הדנ"א (DNA), או חומצה דאוקסיריבונוקלאית בעברית, היא מולקולת ענק המכילה את כל המידע התורשתי הדרוש כדי ליצור ולקיים את כל החי והצומח המוכרים לנו כיום. כל מולקולת DNA בנויה מארבעה סוגים בלבד של אבני בניין: הנוקליאוטידים אדנין (A) גואנין (G) תימין (T) וציטוזין (C).

מרגע שמולקולת הדנ"א נתגלתה כזו שמכילה את כל המידע הגנטי, נעשו מאמצים רבים לפענח את המבנה שלה, את הדרך בה היא מקודדת מידע ולבסוף נעשו מאמצים לפתח שיטה שתאפשר את קריאת הקוד. קריאת הקוד של מולקולת דנ"א נעשית על ידי תהליך שנקרא ריצוף דנ"א, שבו קובעים את סדר הנוקליאוטידים במולקולת דנ"א נתונה. בסרטון שלפנינו נראה איך מרצפים קטעי דנ"א ארוכים בשיטה חדשנית, על ידי שבירתם למקטעים קטנים וריצופם בנפרד.


הסרטון הופק בידי חברת life technologies

למה בעצם חשוב כל כך לדעת לקרוא את הקוד המוצפן במולקולת דנ"א?

מרגע שפותחה הטכנולוגיה המאפשרת לקרוא דנ"א, ניתן להשתמש במידע הגנטי שמקודד בו. למעשה יש לנו אפשרות להציץ לתוך הצופן שמקודד את סודות החיים. למידע הגנטי המוצפן יש חשיבות כבסיס למחקר היסטורי, לפיצוח תיקי פשע, לביצוע בדיקות ביולוגיות ורפואיות ועוד.

לא במקרה הפכה מולקולת הדנ"א לכלי הנושא את המידע התורשתי – היא עמידה בצורה יוצאת דופן ושומרת על המידע התורשתי הצפון בה ללא פגע למשך זמן רב. מידע גנטי עתיק שנשמר שנים רבות בשלמותו בדנ"א משמש כיום, למשל, לחקר ההיסטוריה והאבולוציה. קריאת הדנ"א של בני אדם ושל אורגניזמים נוספים ממקומות שונים בעולם ומתקופות זמן אחרות שופכת אור חדש על תהליכים היסטוריים ועל התפתחותם האבולוציונית של האדם, בעלי חיים, צמחים ובקטריות. כל זה לטווח של אלפי ואפילו מיליוני שנים.

לצופן הגנטי יש חשיבות גדולה מתמיד גם בעבודת משטרה. חקירות רבות בימינו מפוענחות ונסגרות בשל ראיות גנטיות. דנ"א שנמצא בזירת פשע משמש ראיה גנטית ומאפשר לכלוא פושעים רבים, בעוד אנשים חפים מפשע מוכיחים את חפותם בעזרתן. חשיבותן המשפטית של הראיות הגנטיות הפכה את קריאת הקוד הגנטי לחלק בלתי נפרד מעלילותיהן של אין-ספור סדרות משטרתיות וסרטי דרמה ואקשן.

ובכל זאת, אין ספק שהחשיבות הגדולה ביותר של ריצוף דנ"א היא בתחום מדעי החיים והרפואה.

חזון העידן הגנומי

מחקרים רבים במדעי החיים עוסקים בהבנתם של מקטעי דנ"א שמקודדים לגנים, ובעיקר בפענוח תפקידו של חלק נרחב מהדנ"א שאינו מקודד לגנים אלא קשור ככל הנראה לתהליכי בקרה חשובים. המחקר הגנטי והגנומי מתבסס על היכולת לקרוא את הקוד של גנים מסוימים לטובת השוואות והצלבות של מידע. נוסף על כך, כל התהליכים הקשורים להנדסה גנטית, החל במחקר בסיסי וכלה בהנדסת צמחים עמידים לחיידקים מסוימים, לא היו מתאפשרים ללא היכולת לקרוא דנ"א.

השימוש הנרחב ביותר בפענוח דנ"א נעשה בעולם הרפואה. כבר עכשיו משתמשים בטכניקות ריצוף כדי למצוא פגמים גנטיים אצל זוגות שמתכננים להביא ילדים לעולם, וכן בבדיקות נוספות רבות כמו בדיקות אבהות, תקינות הצופן הגנטי של עובר ובדיקת רגישות, ועוד.

אך החזון הגדול של הרפואה הגנטית עוד נמצא לפנינו – חזון העידן הגנומי. עלות קריאת הצופן הגנטי יורדת בקצב מסחרר, מעלות של כ-100 מיליון דולר לקריאת הגנום האנושי (דנ"א מלא של אדם מסוים) לפני כעשור ועד לכמה אלפי דולרים כיום. על פי המגמה הזו, בקרוב קריאת הגנום המלא של אדם תהיה מספיק זולה כדי להפוך לבדיקה שגרתית.


עלות קריאת הקוד של גנום אנושי מלא (הקו הירוק) מאז תחילת העשור הקודם | האיור לקוח ממכון חקר הגנום האנושי הלאומי

ברגע שיידעו את המידע הגנטי המלא של כל אחד, יוכלו רופאים לצפות מראש מחלות פוטנציאליות ולפתח טיפולים מונעים ובדיקות תקופתיות לאנשים שנמצאים בסיכון גבוה לחלות. גם הטיפול במחלות יותאם לגנום האישי של כל אדם. הקוד הגנטי יספק מידע שיאפשר לבחור את סוג הטיפול היעיל ביותר עבור החולה המסוים ואפילו את מינון התרופות שיינתנו לו. הטיפול הרפואי יהפוך מותאם אישית והרבה יותר יעיל ואפשר יהיה לצמצם את תופעות הלוואי והסבל הנגרמים כתוצאה מטיפול לא מתאים.

אז איך נעשה תהליך הקריאה?

בתחילת שנות השבעים של המאה הקודמת נעשו הצעדים הראשונים בתחום ריצוף הדנ"א. מאז שוקדים כל העת על פיתוח ושיפור של טכניקות הריצוף במטרה להשיג ריצוף יעיל, זול וללא שגיאות. כיום יש מגוון גדול של שיטות ריצוף, אך כולן מתבססות על התהליך הכימי שבו הנוקליאוטידים מתחברים יחד בעזרת קשר כימי ובונים את מולקולת הדנ"א.

למעשה, כל ארבעה הנוקליאוטידים בנויים באופן דומה – יש להם בסיס טבעתי חנקני, שאליו מחוברת טבעת סוכרית מחומשת ואליה מחוברות כמה קבוצות זרחן. מולקולת הדנ"א נוצרת על ידי חיבור הסוכרים דרך קבוצת זרחן אחת לשלד סוכרי ארוך. התגובה הכימית שמתרחשת בחיבור שני נוקליאוטידים יחד עומדת בבסיסן של כל טכנולוגיות ריצוף הדנ"א הקיימות – מהשיטה הפרימיטיבית ביותר שפותחה בשנות ה-70 של המאה הקודמת ועד לטכנולוגיה החדשנית ביותר.

בשיטה החדשנית שמוצגת בסרטון, לוקחים מולקולת דנ"א שצריך לרצף, משכפלים אותה וחותכים לגדילי דנ"א קצרים. הגדילים הקצרים מפוזרים ב"באריות" הקטנות, כך שבכל בארית ישנו גדיל בודד.

כל מערך הבאריות מוצף בנוקליאוטיד מסוג אחד, לדוגמה גואנין. אם סדר הנוקליאוטידים בגדיל מסוים מתאים לכניסתו של הגואנין, הוא נקשר ובתהליך הכימי משתחרר מימן. המימן נקלט לאחר מכן במערכת כאות חשמלי.

אם כן, כל גדיל דנ"א שבנוי בצורה כזו שגואנין מתאים לעמדה הראשונה שלו מעביר אות חשמלי ואילו הגדילים האחרים לא מעבירים אות. לאחר מכן שוטפים את המערכת ומציפים אותה בנוקליאוטיד מסוג אחר, למשל אדנין, וחוזר חלילה. משום שאנו יודעים איזה נוקליאוטיד הציף את המערכת ואילו גדילי דנ"א שחררו מימן והעבירו אות חשמלי, אנחנו יכולים להבין את רצף הנוקליאוטידים שממנו מורכב גדיל הדנ"א – זה הקוד הגנטי.

בטכניקה הזו המון גדילי דנ"א קצרים מקוּדדים במקביל ואפשר לעבד הרבה מידע בזמן קצר. מאוחר יותר מחברים את המידע מכל הגדילים הקצרים ומקבלים את הקוד המלא של הדנ"א.

הטכניקה החדשנית הזו היא צעד נוסף מיני רבים שמקדמים אותנו לתחילתו של העידן הגנומי.

איתן אוקסנברג
מאסטרנט, המחלקה לחומרים ופני שטח
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

3 תגובות

  • אלי

    המצלות לשירות ריצוף גנום אישי

    היי, תודה רבה על ההסבר מאיר העיניים.
    אשמח להמלצות של חברות מהן ניתן להזמין ריצוף גנום אישי ומספקות גם מידע רלוונטי לגבי ההשלכות. תודה

  • נעמה

    תהליך הקריאה של הדנא

    איך נקראת השיטה החדשנית שמוצגת בסרטון?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתן אוקסנברג

    תשובה

    היי נעמה,
    השיטה הספציפית הזו נקראת Ion Torrent
    ומדובר בריצוף יוני. (Ion sequencing)