישום של חלקים ביולוגים סטנדרטיים (registry of standard biological parts), שנוסד לפני כשמונה שנים. הרעיון העומד מאחורי הפרויקט הוא הרצון ליצור מאגר של רכיבים ביולוגיים שאותם אפשר יהיה לחבר אחד לשני בצורה של "הכנס – הפעל" (plug and play); "רכיבים ביולוגיים" פירושם בהקשר זה פיסות DNA.
היום כולל המאגר למעלה מ-7,000 דוגמאות, שאותן יכולים החוקרים הרשומים במאגר להזמין דרך האינטרנט. במאגר זה אפשר למצוא רכיבים כמו: מקדמים (פרומוטרים), שהם חתיכות DNA שקובעות מתי יבוא לידי ביטוי גן מסוים; אזורים קושרי ריבוזומים, שהם רצפי DNA שקובעים את הקישור של RNA-שליח (mRNA) שנוצר על פיו, לריבוזום; ואף רצפים של DNA שמקודדים יצירת חלבונים בעלי עניין, ששימשו בעבר לתכנון מערכות חדשות. נוסף על כך מציע המאגר סכמה כללית לחיבורם של שני רכיבים ליצירת רכיב מורכב.
האידאולוגיה העומדת בבסיס המאגר דומה מאוד לרעיון הקוד הפתוח של עולם התוכנה. מצפים ממחברי המאגר לא רק להזמין חלקים, אלא גם לשתף את חברי המאגר בתוצאות מחקריהם, ולתרום לו רכיבים נוספים שתכננו. המאגר קשור לפרויקט אחר של ארגון הרישום של חלקים ביולוגיים סטנדרטיים, תחרות iGEM. זוהי תחרות בין-לאומית של קבוצות סטודנטים מאוניברסיטאות שונות שעובדים בחופשת הקיץ שלהם כצוותים, תחת הנחיה של חוקרים מנוסים, כדי ליצור יישומים חדשים בעזרת הרכיבים שבמאגר ולפתח חלקים חדשים. בסוף כל שנה מתכנסים משתתפי התחרות בכנס בין-לאומי שבו מוכרזים הזוכים בפיתוח היישום המעניין ביותר. לצערנו לישראל כמעט אין שם ייצוג; רק קבוצה ישראלית אחת רשומה במאגר, הקבוצה של רון מילוא.
איור1: הרכבה של כרומוזום שלם מתוך פיסות DNA.
א. תוכנית כללית של תהליך ההרכבה. החוקרים חילקו את רצף הכרומוזום של החיידק ל-101 פיסות שונות, שכל אחת באורך של 8,000 נוקלאוטידים לערך (8 קילו נוקלאוטידים או 8kb). את פיסות ה-DNA הללו סינתזו חברות מסחריות המספקות שירות זה. בשלב השני חוברו הפיסות בקבוצות של ארבע ליצירת פיסות DNA באורך של כ-24,000 נוקלאוטידים (24kb). בצורה דומה, על ידי חיבור פיסות קטנות לפיסות הולכות וגדלות, המשיכו החוקרים לשלבים (iv), (iii) ו-(v) כדי לקבל מולקולת DNA המכילה את כל רצף ה-DNA של החיידק.
ב. הרכבה של ארבע פיסות DNA. בשלב הראשון השתמשו החוקרים באנזים שמקצר באופן ברירני את הקצה של אחד הגדילים של ה-DNA כדי לקבל פיסות שהקצה שלהם הוא חד-גדילי. בשלב השני ערבבו החוקרים את ארבע הפיסות החתוכות במבחנה, וקשרים שנוצרו בין נוקלאוטידים מתאימים של פיסות שונות הובילו ליצירה של פיסת DNA המורכבת מכל הארבע. לבסוף הוסיפו החוקרים אנזים המתקן את הרווח שנותר לאורך "עמוד השדרה" של ה-DNA.
ג. סינתזה של פיסת DNA ארוכה. כדי לקבל די חומר לשלב הבא של ההרכבה השתמשו החוקרים בשיטה סטנדרטית של ביולוגיה מולקולרית ליצירת פלסמיד (פיסת DNA עגולה) שנחתך על ידי אנזים בנקודה מסוימת (מסומן כפס ירוק). פיסת ה-DNA הודבקה לתוך הרווח שנוצר בעזרת אנזימים מתאימים. את הפלסמיד הכניסו החוקרים לתוך חיידק
E. coli. החיידקים התרבו ושכפלו את הפלסמיד כל פעם שהתחלקו. אחר כך הפיקו החוקרים את הפלסמיד מתוך החיידקים, חתכו מתוכו את פיסת ה-DNA הרצויה, וחזרו על התהליך בשלבים הבאים. בשלבים (iii) ו-(iv) היו הפלסמידים גדולים מדי בעבור החיידק ולכן השתמשו החוקרים במערכת מקבילה של שמרים.
איורים: ירון כספי
חישוביות ביולוגית
נחזור לשאלה מה מאפיין את ההנדסה המודרנית, וכיצד אִפשר את הסבת הביולוגיה להנדסית. בעיקר נשים לב להנדסת האלקטרוניקה, מכיוון שהיא אחראית לתחום ההנדסי שהתפתח בקצב המהיר ביותר. ובכן, בנוסף להיררכיות ולמודולריות מאופיינת הנדסת האלקטרוניקה בתכונה נוספת: דיגיטליות. רכיבים אלקטרונים הם בדרך כלל רכיבים דיגיטליים, שפועלים בצורה בינארית. עובדה זו מאפשרת שימוש בלוגיקה בוליאנית לבניית רכיבים אלקטרוניים. כדי להפוך את הביולוגיה להנדסית, היה רצוי שיהיה לנו מערך כלים ביולוגיים דיגיטליים. בעיה זו היא אחת מבעיות היסוד של הביולוגיה הסינתטית. הולדת התחום מיוחסת לשני מאמרים שפורסמו זה לצד זה בשנת 2000 בשבועון Nature. במאמר שאותו פרסמה קבוצתו של ג'ים קולינס (Collins) מאוניברסיטת בוסטון, הראו החוקרים כיצד אפשר לבנות מפסק באמצעות שני חלבונים שמדכאים זה את יצירתו של זה. במאמר השני, של מייקל אלוויץ (Elowitz) הודגם כיצד לבנות מתנד (oscilator) בעזרת שלושה חלבונים שיוצרים לוגיקה מעגלית: החלבון הראשון מדכא את ייצורו של החלבון השני, השני מדכא את ייצורו של השלישי, והשלישי מדכא את ייצור הראשון. מכיון שלוגיקה כזו משתמשת בדיכוי (repression), ייצור החלבונים בתא כונה המתנד represcilator.
מאז פרסומם של שני המאמרים, שהיו לאבן פינה בביולוגיה הסינתטית, השתמשו חוקרים רבים בלוגיקה דומה, אך הרחיבו את מאגר האפשרויות לבנייה של רכיבים ומעגלים לוגיים ביו-הנדסיים. דוגמה מעניינת לכך הוא מאמר שפרסמה ב-Science ב-2008 קבוצה של חוקרים בראשותה של פרופ' קריסטינה סמולקֶה (Smolke), ועסק בסכמה כללית ליצירת לוגיקה בוליאנית תוך כדי שימוש ב-RNA במקום ב-DNA. לענייננו שתי תכונות חשובות מבדילות RNA מ-DNA. הראשונה היא ש-RNA יכול להיות חד-גדילי. הודות לכך RNA יכול ליצור מבנים שניוניים בעזרת קשרי מימן פנים-מולקולריים וליצור מבנה מרחבי מורכב, בדומה לחלבונים. לעתים, המבנה המרחבי משתנה כשה-RNA מתקשר למולקולה אורגנית קטנה. חתיכות RNA הקושרות מולקולות כאלו מכונות אפטמרים (aptamers). התכונה המעניינת השנייה של RNA – מולקולת RNA יכולה לשמש אנזים. חתיכות RNA בעלות תכונה כזו מכונות ריבוזימים (rybozymes). קבוצת המחקר של פרופ' סמולקה חיברה אפטמר לריבוזים ול-RNA של גֶן מטרה. כשה-RNA בוטא לבד במערכת, אזור הקישור של הריבוזום היה חשוף והריבוזום היה יכול להיקשר ולייצר את החלבון המתאים. ואולם כשהוסיפו החוקרים את המולקולה האורגנית הקטנה התקשרה זו לאפטמר, שינתה את המבנה שלו, ואפשרה לריבוזימים לחתוך את מולקולת ה-RNA ולגרום לכך שהריבוזום לא היה יכול להיקשר ולייצר את החלבון המתאים. בשלב הבא חיברו החוקרים שני רכיבי אפטמר-ריבוזים בטור, כשכל אפטמר מגיב למולקולה אורגנית שונה, ויצרו שער AND (איור 2). בצורה דומה הצליחו ליצור שערי NOR ו-NAND שביחד הם בסיס שממנו אפשר ליצור פונקציה בולאנית מורכבות נוספות.
 |
איור 2. לוגיקה בוליאנית של פיסות RNA. א. מבנה כללי של התקן ה-RNA. ההתקן מורכב מריבוזים (כחול) המחובר לאפטמר (כתום) דרך אזור קישור (אדום וירוק). אזור הקישור יכול להיקשר לאפטמר אם האפטמר אינו קשור למולקולה אורגנית קטנה. קישור של המולקולה האורגנית לאפטמר משנה את המבנה שלו, והיא גורמת לאזור הקישור ליצור קשרים בין החתיכה האדומה לירוקה ומאפשרת לריבוזים לחתוך את ה-RNA ולמנוע ממנו לסנתז את הגן המתאים. ב. שער NAND. הריבוזים הופך לפעיל רק כששני האפטמרים (הכתום והוורוד) משנים את המבנה שלהם עקב היקשרותם למולקולות אורגניות קטנות שונות. ג. שער AND. במקרה זה כל אחד מהריבוזימים יכול לחתוך את ה-RNA רק כשהמולקולה הקטנה אינה קשורה לאפטמר ולכן מתקבל שער AND. |
חיידקים טורפים חיידקים
אחת ממטרותיה של הביולוגיה הסינתטית היא לבנות מעגלים לוגיים מורכבים. דרך אחת להשיג זאת היא בעזרת הִנדוס הַתאים כך שהרכיבים של המעגל הלוגי יהיו התאים עצמם, ולא מה שמתרחש בתוכם. מחקר מסוג זה שייך לאקולוגיה סינתטית, תת-תחום של הביולוגיה הסינתטית, העוסק בפיתוח מערכות מודל מלאכותיות המדמות מערכות אקולוגיות. היתרון של מערכות כאלה הוא שאפשר לחקור אותן באופן מבוקר במעבדה. כך, למשל, קבוצת המחקר של פרופ' לינגצ'ונג יו (You) מאוניברסיטת דיוק יצרה מערכת המדמה יחסי טורף-נטרף בעזרת שתי אוכלוסיות של חיידקי E. coli ששרידותם ומותם היו תלויים זה בזה (איור 3). לשתי אוכלוסיות החיידקים הוכנס גן המקודד יצירת רעלן, שכשהוא מיוצר הדבר מוביל למותו של התא.
 |
איור 3: טורף ונטרף מולקולת ה-IPTG הנמצאת בתמיסה גורמת לחיידק הטורף לייצר רעלן, שהוא חלבון המוביל להרס של התא. במקביל מייצר החיידק הטורף אנזים שמייצר מולקולה קטנה שמופרשת לתמיסה ושיכולה לחדור את קרומיות התאים של חיידקים אחרים. כשמולקולה זו מתחברת לגורם תעתוק המיוצר בתאי החיידק הנטרף, גם כן בהתאם לריכוז ה-IPTG, היא הופכת אותו לפעיל ומובילה לייצור הרעלן בתאי החיידק הנטרף ולמותו. מולקולת ה-IPTG אף גורמת לחיידק הנטרף לייצר אנזים שני, המייצר מולקולה קטנה שנייה החודרת לתאי החיידק הטורף ומובילה לשפעולו של גורם תעתוק שני. כשגורם זה פעיל בתאי החיידק הטורף, הוא מוביל ליצירת חלבון המדכא את פעולת הרעלן ומציל את חייו של החיידק הטורף.
|
לאוכלוסייה הראשונה, המדמה את הטורפים, הוכנס בנוסף גן שני, המקודד יצירת חלבון שמדכא את פעולת הרעלן. ביטויו של חלבון זה היה תלוי בצפיפות אוכלוסיית החיידקים השנייה, כך שכשהיו בתמיסה הרבה חיידקים מאוכלוסיית הנטרפים (הרבה "מזון"), שרדו החיידקים מאוכלוסיית הטורפים. לעומת זאת, כשהיו מעט חיידקים מאוכלוסיית הנטרפים (מעט מזון) נוצר הרעלן בתאי אוכלוסיית הטורפים והם מתו. באופן מקביל נוצר הרעלן באוכלוסיית הנטרפים ביחס ישר לצפיפות אוכלוסיית הטורפים, כך שכשהיו הרבה טורפים בתמיסה מתו הנטרפים, וכשהיו מעט טורפים הנטרפים התרבו. התקשורת בין שתי האוכלוסיות התבססה על מערכות ידועות שמווסתות את ייצורם של חלבונים בהתאם לצפיפות החיידקים בתמיסה, חישת המניין (quorum sensing, וראו: לקריאה נוספת). מערכת חישת המניין פועלת בעזרת מולקולות אורגניות קטנות – שאותן מסנתזים החיידקים – המופרשות לסביבתם ומשפעלות את פעולתם של חלבונים מיוחדים המכונים גורמי תעתוק (transcription factors). תפקידם של גורמי התעתוק הוא להתחבר למקדמים (פרומוטרים) ולשלוט על תעתוק ה-DNA ל-RNA-שליח. מבחינה מתמטית המעגל שתואר דומה ל-represcilator, אלא שהוא משתמש בשני רכיבים בלבד במקום בשלושה. על מנת לקבל דינמיקה מעניינת יותר הוסיפו החוקרים למעגל רמה נוספת של סיבוכיות. ייצור הרעלן בטורף, כמו גם מערכת חישת המניין של הנטרף, היו תלויות בריכוז של מולקולה אורגנית בשם IPTG שאותה הוסיפו החוקרים לתמיסה באופן חיצוני. כך יכלו לשלוט על מידת התלות של הטורף בנטרף. ובאמת, רמות שונות של IPTG הובילו לדינמיקות שונות. ברמה נמוכה של IPTG הטורף נכחד והנטרף שרד; ברמה גבוהה של IPTG הגיעו שתי האוכלוסיות לשיווי משקל; ואילו ברמת ביניים התקבלו תנודות מחזוריות ברמתן של שתי האוכלוסיות.
האלגברה הבוליאנית היא אלגברה של ערכי אמת. לכל איבר בקבוצה מותאם ערך אמת, ובין איברי הקבוצה מוגדרות שלוש פעולות: "לא" (NOT), "גם" (AND) ו"או" (OR). מתוך שלוש פעולות אלה אפשר לגזור פעולות נוספות, מורכבות, כמו NOR או NAND. בדרך כלל מותאמים רק שני ערכי אמת (שאותם מייצגים 1 ו-0), ומתקבלת אלגברה בוליאנית בינארית. במצב כזה אפשר לייצג את הפעולות בין חברי הקבוצה בטבלאות אמת, שבהן כל איבר בקבוצה מסומן על ידי אות אנגלית גדולה, ומתקבל:
חיים סינתטיים
הנה, כבר הצגנו דוגמאות שונות של מחקרים שעשו ביולוגים סינתטיים וסקרנו את מקורות התחום, אך עדיין לא הגדרנו מהי בעצם ביולוגיה סינתטית. מתברר שפשוט אין הגדרה כזו. מכיוון שסביב התחום התעוררה התעניינות רבה בתקשורת הפופולרית (בעיקר באירופה ובארצות-הברית), הוא הפך ל"חם" מבחינה מדעית. עקב כך מדענים העוסקים בתחומים דומים, שהיו קיימים כבר זמן רב, החלו להגדיר את עצמם מחדש כביולוגים סינתטיים. היום כמעט לכל ביולוג סינתטי יש הגדרה משלו לתחום, הגדרה שאינה מתאימה בהכרח לזו של עמיתיו. ניסיון למכנה הרחב ביותר הוא אולי תיאור הביולוגיה הסינתטית כעוסקת ביצירת תכונות ומערכות ביולוגיות שאינן קיימות בטבע, או לחלופין – בהנדוסן מחדש של מערכות ביולוגיות קיימות.
נציין כי הגדרה זו אינה מדגישה את העקרונות שהוזכרו קודם, לאמור: מודולריות, דיגיטליות והיררכיות. פתחנו בדוגמה של כרומוזום סינתטי, שמבין שלוש מממשת רק את ההיררכיות – הרכבת הכרומוזום מתוך חתיכות קטנות, וגם היא תוצאה של קשיים טכניים יותר מאשר לב העניין.
במיוחד מעניין לציין שני תחומים שעברו אינטגרציה חלקית לתוך הביולוגיה הסינתטית ושעוסקים ביצירת מערכות ביולוגיות שאינן קיימות בטבע, יותר מאשר בעקרונות הנדסיים: הרחבתו של הקוד הגנטי, ומקור החיים.
הקוד הגנטי מקודֵד הוראות לבניית חלבונים מעשרים חומצות אמינו. קוד זה הוא אוניברסלי כמעט באופן מוחלט; ואולם מבחינה כימית חומצות אלה אינן מיוחדות בשום צורה. לכן, באופן עקרוני, אפשר לתאר מערכות ביולוגיות המשתמשות במערך אלטרנטיבי של חומצות אמינו. הבעיה היא שהקוד הגנטי של יצורים חיים מקובע, וכל שינוי בו יוביל למספר גדול של מוטציות שרובן יהיו מזיקות או אף קטלניות. כדי להתגבר על בעיה זו הציעו מדענים ליצור מערכות גנטיות אורתוגונליות (ניצבות זו לזו). מערכות כאלה, מאחר שאינן מפריעות אחת לשנייה, יכולות להתקיים במקביל ואפילו באותו יצור עצמו. באופן טבעי שלשת הנוקלאוטידים של ה-RNA-שליח מותאמת כל פעם למולקולת RNA-מעביר (נושא חומצת אמינו, tRNA). אנזימים מיוחדים אחראים לטעינת חומצת אמינו על ה-RNA-מעביר באופן חד-ערכי. לפיכך, כל מה שצריך כדי ליצור מערכת גנטית אלטרנטיבית הוא ליצור מולקולות tRNA, RNA, שמקודדות רצף נוקלאוטידים שבו לא נעשה שימוש בתא, ויחד איתו חלבון שיטעין את חומצת האמינו החדשה. בהתבסס על עקרונות אלה יצרו מדענים מערכת שבה מקודד ה-tRNA רביעיית נוקלאוטידים במקום שלשה, או כזו שמשתמשת בשלשה המקודדת את הסימן לסיים את ייצור החלבון. הביולוגים הסינתטיים העוסקים בתחום מקווים שהכללתן של חומצות אמינו לא טבעיות תרחיב את היכולת שלנו לסנתז חלבונים חדשים, שיהיו בעלי כימיה אלטרנטיבית ושיאפשרו ליצור חומרים כימיים חדשים או ליעל את ייצורם של חומרים קיימים.
השָסִי של הביולוגיה
החוקרים העוסקים בבעיית מוצא החיים שואלים שאלה אחרת: האם אפשר לייצר במעבדה מערכות שיידמו את המולקולות או את המערכות שהיו קיימות בכדור הארץ לפני שהופיעו החיים ושהובילו ליצירתו של התא הראשון? בתוך תחום זה נכללות שתי גישות. הגישה הראשונה, שעוסקת בתיאוריית עולם ה-RNA, מנסה ליצור ריבוזימים, ובמיוחד כאלה שהם בעלי יכולת של שכפול עצמי. הגישה השנייה עוסקת ביצירת קדם-תאים (protocells), שהם מערכות כימיות מובדלות המוקפות בקרומית, שמסוגלות לבצע ריאקציה או מערך של ריאקציות כימיות. "הגביע הקדוש" של התחום הוא כמובן קדם-תא שמסוגל לגדול ולהשתכפל. קדם-תא כזה יהיה בעל התכונות הנדרשות ממערכת דרוויניסטית מלאה, ויוכל לשמש כמודל לאב הקדום של התא המודרני או לפיתוח מערכת ביולוגית חדשה לגמרי. הביולוגים הסינתטיים שעוסקים במקור החיים רואים את עצמם יותר מכול כמי שמתמודדים עם השאלות המהותיות ביותר בתחום. שאלות שנוגעות בבעיות כמו מה הם החיים, ואם אפשר ליצור מערכות ביולוגיות אלטרנטיביות אמיתיות.
אבל הניסיונות ליצור קדם-תא חשובים לא רק להבנת מקור החיים אלא גם לבעיה אחרת שזכתה לתשומת לב נרחבת בביולוגיה הסינתטית – בעיית השָסי, המֶרכב. תארו לעצמכם מהנדס של חברת טויוטה המודרנית שרוצה ליצור דגם חדש של מכונית, אבל יכול לעשות זאת רק על בסיס סובארו מודל 84. כל מה שמותר לו לעשות זה לתכנן חלקים מסוימים מחדש, למשל ההגה. המהנדס המסכן יהיה מוגבל מאוד מבחינת יכולתו לגרום לכך שהמכונית החדשה תכיל את כל החידושים הטכנולוגיים, והמפעל שלו יפשוט ככל הנראה את הרגל.
הביולוגיה הסינתטית מתמודדת עם בעיה דומה. בתאים קיימים מתרחשים כל הזמן אינספור ריאקציות כימיות. ה-DNA משוכפל ומופרד לשני צדי התא והצפיפות כמעט בלתי נסבלת. כל הפרמטרים הללו מפריעים לאינטגרציה של מעגלים לוגיים חדשים, ובעיקר יכולים להגביל את היכולת לסנתז מולקולות חדשות בתוך התא.
אפשר לפתור בעיה זו בשתי דרכים. הראשונה היא ליצור מערכות דמויות תאים כמו הקדם-תא, המכילות מספר מועט של רכיבים ביולוגיים כגון חלבונים או ריבוזימים, כך שההשפעה של כל רכיב על התוצר הסופי תמוזער ותהיה ידועה. הדרך השנייה היא לקחת יצור קיים ולהפשיט אותו מכל המרכיבים הלא חיוניים שלו כך שיתקבל תא מינימלי. בתא שכזה הסיכוי שהמימוש של מעגל לוגי רצוי, או של תהליך כימי רצוי, יופרע – הוא הנמוך ביותר. למעשה, המטרה העיקרית של מרכז המחקר ע"ש ונטר היא לסנתז חיידק שיכיל רק אותם רכיבים הכרחיים ושיוכל לשמש כשלד תאי שעליו אפשר להרכיב תכונות ביולוגיות חדשות.
סביב הביולוגיה הסינתטית ישנו כאמור עניין נרחב בתקשורת, חלקו קשור לשאלות של ביו-אתיקה, ביטחון ביולוגי, ושאר דאגות של הציבור הרחב. אבל חלקו של העניין נובע גם מתחזיותיהם של כמה מהביולוגים הסינתטיים. לדבריהם, כמו שהמאה ה-20 היתה המאה של הכימיה הסינתטית, שאפשרה לנו ליהנות מחומרים חדשים רבים מאוד שיצרו אופקים חדשים לטכנולוגיה האנושית, המאה ה-21 תהיה המאה של הביולוגיה הסינתטית שבעזרתה נוכל ליצור חומרים חדשים ומקורות אנרגיה אלטרנטיביים בצורה ביולוגית. המשימה של הביולוגיה הסינתטית היא לממש את הבטחותיה.
לקריאה נוספת
ישראל בנימיני, " מ-DNA לחלבון, גרסת המחשב", "גליליאו" 112.
Daniel G. Gibson et al., Complete Chemical Synthesis, Assembly, and Cloning of a Mycoplasma
genitalium Genome, Science (2008), 319:1215-1220.
Maung Nyan Win and Christina D. Smolke, Higher-Order Cellular Information Processing with Synthetic RNA Devices, Science (2008), 322: 456-460.
Frederick K Balagadde et al., A Synthetic Escherichia coli Predator–prey Ecosystem (2008), Molecular Systems Biology 4: 1-8.
Lei Wang, Jianming Xie and Peter G. Schultz, Expanding the Genetic Code, Annual Review Biophysics Biomolecular Structure (2006), 35:225-249.
Jack W. Szostak, David P. Bartel and P. Luigi Luisi, Synthesizing Life, Nature (2001), 409: 387-390.
Ernesto Andrianantoandro, Subhayu Basu, David K Karig and Ron Weiss, Synthetic Biology: New Engineering Rules for an Emerging Discipline, Molecular Systems Biology (2006), 2:1-14.
Anna Deplazes, Piecing Together a Puzzle, EMBO reports (2009) 10:428-432.
ירון כספי הוא בעל תואר דוקטור ממכון ויצמן למדע. סיים בימים אלה מחקר בתר דוקטורנטי באוניברסיטת הרווארד.
פורסם בגליליאו 158, אוקטובר 2011
