ביולוגיה סינתטית

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

ביולוגיה סינתטית הינה תחום העוסק בעיצוב ובנייה של מתקנים ומערכות ביולוגיות למטרות שימושיות. זהו תחום של מחקר ביולוגי ושל טכנולוגיה אשר משלב ביולוגיה והנדסה, ולכן חופף לעתים קרוב עם ביו-הנדסה והנדסה ביו-רפואית. התחום מכיל גישות רבות, מתודולוגיות ודיסציפלינות המתמקדות בהנדסה, ביולוגיה וביוטכנולוגיה.

חוקרי הביולוגיה הסינתטית ניגשים אל מערכות ביולוגיות חדשות מפרספקטיבות שונות, עוסקים בשאלות על אופיים של תאים ושל אורגניזמים מתפקדים, ובאופן שבו ניתן לעצב ולהשתמש בהם לטובת בני האדם והחברה. הגישה הישנה בתחום זה התמקדה בהכנסת גנים קיימים ו/או חדשים לתוך תאים חיים על מנת לשנות את התפקוד שלהם. גישה מתקדמת יותר כוללת בנייה של מערכת ביולוגית חדשה בפלטפורמה לטכניקות שונות. גישה זו דורשת בנייה מחדש של מערכות ביולוגיות שלמות ומציאת פתרון הנדסי-ביולוגי חלופי הפותר בעיה או צורך ספציפי.

ההתקדמות בביולוגיה הסינתטית מסתמכת על כמה טכנולוגיות מפתח אשר מתקדמות במהירות מרגע לרגע והופכות לזולות וזמינות יותר. ריצוף DNA, יצירה וכתיבת גנים חדשים, מידול של התנהגות של גנים ספציפיים, ומדידת מדויקת של התנהגות גנים הם כלים חיוניים בביולוגיה סינתטית. לאחרונה תחום זה זוכה לפופולריות גבוהה כתוצאה משיפור של טכנולוגית סינתוז DNA, הפותח חלון אפשרויות חדשות ומסעירות. כיום הרבה יותר קל וזול לסנתז גן חדש בניגוד לשיבוט שלו לדוגמה. בנוסף, בסיסי מידע גנומים יכולים לשמש בדוגמה ליצירת וירוסים במחיר מינימלי.

גנטיקאים מצאו מספר רצפי גנים הקשורים למאפיינים נבדלים באורגניזמים; רצפי הגנים האינדיבידואלים הללו פותחו ושולבו בתוך DNA קיים בדומה לאבני "לגו". זהו למעשה התורה בה מהנדסים גנטיים משנים את ה-DNA של אורגניזמים חיים. מה שמבדיל ביולוגיה סינתטית מהנדסה גנטית הוא שבמקום לשנות רצף קיים של DNA, ישנו חיבור של הבלוקים הללו מאפס על מנת לבנות גדיל DNA חדש לחלוטין אשר יוחדר לתוך תא חי. התאים הללו יכולים לשמש על מנת לבצע מספר פונקציות חיוניות ביותר למען האנושות. הפעולות הללו לא קיימות למעשה בטבע. יותר מזה, הפרויקטים המערבים את האינטגרציה של החלקים הללו, הם היחידים שיכולים להיקרא פרויקטים של ביולוגיה סינתטית. ביולוגיה סינתטית מציגה שלוש טכנולוגיות יסוד בסיסיות להנדסה גנטית. היכולת לסנתז גנים חדשים מהיסוד, היכולת להתגבר על הסיבוכיות המובנית במערכות ביולוגיות באמצעות הפשטה והצגה של עקרונות הנדסיים.

פרספקטיבה[עריכת קוד מקור | עריכה]

ביולוגיה[עריכת קוד מקור | עריכה]

ביולוגים מעוניים ללמוד על התפקוד של מערכות טבעיות. דרך פשוטה וישירה לבחון את ההבנה של מערכת טבעית חיה היא לבנות מודל או גרסה של המערכת בהתאם להבנה הנוכחית שלנו. דוגמה לגישה כזו היא עבודתו של מיכאל אלוויץ' (ציטוט דרוש) על רפרסילטורים. לאלוויץ' היא מודל כיצד גנים מתבטאים בתוך תאים חיים. על מנת לבחון את המודל שלו, הוא פיסת דנ"א בהתאם למודל שלו, החדיר אותו לתוך תא חי, ובחן מה קורה. ההתאמה בין החיזוי לתוצאות הוכיחה את המודל שלו. בעבודה מסוג זה יש שימוש טוב במתמטיקה אשר עוזרת ללמוד ולחזות את הדינמיקה המתרחשת בתוך מערכת ביולוגית. במהלך השנים נוצרו מגוון רחב של תיאורים מתמטיים ברמות שונות של דיוק ביניהם: תורת הגרפים, רשתות בוליאניות, משוואות דיפרנציליות רגילות וסטוטסטיות ועוד. דרוש קישור.

כימיה[עריכת קוד מקור | עריכה]

מערכת ביולוגיות הן מערכות פיזיקליות העשויות מחומרים כימיים שונים. לקרת סוף המאה ה-20, מדע הכימיה עבר שינוי: מלמידה על כימיקלים טבעיים , ליצירה וסינתוז של חומרים כימיים סינתטיים. המעבר הזה הוביל ליצירת תחום מחקר חדש בשם כימיה סינתטית. במובן מסוים, אספקטים שונים בביולוגיה סינתטית יכולים להיבחן כאפליקציה והרחבה של כימיה סינתטית אל הביולוגיה: מיצירה של ביו-כימיקלים אל למידה של מקור החיים על כדור הארץ (דרוש קישור).

הנדסה[עריכת קוד מקור | עריכה]

מהנדסים מסתכלים על ביולוגיה כעל עוד טכנולוגיה. ביולוגיה סינתטית כוללת בתוכה הרחבה והגדרה מחדש של ביוטכנולוגיה, כאשר המטרות נוסחו מחדש: יצירה ועיצוב של מערכות ביולוגיות אשר מעבדות מידע, עושות מניפולציה על כימיקלים, מייצרות חומרים ומבנים מורכבים, מייצרות אנרגיה, מספקות מזון וגם שומרות ומחזקות את בריאות האדם. דוגמה טובה לאכנולוגיות הללו כוללים את העבודה של Chris Vogit, אשר עיצב מחדש את מערכת ההפרשה Type III שמשמשת את Salmonella typhimurium על מנת להפריש את חלבוני משי המשמשים של עכבישים לטוויות הרשתות שלהם. חלבון זה הוא חומר ביולוגי חזק ואלסטי אשר החליף את החלבונים המדביקים הטבעיים של הסלמונלה. אספק נוסף של ביולוגיה סינטית אשר מבדילה אותה מהנדסה גנטית מסורתית הוא הדגש הכבד על פיתוח טכנולוגיות יסודיות אשר יאפשרו הנדסה של יצורים ביולוגים בצורה פשוטה ואמינה יותר. דוגמה טובה להנדסה בביולוגיה סינתטתית היא כוללת את העבודה החלוצית של טים גארדנר וג'ים קולינס על מתג גנטי[14] ומסדי נתונים לדוגמת Registry of Standard Biological Parts ו- International Genetically Engineered Machine competition (iGEM). מחקרים בביולוגיה סינתטית יכולים להיות מחולקים לקלסיפיקציות מרובות בהתאם לגישה בהם ניגשים לבעיה/שאלה בה הם מתמקדים: עיצוב photocell, הנדסה ביו-מולקולרית או הנדסה גנומית. הגישה ה-photocell כוללת פרויקטים ליצירה של מערכות המשתכפלות בצורה עצמאית ועשויות כולן מרכיבים סינתטיים. הנדסה ביו-מולקולרית כוללת גישות שמטרתן יצאת ארגז כלים של יחידות פונקציונליות אשר ישמשו ליצירת מולקולות עם פונקציולניות שלמה בתוך תאים חיים. הנדסה גנטית כוללת גישה של יצירת כרומוזומים סינתטיים לאורגניזמים מינימליים או שלמים. עיצוב ביו-מולקולרי מתייחס לרעיון הכללי של עיצוב דה-נובו וקומבינציה של רכיבים ביו-מולקולרים. המשימה של כל אחד מהגישות הללו היא דומה: יצירה של מכונה סינתטית ברמה גבוהה יותר של מורכבות באמצעות מניפולציה של רכיבים ביולוגים טבעיים או סינתטיים קיימים [15].

טכנולוגיות מאפשרות[עריכת קוד מקור | עריכה]

ישנן מספר טכנולוגיות מפתח אשר חיוניות לצמיחה ולגדילה של ביולוגיה סינתטית. הקונספטים העיקריים כוללית סטנדרטיזציה ויצירת היררכיה מופשטת של חלקים ביולוגים על מנת לאפשר שימוש בחלקים הללו ליציאת של מערכות סינתטיות מורכבות [18]. הישגים אלו מאופשרים באמצעות טכנולוגיות בסיסיות של קריאה וכתיבת DNA אשר משתפרות כל הזמן במושגים של מחיר/איכות (Kurzweil 2001). מדידות תחת תנאים שונים הן חיוניות לצורך יצירת מודלים של עיצוב באמצעות מחשב (תיב"ם).