מדענים בארה"ב פיתחו כלי תכנות שמאפשר לתכנן בקלות את החומר הגנטי של חיידקים מהונדסים ליישומים שונים
האם תרצו שהחיידק שלכם יתריע כשרמת החמצן תרד מתחת לרף מסוים? ואולי שייצר חלבון בתגובה לאור? עכשיו תוכלו לבחור משורה של פעולות (או להוסיף חדשה), להגדיר את התנאים המדויקים שבהם הפעולה תתבצע – וללחוץ אנטר. התוכנה Cello תיתן לכם את רצף ה-DNA המדויק שעליכם להכניס לחיידק על מנת לקבל את התוצאה הרצויה.
חיידקים מהונדסים גנטית שמבצעים פעולות פשוטות, למשל ייצור או פירוק של חומרים, אינם דבר חדש. כבר בסוף שנות ה-70 פיתחו מדענים חיידקים שייצרו אינסולין של אדם. בשנים האחרונות החלו חוקרים לבנות "מכונות חיידקיות" מתוחכמות יותר, החשות בתנאים סביבתיים כמו טמפרטורה, לחות, אור וריכוזים של חומרים מסוימים ומגיבות בצורה שנקבעה מראש.
הצעד הבא היה לתכנת לתוך ה-DNA של החיידקים "שערים לוגיים", ממש כמו אלה המשמשים לבניית מעגלים אלקטרוניים. לדוגמה, חיידק בעל השער הלוגי AND יפעל רק כאשר הוא יקבל שני קלטים שונים, למשל רמת סוכר נמוכה וטמפרטורה גבוהה. אם החוקרים ישתמשו בשער הלוגי OR, החיידק יגיב אם יקבל כל אחד מהקלטים האלה, או את שניהם יחד.
חוקרים ממעבדות שונות השתמשו בחלבונים שמעודדים ביטוי של גנים מסוימים או השתקה שלהם כדי ליצור את השערים הלוגיים הללו. פיתוח "מעגל גנטי" כזה עשוי לדרוש שנים של עבודה, המבוססת בעיקר על ניסוי וטעייה. במאמר בכתב העת Science, מציגים כעת חוקרים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) ואוניברסיטת בוסטון תוכנה שמאפשרת ליצור מעגלים גנטיים בקלות ובמהירות.
שערים ומעגלים
לתוכנה, Cello, יש ממשק משתמש שמאפשר להכניס לתוכה את הסוג הרצוי של החיישן, את הפעולה שעל התא לבצע, ואת הקשר הלוגי בין שניהם. למשל על החיידק להפסיק לייצר חומר מסוים כשהחיישן מגלה שרמת הסוכר עלתה מעל רף מסוים. הפקודות ניתנות בשפת Verilog, שמשמשת בדרך כלל לתכנות מעגלים חשמליים. התוכנה מרכיבה, מתוך רצפי DNA בספרייה שלה, שמקודדים לחיישנים, שערים לוגיים ופעולות אחרות, רצף DNA המכיל את המעגל הגנטי כולו. כל מה שנשאר לעשות הוא לסתנתז את ה-DNA ולהכניס אותו לחיידק.
החוקרים, בראשותו של כריסטופר ווֹיט (Voigt) מ-MIT, יצרו בעזרת התוכנה 60 מעגלים גנטיים שונים, כולם בחיידק אי קולי (E. coli). כשהכניסו אותם לחיידק, 45 מהם עבדו היטב כבר בניסיון הראשון. אחד המעגלים היה הגדול ביותר שנוצר אי פעם, עם שלושה חיישנים ושבעה שערים לוגיים, ומורכב מ-12 אלף בסיסי DNA. תכנון של 60 מעגלים בעזרת Cello, אומר ווֹיט, עשוי להימשך בערך שבוע, בהשוואה לחודשים ולפעמים שנים שנדרשו עד היום לתכנון מעגל אחד.
Cello פתוחה לכולם, וניתן לעבוד בה דרך האתר, או אפילו להוריד את הקוד שלה ולהרחיב אותו. היות שהקוד פתוח, הספרייה שממנה התוכנה שואבת את הרצפים לחיישנים ולפעולות תתרחב בוודאי במהירות, כשחוקרים ממעבדות אחרות ישתמשו ב-Cello לצרכיהם ויוסיפו את הרצפים שלהם. החוקרים גם עובדים על הרחבה של התוכנה, כך שתוכל לתכנן רצפים לא רק לחיידק E. coli, אלא גם לחיידקים אחרים ואפילו לשמרים.
שימושים רבים
השימושים של חיידקים המתוכנתים בצורה כזאת רבים ומגוונים. החוקרים הציגו במאמר שלושה פיתוחים שהם עובדים עליהם: חיידקים החיים במעי, שיהונדסו כך שיעזרו בעיכול סוכר החלב לקטוז; חיידקים החיים בין שורשי צמחים, שייצרו חומרי הדברה כשיזהו התקפה של חרקים מזיקים; ושמרים המשמשים בתהליכי תסיסה של מאכלים, שיהונדסו כך שיפסיקו את פעולתם כשיחושו בריכוז גבוה של חומרים רעילים. זו כמובן רק טיפה בתוך ים עצום של אפשרויות שהתוכנה החדשה פותחת בפני חוקרים מרחבי העולם.
פיתוחים ורעיונות מעולם ההנדסה ומדעי המחשב חודרים יותר ויותר לעולם מדעי החיים, ובעיקר כמובן לתחום הפורה של הנדסה גנטית. Cello מראה איך אפשר לתכנת חומר גנטי כמעט כמו שמתכנתים שבב סיליקון. זה צעד משמעותי לעבר עתיד שבו נוכל לייצר חיידקים "חכמים", שלא רק יבצעו בשבילנו שורה ארוכה של מטלות, אלא גם ישנו את התנהגותם בתגובה לתנאי הסביבה.