פיתוח חדש מקרב אותנו צעד נוסף לעבר בנייה של תאים מלאכותיים מתפקדים. עם זאת, הדרך מכאן ליצירת חיים במעבדה עדיין ארוכה
ככל שיכולותינו להתערב בטבע, או לפחות לחקות אותו, מתעצמות – כך גדלים גם האתגרים העומדים בפני המדע. אחד הגדולים מביניהם הוא להצליח לבנות באופן מלאכותי תאים חיים ומתפקדים מעשה ידי אדם, שיפעלו ויתרבו בדומה לתא חי טבעי. הצלחה בזה תוכל להוביל אל האתגר הגדול באמת: הנדסה של יצורים מפותחים במעבדה. במאמר שהתפרסם בכתב העת Nature, חוקרים מאוניברסיטת בריסטול בבריטניה תיארו התקדמות משמעותית בפיתוח תאים סינתטיים שמחקים חלקית את המבנה והתפקוד של תאים חיים.
ההתקדמות הושגה בעזרת שימוש בשיטות הלקוחות מאחד מתחומי המחקר המתפתחים ביותר במדע העכשווי, הביולוגיה הסינתטית. מדובר בשדה חדש יחסית שמשלב תחומי דעת רבים, ובהם ביוטכנולוגיה, הנדסה גנטית, תכנות וביו-הנדסה, במטרה לעצב ולבנות מערכות ביולוגיות למטרות שימושיות. ההתקדמות המהירה בו צפויה לחולל מהפכה בענפי הרפואה, החקלאות, המחשוב, הביוטכנולוגיה, הייצור ועוד.
אחת הגישות שמשמשות לבניית מערכות כאלו נקראת "מלמטה למעלה", כלומר מהחלקים הקטנים למבנה השלם. בגישה הזו משתמשים באבני בניין מולקולריות שחיוניות לחיים, כדי לייצר באופן מלאכותי תא חי ומתפקד בתוך צלחת פטרי, בלי הסביבה המורכבת של הגוף כולו. התא הסינתטי מכיל מבנים ביולוגיים שמסודרים יחד באותו מבנה ארגוני האופייני לתא חי אמיתי, ומתרחשים בו תהליכים דומים לאלה שמתקיימים ביחידה הבסיסית של החיים – התא.
בנייה של תא מלאכותי היא אתגר מורכב מאוד. כדי לעמוד בו צריך לשלב אינספור רכיבים ביולוגיים בתוך מבנה ארגוני מורכב בעל יכולת תפקודית גבוהה. בעבר נעשו ניסיונות ליצור תאים מלאכותיים בעזרת מעין כמוסות זעירות, שהכילו חלק ממרכיבי התא. ההצלחה הייתה חלקית בלבד, כיוון שהתקיימו בתאים הללו רק תהליכים בודדים מתוך מכלול הפעולות המורכבות של תא חי אמיתי.
תא מלאכותי שמחקה חלקית את המבנה והתפקוד של תאים חיים. אחד התאים במחקר, מראה מבנה דמוי-גרעין וצורה של אמבה | Professor Stephen Mann and Dr Can Xu
פירוק והרכבה במבחנה
כדי להתמודד עם אתגר הבנייה המורכב השתמשו החוקרים במחקר החדש בטיפות זעירות של נוזל צמיג, שאותן מילאו בחיידקים חיים. הרעיון היה כזה: חיידקים, בהיותם תאים חיים בעצמם, הם מאגר עשיר של מרכיבים תאיים. כשהורגים אותם בתוך הטיפה, הם משחררים לתוכה את כל תכולתם, כגון חלבונים, שומנים ומולקולות RNA ו-DNA המכילות הוראות הפעלה לבניית חלבונים. כך יהפוך המבנה כולו למעין אתר בנייה מיקרוסקופי ליצירת תא והתא יתעורר לחיים.
החוקרים חשפו את טיפות הנוזל, שגודלן 30-5 מיקרון (מיליוניות המטר), לשני סוגי חיידקים. אוכלוסייה אחת של חיידקים נלכדה באופן ספונטני בתוך הטיפות ואילו השנייה נצמדה לפני השטח של הטיפות ויצרה מין קליפה של חיידקים חיים. לאחר מכן הם השמידו את שני סוגי החיידקים כך שכל תכולתם נותרה כלואה על פני הטיפות או בתוכן. כך הם יצרו מבנה מלאכותי, המכונה פרוטו-תא, שמורכב מקרום שמקורו בחיידקים שהיו על פני הטיפה, ובתוכו נוזל תוך-תאי עשיר באלפי מולקולות ששותפות בפעילות תוך-תאית שוקקת- הנגרמת מ"תרומתם" של החיידקים בתוך הטיפה.
בשלב הבא בדקו החוקרים אם הפרוטו-תאים שבנו הצליחו לפעול כמו תא חי. הם ראו כי הרכיבים החיידקיים ביצעו בתאים המלאכותיים תהליכים חשובים ומרכזיים הדרושים לחיים. למשל, בתוך הפרוטו-תאים נוצרו מולקולות ATP באמצעות פירוק של הסוכר גלוקוז. המולקולות הללו משמשות כמאגר האנרגיה של התא, כמו סוללות נטענות, ולכן יש להן חשיבות עצומה לכל פעולות התא. נוסף על כך נוצרו בפרוטו-תאים חלבונים חדשים על בסיס המידע הגנטי שהיה אגור ב-DNA החיידקי. חלבונים הם המולקולות האחראיות על ההוצאה לפועל של תהליכי החיים, ואף על יצירת שלד התא.
בהמשך החוקרים שיפרו את התהליך והצליחו לגרום למולקולות ה-DNA שהשתחררו מהחיידקים להתעבות למבנה שקצת מזכיר גרעין תא – אברון שמאפיין תאים מפותחים יותר מתאי חיידקים. כמו כן נוצרה רשת שדומה לשלד התאי. בסופו של דבר הם הצליחו להגיע למבנה תא הדומה לתא מורכב ומתפקד, שקיבל בתוך 3-1 ימים צורה דמוית אמבה חד-תאית.
תחום הביולוגיה הסינתטית צפוי להשפיע על מגוון רחב של תחומים בעולמנו, ובמיוחד על עולם הרפואה. הטכנולוגיה שקיימת לרשותנו היום עדיין רחוקה מלהיות בשלה לבניית יצורים חיים בצורה מלאכותית, אבל המחקר הנוכחי עושה צעד חשוב נוסף לקראת פיתוח היכולת להרכיב תא חי.
