עמוד הבית > מדעים > ביולוגיהעמוד הבית > טכנולוגיה ומוצרים > ביו-טכנולוגיה


תקציר
המאמר מסביר מהי ביוטכנולוגיה וסוקר את כיווני מחקר העיקריים בתחום ויישומיהם השונים.
המאמר גם עוסק בתחומי המחקר והיישומים הצפויים של ה"ביואינפורציה" וה"ננוטכנולוגיה"



זה עולם קטן מאוד
מחבר: אילן פליאוב



 

מבוא


על ביוטכנולוגיה, סוכרים ושאר ירקות שישנו את חיינו בקטן ובגדול
ביוטכנולוגיה הוא תחום נרחב הנשען על מחקר בסיסי שכולל בין השאר גנטיקה, הנדסה גנטית, ביולוגיה מולקולרית וביואינפורמציה, ומשתמש בכלים מתחומים רבים נוספים, כגון כימיה, פיזיקה, מתמטיקה, ביולוגיה וננוטכנולוגיה.
ביואינפורמציה (Computational Biology) הוא תחום חדש יחסית במחקר הביולוגי המתקדם, הכולל יצירת מאגרי מידע ופיתוח שיטות ואלגוריתמים לניתוח המידע הביולוגי והרפואי, כמו הבנת פעילות הגנים, גילוי תרופות חדשות, השוואה של מבנים שונים, מציאת מבנה סוכרים, ועוד. המונח ביוטכנולוגיה נבנה משלוש מלים יווניות – bios = חיים; teuchos = כלי; logos = מחקר, העיקרון השכלי. שילובם יוצר "שימוש ביצורים חיים ככלים ליצירת מוצרים עבור האדם". המחקר הביוטכנולוגי קיבל תאוצה רצינית בתעשיה לאחר הכרעת בית המשפט העליון האמריקאי, כי "מיקרואורגניזם ששונה על ידי אדם הוא בר פטנט". פסיקה זו פרצה את הדרך להקמת חברות לביוטכנולוגיה, להשקעות גדלות והולכות במעבדות, לשיתוף פעולה בין אקדמיה ותעשיה וכמובן, לפטנטים המגינים על הידע שנצבר בעמל רב.

הביוטכנולוגיה הוא תחום רחב הכולל נושאים שונים ורבים. יש להניח שבעתיד הקרוב, המחקר הביוטכנולוגי ייחד זמן רב למחקרים וליישומים בתחומים הקשורים לחקלאות ולסוכרים, ולנושאיס הקשורים למונחים טכנולוגיים כמו ביואינפורמציה, ננוטכנולוגיה ומחשבי DNA.


 

חקלאות אחרת


לביוטכנולוגיה נודעת השפעה מקיפה בתחום החקלאות. חומרי הדברה אכילים וזנים חדשים העמידים למחלות מפותחים כעת. מדענים משפרים את יעילות הפוטוסינתזה, הערך התזונתי, יכולת ההגנה מפני מחלות, ועמידות כללית נגד פגעי טבע שונים של צמחים ופירותיהם. אחת המהפכות העתידיות תתחולל כאשר תתאפשר יצירת זרעי מכלוא, שהם בעלי תכונות ביולוגיות עדיפות על הזנים הקיימים, בגידולים "הגדולים": חיטה, סויה וכותנה.

כבר ב-1996 גיבש משרד המדע מסמך מדיניות שמצביע על כך שהשעה בשלה לפרוץ מהחקלאות המסורתית של המאה ה-20, להישגים דומים לאלה של תעשיית ההיי-טק. ההמלצות אז היו להקים מוקדי מחקר בכיוונים הבאים:

  • פיתוח זנים איכותיים, בעיקר זרעי מכלוא, בעלי עמידות ליובש, למחלות צמחים ולמזיקים.

  • הארכת חיי המדף של הפרי, שיפור הארומה והצבע, שינויים בתכולת החלבון והוויטמינים כנדרש בשוקי הייצוא המובחרים.

  • פיתוח צמחים להפקת תרופות, חלבונים וחומרים טבעיים אחרים כתחליף לחומרים סינתטיים, בלתי מתכלים ולא רצויים, המשמשים בתעשיית המזון והתרופות.

  • פיתוח מיקרואורגניזמים להדברה ביולוגית ולייצור חומרים מעכבי פגעים בחקלאות, ולניקוי ושיקום סביבות מזוהמות.

  • פיתוח טכנולוגי-הנדסי לחקלאות מבוקרת אקלים, כולל חישה מרחוק, עיבוד אותות ורובוטיקה לצמצום עבודת ידיים.


התחזית היא כי בשנת 2003 תמכור תעשיית הביוטכנולוגיה הישראלית כ-1.8 מיליארד דולר, בהשוואה ל-336 מיליון דולר ב-1997 ו-50 מיליון ב-1990.

המחקר לשיפור ושינוי המזון הוליד מחלוקת בין אירופה לארה"ב. הוויכוח מתמקד באיכות ובצורך במזון ששונה גנטית (GM Genetically Modified). בעוד האמריקנים מעודדים שימוש במזון GM בטענה שהוא מועיל, חסר סיכון ואין כל בעיה מוסרית להשתמש בו, באירופה טוענים בדיוק ההפך. ניתן לראות זאת ברגישות היתר האירופאית למחלות כדוגמת "הפרה המשוגעת". לוויכוח הזה יש עוד היבט - מעורבות הציבור. קיים פער עמוק באמון שנותנים הצרכנים במוסדות ממשלתיים שתפקידם לפקח על מזון ותרופות: 84 אחוז תמיכה ב-FDA - מינהל המזון והתרופות, לעומת ארבעה אחוזים בגופים דומים באירופה.


 

ביואינפורמציה


כיוון שמיחשוב ברמה גבוהה חיוני למחקר הביולוגי המתקדם, נוצר תת תחום לביוטכנולוגיה, הביואינפורמציה, הכולל יצירת מאגרי מידע ופיתוח אלגוריתמים לאנליזה של אותם מאגרים. לשם כך משתמשים הן בחומרה ייעודית שנבנתה ליישום מסוים, כגון להבנת פעילות הגנים (שהם רצף של DNA שעובר בתורשה ומכיל מידע על בנייה של חלבונים מסוימים, והפעלתם), או במחשבי ענק להרצת הדמיות מבניות שונות, כמו חקר תרופות חדשות והשפעתן האפשרית על גוף האדם.

בימים אלה אמורה הוועדה הלאומית לביוטכנולוגיה להגיש את המלצותיה לגבי הדרך לפיתוח כלים חדשים, שיאפשרו אנליזה טובה יותר של המידע הביולוגי.


 

סוכרים


להבדיל מהחלבונים וה-DNA, שלגביהם קיימות שיטות אנליזה שונות לחקר המבנה המולקולרי, הרי הרב-סוכרים אינם ידועים. הרב-סוכרים המפורסמים ביותר הם עמילן ותאית, שהם רכיב בסיסי במזוננו. לסוכרים נודעת חשיבות רבה בעולם החי והצומח. בתעשיה נעשה בהם שימוש נרחב בקוסמטיקה, בדבקים, בטקסטיל, במוצרי נפט, במזון ובתרופות. בכל אלה משתמשים במולקולות בעלות תכונות ידועות אך בעלות מבנה בלתי ידוע, או ידוע בחלקו הקטן, במקרה הטוב.

אין היום שיטה למציאת מבנה מלא של רב-סוכרים. קיימות מספר סיבות לכך:

  1. כיוון שאין מידע על המבנה, על החוקר להניח כי אבני הבניין, החד-סוכרים, יכולות להיות מתוך רשימה קיימת, אך גדולה.

  2. לקשר בין חד-סוכר מסוים לרעהו מספר פנים (ניתן להתקשר לפחמנים שונים באותו חד-סוכר) ומספר
    תצורות.

  3. רבי-סוכר יכולים להיות בעלי מבנה עץ, בניגוד למבנה השרשרת של DNA וחלבונים, דבר הגורם להגדלת.

  4. מספר המבנים המרחבים השונים האפשריים שניתן ליצור, למרות שמספר וסוג חד-הסוכרים זהה.
  5. ההבדל בין רבי-סוכר שונים עלול להיות זעיר, אולם הוא עשוי לחולל שינוי רציני בתכונות המולקולה.


מציאת שיטה ישימה לגילוי מבנה של רבי-סוכר צפויה לחולל מהפכה השווה בעוצמתה לזו שהביאו השיטות לגילוי מבנה ה-DNA והחלבונים. ידיעת המבנה הכולל של מולקולות רב-סוכר תועיל מיד לתעשיות המזון והתרופות, תוך כדי שיפור דרמטי בתוצרים של אותן תעשיות. רוב הפחממנים הטבעיים נמצאים בצורת רב-סוכרים המתבטא כמבנה ליניארי (המתאפיין בקשיחותו) או מפוצל (לרוב מסיס במים). מולקולות רב-סוכר בנויות מחד-סוכרים שמבנם ידוע.

כיום, יותר מ-20 אחוז מהתרופות המפותחות קשורות לסוכרים. לסוכרים קשר מוכח בהתפתחות גרורות סרטניות, ביצירת דופן תא החיידקים והצמחים, בזיהומים וירליים וכמובן, בסוכרת. חוקרים מעריכים כי שינויים במולקולות סוכר של תרופות קיימות עשויים לגרום מיידית לתוצאות טיפוליות טובות יותר. שימוש מועיל יהיה גם בתעשיות נוספות.

המשך מחקר בתחום זה יוכל להביא לידי כך שבתעשיית המזון יוכלו גופי הפיקוח הממשלתיים לדרוש את המבנה המדויק של הפחממנים המוכנסים למזון. חסל סדר אבקות לבנות בעלות מבנה מסתורי, המוצאות את דרכן לקיבתנו.


 

ננוטכנולוגיה


תחום מחקר זה ראשיתו בהרצאה שנשא חתן פרס נובל ריצ'רד פיינמן ב- 1959. ננוטכנולוגיה מנסה ליצור את היכולת לבנות עצמים הקטנים ממאות בודדות של ננומטרים (ביליונית המטר). הצלחה בייצור סדרתי בגדלים כאלה תגרום לשינוי טוטאלי באופן שבו אנו מייצרים, צורכים ומעבדים חומרי גלם. הזז אטומים בפחם ותקבל יהלום. הזז אותם בחול (עם תוספת מעטה של חומרים נוספים) וקבל שבב מחשב. הזז אטומים באדמה, מים ואוויר, וקבל אבטיח.

פיינמן טען ש"יש די הרבה מקום שם למטה", וסיפר כיצד קיבל השראה ממערכות ביולוגיות: "הדוגמה הביולוגית של כתיבת מידע בקנה מידה קטנטן, גרמה לי לחשוב על דבר מה בר ביצוע. ביולוגיה אינה רק כתיבת מידע, מדובר בשימוש כלשהו באותו מידע. מערכת ביולוגית יכולה להיות קטנה מאוד. רוב התאים קטנטנים, אבל הם פעילים ביותר - הם מייצרים חומרים מחומרים שונים, הם זזים, נעים מצד לצד ומבצעים פעולות מדהימות - וכל זאת בקנה מידה זעיר. בנוסף לכך הם שומרים מידע. חישבו על האפשרות שגם אנו נוכל ליצור משהו קטנטן שכזה, שיבצע בדיוק מה שאנו רוצים...".

וכך, לפני 40 שנה, ממשיך ומתאר פיינמן עולם של רובוטים זעירים המסדרים אטומים בדיוק על פי בקשה. אמנם אין זו ביוטכנולוגיה על פי ההגדרה ("שימוש ביצורים חיים ככלים..."), אולם ההשפעה על היכולת
לבצע שינויים מדויקים ברמה המולקולרית היא זהה. במקום להפעיל אנזים החותך, כימית, מולקולה במקום ידוע מראש, נפעיל רובוט מולקולרי שיבצע פעולה פיזית של חיתוך.

בנוסף על בית חרושת של חיידקים שה- DNA שלהם שונה, והם מייצרים אינסולין או תרופות אחרות, ניתן יהיה לבנות את התרופות (בהנחה שמבנן ידוע) מהאטומים עד למולקולה המושלמת.

אפשר יהיה לבנות, למשל, כדוריות דם אדומות מלאכותיות הידועות בשם רספירוציטים (כדוריות הדם האדומות משמשות להובלת חמצן מהראות לכל רקמות הגוף, הן זעירות ביותר, קוטרן כשמונה מיקרומטר, והן בעלות צורה קעורה משני הצדדים, המגדילה את שטח הפנים). תחליף זה יוכל להחליף כדוריות קיימות ולספק לרקמות פי 230 יותר חמצן.

ננו-מחשב (מחשב בעל יכולת עיבוד עצמאית, הבנוי משבב אחד בגודל של מיקרומטרים ספורים) וחיישנים שונים יאפשרו התנהגות מורכבת, הניתנת לתכנות מרחוק על ידי רופא בעזרת גלי קול. רובוטים בגודל כזה עשויים למצוא את עצמם מוזרקים למחזור הדם, זורמים אל הלב, מזהים ומפרקים סתימות בעורקים ובכלי דם קטנים יותר. מה שעשוי לשנות את חיינו לחלוטין תהיה ערכת ננו-רובוטים שתימצא בכל בית. השימוש בקופסה זו יהיה כדלקמן: נאמר שברצונכם לרכוש שעון יד. כל מה שעליכם לעשות הוא להתחבר לאינטרנט, לשלם עבור השעון, לשים מעט אבק ושאריות פלסטיק (לגוון מולקולרי ולפי הטעם) בקופסה, ולחכות. המחשב ישדר, אלחוטית, את ההוראות שהגיעו, והרובוטים ייכנסו לפעולה, יזיזו אטומים לכאן ולכאן, עד שייווצר השעון המבוקש. למעשה, הכל יתנהל על פי פקודות תוכנה. ואם בתוכנה עסקינן, הבה נציץ אל הפיתוח הצעיר ביותר בתחום זה: מחשבי DNA.


 

מחשבי DNA


ב- 1994 פרסם אדלמן מאמר שכותרתו "פתרון בעיות קומבינטוריות על ידי חישוב מולקולרי". זו היתה הפעם הראשונה שמחשב DNA יושם במעבדה, ופתר בעיה מתמטית. מאז הוצעו שיפורים רבים להפשטת התהליך ולמזעור שגיאות. מחשב ה- DNA מבוסס על העובדה כי בביולוגיה ובמתימטיקה המבנים המורכבים ביותר נבנים מאוסף סופי של פעולות פשוטות, על מבנים פשוטים ביותר.

הבעיה שנבחרה היתה מציאת מסלול המילטוני לגרף שבתמונה. בגרף הזה שבע נקודות ו-13 קשרים בעלי כיוון. המסלול המילטוני מתחיל מנקודת ההתחלה (A), נמשך עד לנקודת הסיום (G) ועובר בכל נקודה בגרף פעם אחת בלבד.

מציאת מסלול שכזה בגרף בעל 70 נקודות ומעלה היא בעיה מורכבת מדי אפילו למחשב החזק ביותר. אולם, אדלמן בנה מודל לבעיה באמצעות DNA. את הנקודות ואת הקשרים בנה ממקטעים שונים. כמות גדולה מכל המקטעים הללו הוכנסה למבחנה, ולאחר שעות מספר נוצרו מספר רב של מסלולים וחלקי מסלולים. כעת סינן מחוץ לתערובת, באופן כימי, את כל המקטעים:
* שלא התחילו ב- A.
* שלא הסתיימו ב- G.
* שלא הכילו את כל שבע הנקודות.
* שהכילו אותה נקודה יותר מפעם אחת.
המסלול היחידי שנשאר היה המסלול המבוקש. היתרונות בשיטה זו הן בשימוש ב- DNA כמחשב מקבילי, אשר בו זמנית מתבצעות בו מספר אדיר של תגובות כימיות. מחשב DNA תופס הרבה פחות מקום וחסכוני באנרגיה - הוא מבצע פי 1010 יותר פעולות לאותה יחידת אנרגיה.

העתיד נראה מבטיח ויתאפייו באינטגרציה בין תחומית. כלים רבים פותחו בעת האחרונה בכל תחום, וכעת הגיע הזמן לשלבם. אחת המשמעויות לכך תהיה ביקוש גובר והולך למהנדסים וחוקרים בעלי ידע מעמיק במספר תחומים, כגון מדעי המחשב, מתמטיקה, פיזיקה וביולוגיה. פריצות דרך מרשימות יבואו מאנשים כאלהומצוותים רב תחומיים.

הביוטכנולוגיה נכנסת למאה הבאה, חמושה בטכנולוגיות חדשניות במטרה לרתום את הטבע לתועלת האדם. אולם, למרות המחקר המעמיק המתנהל בשנים האחרונות בתחומים שונים, חייבים אנו לבחון את ההשפעה
החברתית, הסביבתית והכלכלית של הביוטכנולוגיה. ככל שהצלחת הביוטכנולוגיה תהיה גדולה יותר, ההשפעה החברתית על האדם תהיה דרמטית אף היא, ולאו דווקא לטובה.






ביבליוגרפיה:
כותר: זה עולם קטן מאוד
מחבר: פליאוב, אילן
שם  החוברת: היי טק המילניום
עורכי החוברת: ביגלמן, שמעון; חשביה, אריה
תאריך: 1999
הוצאה לאור: שוקן
הערות: 1. החוברת יצאה לאור בדצמבר 1999.

הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית