עמוד הבית > מדעים > ביולוגיהעמוד הבית > טכנולוגיה ומוצרים > ביו-טכנולוגיהעמוד הבית > מדעים > ביולוגיה > גנטיקה



תקציר
המאמר סוקר את המשמעות ואת הרעיונות העומדים מאחורי פרוייקט הגנום האנושי (מיפוי גנטי של האדם).



טכנולוגית ה- DNA
מחבר: פרופ' משה פרידמן


מדענים מכל רחבי תבל משתפים פעולה זה שנים במיזם מדעי יחיד במינו: פענוח הצופן הגנטי של האדם כדי ליצור מעין "אנציקלופדיה" של הביולוגיה האנושית, שתהיה נגישה באמצעות המחשב. מיזם זה, שנועד להסתיים בשלהי העשור הראשון של המאה ה- 21, יסתיים מוקדם יותר הודות למאמץ האדיר שהושקע בו. פירות המאמץ הזה יביאו לידי שינוי משמעותי בתחומי חיים רבים.

 

מה זה גנום?


כל יצור חי מתחיל את דרכו מתא יחיד שממנו מתפתח אורגניזם שלם. כל המידע המכוון תא יחיד זה להתפתח לצמח, לבעל חיים או לבן אדם, צפון במולקולות הדנ"א הנמצאות בגרעין התא הראשון, ובהמשך בכל התאים שיתפתחו מתא זה. המידע הצפון בתא הוא ייחודי לכל מין של חי. מולקולות הדנ"א באדם מכילות מידע הדרוש לייצור כ- 70 אלף חלבונים שונים. בנוסף מכילים התאים מידע הדרוש לוויסות ייצור החלבונים ולתזמונו. המידע הדרוש לייצור חלבון יחיד נקרא גן, ולהערכתנו, מספר הגנים הכולל באדם הוא קרוב ל- 100 אלף. הגנים מאורגנים בתאים במבנים הנקראים כרומוזומים, כאשר באדם התאים מכילים 23 זוגות של כרומוזומים, וביחד מספרם הוא 46.

קצת רקע. מולקולת הדנ"א בנויה מארבע אבני בניין יסודיות המחוברות ברצף ויוצרות מעין פתיל ארוך מאוד. אבני בניין אלו נקראות "בסיסים" או נוקלאוטידים. רוב הדנ"א אינו מייצג גנים אלא מקטעים מקשרים, שתפקידם אינו ידוע עדיין. מקטעים מקשרים אלה אינם מתורגמים לחלבון. מאידך גיסא, בגנים עצמם, רצף של כל שלושה בסיסים נקרא "קודון", וכל קודון מגדיר יחידת מבנה אחת של חלבון (כל חלבון מורכב מצירופים שונים של כ- 20 יחידות מבנה הנקראות חומצות אמינו). בנוסף, קיימים קודונים המסמנים את נקודת ההתחלה ונקודת הסיום של גנים, וכן רצפים המסמנים נקודות חיבור של מקטעי גנים. סך כל הדנ"א הנמצא בתא יחיד נקרא "גנום", וגודלו של גנום האדם הוא כשלושה מיליארד נוקלאוטידים (כלומר שלושת אלפי מיליון בסיסים).


 

רקע היסטורי


פרויקט מיפוי הגנום האנושי התחיל ביוזמת משרד האנרגיה האמריקני כבר בשנת 1986. ברקע עמדה פעולת הוועדה לאנרגיה אטומית שבאותו משרד, שחקרה במשך כ- 40 שנה את הנזקים הגנטיים שגרמו ההפצצות הגרעיניות ביפן בשלהי מלחמת העולם. אחד ההיבטים שנבדקו היה הופעת שינויים גנטיים (מוטציות) בצאצאי אנשים שנחשפו לקרינה. למרבה הפליאה, לא נמצאה כל עלייה בשכיחות המוטציות. כיוון שמספר הגנים שנבדקו היה קטן יחסית, נדונה האפשרות התיאורטית להשוות את סך כל הגנים של הורים שנחשפו לקרינה, לסך כל הגנים של צאצאיהם. למרות שמטרה מקורית זו נשכחה במהלך הדרך, הביאה יוזמה ראשונית זו לאיחוד כוחות עם ארגון הבריאות הלאומי בארה"ב. היוזמה המשולבת הובאה לפני בית המחוקקים ב- 1990, וזכתה לתקצוב של שלושה מיליארד דולר למשך 15 שנה, כאשר הפרויקט תוכנן להסתיים בשנת 2005. עקב פריצות דרך טכנולוגיות שהושגו במהלך הפרויקט, הוקדם מועד סיומו בשנתיים, והוא עומד כעת על שנת 2003, בדיוק 50 שנה אחרי גילוי מבנה הדנ"א על ידי ווטסון וקריק.


 

תכנית החומש


לאור גודלו העצום של הגנום, נוצר צורך לפצל את הפרויקט למטלות משנה, ולפתח מפות שיאפשרו התמצאות במבוך. בשלב ראשון הוכנו "ספריות" המכילות מקטעי דנ"א מוגדרים. ספריית דנ"א מכילה מקטעי דנ"א קטנים, הנשמרים בתוך חיידקים או באמצעים אחרים. כמו בספריה רגילה, מקטעי הדנ"א הנשמרים בה ניתנים לשליפה בכל עת. כיוון שבאופן טבעי מולקולות הדנ"א מאורגנות בכרומוזומים, הוכנו ספריות דנ"א מכל כרומוזום בפני עצמו, כאשר בכל הספריות יחדיו נמצאים מקטעים המרכיבים את הגנום בשלמותו. בצורה זו פוצל הגנום ל- 24 ספריות משנה. כיוון שבכל ספריה כרומוזומית היה מספר גדול של פיסות דנ"א, אשר יחד הרכיבו את הכרומוזום המקורי, היה צורך לקבוע את הסדר שבו ממוקמים המקטעים על גבי הכרומוזום. לצורך זה הוכנה "מפה" של מקטעי דנ"א, הממוקמים במרווחים של כחמישה מיליון בסיסים זה מזה, והם משמשים מעין רשת קואורדינטות, שאליה ניתן לייחס את כל המקטעים האחרים.

מיקום הגנים - הגנים הם היחידות התפקודיות של הגנום. כל גן מתורגם לחלבון, וזה מצידו משמש לבניין הרקמות, אם במישרין כיחידת מבנה או אנזים (תסס), או בעקיפין, כיחידת בקרה. עם זאת, רוב הדנ"א המרכיב את הגנום אינו מכיל גנים הניתנים לזיהוי, אך ככל הנראה, לחלקו יש חשיבות במערך הבקרה על תפקוד הגנים. כדי שהגנים יבצעו את תפקידם, הם משועתקים, והעותק יוצא מגרעין התא ומשמש כתבנית לייצור חלבונים. כיוון שרק גנים פעילים עוברים העתקה - באמצעות זיהוי מיקומם של עותקי הגנים, הוכנה
מפה הממקמת חלקים של רוב הגנים על גבי הכרומוזומים. למרות ששלב זה נשלם בעיקרו, המבנה והתפקוד של מרבית הגנים שמוקמו בדרך זו, אינם ידועים עדיין.

קביעת רצף הבסיסים - קביעת רצף הבסיסים המלא היא המטרה העיקרית של פרויקט הגנום. כיוון שרצף הבסיסים (נוקלאוטידים) אוצר בתוכו את המידע התורשתי - קביעת הרצף, זיהוי הגנים ואפיון יחידות הבקרה השונות יאפשרו את השגת מרבית מטרותיו של הפרויקט.

לצורך זאת חולק אוסף מקטעי הדנ"א שבספריית הגנום בין כ- 60 מעבדות בעולם, כאשר כל מעבדה לקחה על עצמה לאפיין מקטע דנ"א ספציפי. עם זאת, למרות אופיו הרב-לאומי של הפרויקט, רוב העבודה מבוצעת על ידי חמש מעבדות לאומיות בארה"ב ועל ידי מעבדות בבריטניה, בצרפת וביפן. הצורך בזיהוי מהיר ואוטומטי של רצף הבסיסים שימש מנוף לפיתוח מכשור חדש - המבוסס על טכנולוגיית "שבבי דנ"א" - שמאפשר קביעת רצפים מהירה מאוד, עם שיעור טעות נמוך מ- 1/10,000 (כלומר, טעות בבסיס יחיד על כל עשרת אלפים בסיסים שנבדקים). מכשור זה מצא מקום גם ביישומים רפואיים, לצורך מיפוי גנים ומציאת מוטציות הגורמות למחלות, וכן ביישומים רבים בתחום הביוטכנולוגיה.

אינפורמטיקה - המונח אינפורמטיקה מתייחס לטיפול במידע הנוצר במסגרת פרויקט הגנום. בעוד שבעבר הניסויים נעשו בבעלי חיים (in vivo) או במערכת מעבדתית (in vitro), כיום נוסף גם המדיום הממוחשב (in silico). לצורך פרויקט הגנום פותחו אלגוריתמים וכלים ממוחשבים לסיווג וקטלוג הממצאים, להשוואת רצפי דנ"א ממעבדות שונות ומאורגניזמים שונים, לניתוח מבני הגנים ולהדמיה תלת מימדית של התוצרים החלבוניים. בנוסף, על ידי השוואה לגנים מוכרים, נעשה ניסיון לפענוח ממוחשב של תפקודם האפשרי של הגנים המתגלים. כמות המידע המצטבר עולה בטור גיאומטרי, כאשר מדי יום מעבדים מחשבי הפרויקט נתונים הנוגעים ליותר מ- 70 מיליון נוקלאוטידים! מאגרי המידע המצטבר ותוכנות המחשב לעיבוד מידע זה נגישים לציבור באמצעות האינטרנט, והקלות שבה ניתן לחוקרים לגשת למידע ולנצלו היא אחד המדדים להצלחת הפרויקט.


 

רפואה חדשה


כאמור, מטרותיו של פרויקט הגנום של האדם הן לזהות ולקבוע את המבנה של כל 70 אלף עד 100 אלף
הגנים באדם ואת מבנה המקטעים המקשרים ביניהם, ולהעמיד את המידע לרשות כל החוקרים בעולם, לצורך
מחקר ביולוגי עתידי. מידע זה יעמיד לרשות החוקרים מעין "אנציקלופדיה" של הביולוגיה האנושית, שתהיה נגישה באמצעות המחשב וזמינה לכל. מטרת הביניים היא ליצור "טיוטה" שבה יאופיין המבנה של כמחצית מהגנים של האדם. שלב זה מתוכנן להסתיים באביב של השנה הבאה. בהמשך, יהיה צורך להשלים את המקטעים החסרים בתצריף. מטרה חדשה שהוגדרה לאחרונה היא לזהות את ההבדלים הפרטניים בין
פרטים שונים באוכלוסיה. לצורך זה, מתבצע אפיון מקביל של מקטעי דנ"א מפרטים שונים והגדרת
שינויי מבנה בין האנשים הנבדקים. וריאציות של בסיסים בודדים בין פרט לפרט נמצאות במרחק של
300-100 בסיסים זה מזה, וההנחה היא שזיהוי הבדלים אלה יאפשר להבין את המנגנון של מחלות מורכבות כגון סרטן, סוכרת, מחלות כלי דם וסוגים שונים של מחלות נפש.

באופק מסתמנת רפואה חדשה, רפואה מולקולרית, אשר תתמקד פחות בטיפול בתסמינים (סימפטומים)
ויותר בחיפוש הסיבות הבסיסיות למחלות. זיהוי מקדים של סיבות אלו עשוי לאפשר טיפול מקדים ומונע במחלות רבות עוד לפני הופעתן. בנוסף, יפותחו תרופות חדשות אשר בבסיס פעולתן עומדת ההבנה המשופרת של המערך הגנטי הגורם למחלה, אימונותרפיה (ריפוי על ידי מערכת החיסון) והימנעות מגורמי סביבה, שעלולים לגרום למחלות. בנוסף, ייתכן שניתן יהיה להגביר פעילות גנים מסוימים או אפילו להחליף גנים פגומים.

בשנת 1994 יזם משרד האנרגיה את פרויקט הגנום של חיידקים ואורגניזמים אחרים העשויים להיות שימושיים בהפקת אנרגיה, בתיקון נזקים לסביבה, בהפחתה ובסילוק פסולת רעילה, ובתהליכים תעשייתיים. במסגרת פרויקט זה נחקרו שישה מיני חיידקים המתאפיינים בעמידותם לתנאי סביבה קיצוניים של טמפרטורה ולחץ. בחיידקים אלה נקבע הרצף המלא של הדנ"א וזוהו בהם כל הגנים. מחקר החלבונים שגנים אלה מייצרים יגלה מה מקנה להם את תכונותיהם הייחודיות. המטרה הסופית היא לנצל חיידקים אלה לסילוק שפכים ופירוק פסולת של מזהמים סביבתיים.

לאפיון מבנה הגנום של אורגניזמים נוספים נודעת חשיבות להבנת הדרכים שבהם הגנים פועלים תוך אינטראקציה הדדית וזיהוי מנגנוני הבקרה המווסתים את פעולתם. עד כה, נשלם זיהוי הגנים של שמרים, מספר מיני חיידקים וסוג של תולעת שלשול. במקביל, נמשכים המאמצים לזהות את המכלול הגנטי של טפיל המלריה, זבוב הפרי ועכבר המעבדה. פרויקט זה מתוכנן להסתיים בשנת 2008. השוואת מבנה הגנום של בעלי חיים אחרים לזה של האדם תהווה, ללא ספק, פריצת דרך מהמעלה הראשונה בביולוגיה, ותאפשר להגיע לתובנות חדשות באשר לאבולוציה, ביוכימיה ודרך פעולתם של נתיבים מטבוליים ופיזיולוגיים שונים.


 

שימושים תעשייתים חדשים


פרויקט הגנום מעלה מתוכו פוטנציאל גדול לפיתוח התעשיה הביוטכנולוגית. צפוי שמכירת מוצרים ביוטכנולוגיים תעלה על 20 מיליארד דולר כבר בשנת 2000. ההתקדמות בפרויקט הביאה להקמת חברות ביוטכנולוגיה רבות וכן להקמת קרנות הון סיכון, המקוות לממש את הפוטנציאל האדיר הגלום בפרויקט.

הכרת הגנום של האדם תאפשר להעריך סיכונים לפרט מחשיפה לגורמי סביבה מזיקים, כגון קרינת רקע. כבר כיום ידוע שקיימים הבדלים גנטיים בין פרטים שונים באוכלוסיה, ההופכים את חלקם לרגישים יותר מאחרים. זיהוי הגנים האחראיים להבדלים אלה עשוי לאפשר מניעת מחלות הנגרמות מחשיפה סביבתית לקרינה במינון נמוך, וכן מניעת מחלות הנגרמות מחשיפה למזהמים רעילים שונים.
צריכת האנרגיה העולמית, הצפויה ב- 50 השנים הבאות, דורשת אסטרטגיות שיעקפו את הבעיות הכרוכות
בטכנולוגיות האנרגיה הקיימות כיום. מדברים כיום על תעשיה ביוטכנולוגית שתתבסס על מוצרי לוואי של פרויקט הגנום. עוד מדברים על טכנולוגיה תעשייתית המיועדת לשפר את ניצול האנרגיה של דלקים פחמניים (פחם ודלק לסוגיו). הביוטכנולוגיה עשויה לספק דרכים נקיות יותר להפיכת חומרי גלם למוצרים מזוקקים. בנוסף, קיימת אפשרות לפיתוח מקורות אנרגיה חדשים המבוססים על ביו-מסה. לדוגמה, קביעת המבנה הגנטי של חיידקים המייצרים גז מתאן (Methanococcus jannaschii) תאפשר לחקור את תהליך יצירת המתאן לכל פרטיו, ולחפש דרך זולה ויעילה ליישום תעשייתי של תהליך זה.


 

היבטים אתיים, חוקיים וסוציולוגיים של פרויקט הגנום


במקביל להכנת התשתית למיפוי הגנים וקביעת רצף הבסיסים הבונים את מולקולת הדנ"א, הוקמה מערכת לטיפול בהיבטים האתיים, החוקיים והסוציולוגיים של המידע הנאסף. מערך זה, הקרוי ELSI, עוסק בחינוך בכל הרמות, בהכנת הצעות חוק הקשורות בנושאים גנטיים וביולוגיים ובהכשרת מערכת המשפט, לטפל בסוגיות הנובעות מהחידושים ומהשלכות המידע המצטבר. אחת המטרות במסגרת החקיקתית היא הגנה על חסיון המידע הגנטי האישי ומניעת ניצול מידע זה לצורך אפליה חברתית, תעסוקתית, ביטוחית או רפואית.

מידע נוסף על פרויקט הגנום
http://www.ornl.gov/hgmis/publicat/tko/index.htm

*פרופסור משה פרידמן עומד בראש המכון הגנטי במרכז הרפואי שיבא, תל השומר





ביבליוגרפיה:
כותר: טכנולוגית ה- DNA
מחבר: פרידמן, משה (פרופ')
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