התקדמות חשובה בפיתוח ננו-רובוטים רפואיים

[תרגום מאת ד"ר נחמני משה]

חוקרים מרוסיה אחראים להתקדמות חשובה בתחום הפיתוח של ננו-רובוטים רפואיים, זאת לאחר שהם גילו דרך לבצע חישובים לוגיים בעזרת שלל תגובות ביוכימיות.

חוקרים מהאקדמיה למדעים ברוסיה אחראים להתקדמות חשובה בתחום הפיתוח של ננו-רובוטים רפואיים, זאת לאחר שהם גילו דרך לבצע חישובים לוגיים בעזרת שלל תגובות ביוכימיות. פרטי המחקר של המדענים הללו פורסמו בכתב-העת המדעי היוקרתי Nature Nanotechnology. זהו הפרסום הראשון מזה שנים רבות הכולל פרוט ניסויים שהוצג ע"י צוות חוקרים רוסיים בלבד באחד מכתבי-העת המצוטטים ביותר.

המאמר מסתמך על הרעיון של חישוב בעזרת ביו-מולקולות. במעגלים אלקטרוניים, לדוגמה, חיבורים לוגיים עושים שימוש בזרם או במתח. במערכות ביוכימיות התוצאה עשויה להיות קבלת חומר מוגדר. לדוגמה, שיטות ביו-הנדסה מודרניות מאפשרות לתאים להאיר בצבעים שונים או אפילו לתכנת אותם למות, הישג המתקבל בעזרת חיבור הייזום של מות תאים מתוכנת (apoptosis) לתוצאה של פעולות בינאריות. מדענים רבים מאמינים כי פעולות לוגיות בתוך תאים או בתוך מערכות ביו-מולקולאריות מלאכותיות עשויות להיות שיטה לבקרת תהליכים ביולוגיים ולפיתוח מיקרו- וננו-רובוטים, שיוכלו, למשל, להעביר תרופות בלוח זמנים מוגדר ליעדים ספציפיים בתוך הגוף.

חישובים בעזרת ביו-מולקולות בתוככי התאים, תחום המכונה ביו-מחשוב (ויקיפדיה), מהווים ענף מדעי מבטיח וכזה המתפתח במהירות, לדבריו של הכותב הראשי של המאמר. ביו-מחשוב עושה שימוש במנגנונים תאיים טבעיים. אולם, חישוב כזה הוא הרבה יותר מאתגר מחוץ לתאים, שם לא מצויים מבנים טבעיים שיוכלו לסייע לבצע את החישובים. המחקר החדש מתמקד ספציפית בביו-מחשוב המתבצע מחוץ לתאים.

המחקר החדש סולל את הדרך לפיתוחם של מספר טכנולוגיות ביו-רפואיות, והוא נבדל משמעותית ממחקרים קודמים בתחום של ביו-מחשוב, בכך שהוא מתמקד הן בפנים התאים והן מחוץ להם. מדענים מרחבי העולם כולו חוקרים את תחום החישוב הבינארי בעזרת דנ"א, רנ"א וחלבונים מזה כעשור, אולם צוות מחקר זה הוא הראשון אי-פעם שהציע והצליח להוכיח באופן ניסיוני שיטה להמרת כמעט כל סוג שהוא של ננו- או מיקרו-חלקיק למבנים עצמאיים המסוגלים לבצע ביו-חישובים תוך שימוש באוסף שלם של שערים לוגיים בוליאנים (כן, לא, גם, או) וחיבורם ליעד (כגון תא ביולוגי) בתור תוצאת החישוב. השיטה מאפשרת חיבור בררני לתאי מטרה, ובנוסף היא מייצגת טכניקה חדשה לאנליזת דם וחומרים ביולוגיים אחרים.

התחילית 'ננו' במקרה זה אינה גחמה או רק ניסוח מדויק מדי. הפחתה בגודל החלקיק מולידה לעיתים שינוים קיצוניים בתכונות הפיזיקאליות והכימיות של החומר. ככל שהחלקיק קטן יותר, כך הוא יותר פעיל – חלקיקים זעירים במיוחד של מוליכים-למחצה, למשל, עשויים לפלוט קרינה פלורסצנטית. במחקר זה נעשה שימוש בננו-חלקיקים (בגודל של 100 ננומטרים) ומיקרו-חלקיקים (בגודל של 3000 ננומטרים, שהם 3 מיקרומטרים).

במסגרת המחקר, ננו-החלקיקים עברו ציפוי בשכבה מיוחדת המסוגלת להתפרק באופנים שונים בחשיפה לשילובים נבדלים של אותות. אות במקרה שלנו הוא התגובה שבין ננו-חלקיק לבין חומר מוגדר. לדוגמה, על מנת להפעיל את הפעולה הלוגית "גם", ננו-חלקיק כדורי עבר ציפוי ע"י שכבה של מולקולות העטופות בתורן בשכבה של כדוריות בעלות קוטר קטן יותר. המולקולות המהוות את השכבה החיצונית מורכבות משני סוגים, כאשר כל סוג מגיב לאות ייחודי בלבד; בבואן במגע עם שני חומרים שונים, הכדוריות הקטנות ניתקות משטח הפנים של ננו-החלקיק בעל הקוטר הגדול יותר. הרחקת השכבה החיצונית חושפת את החלקים הפעילים כימית של החלקיק הפנימי יותר, ורק בשלב זה אלו מסוגלים להגיב עם היעד הייחודי להם. במנגנון זה החוקרים הצליחו להשיג אות פלט יחיד בתגובה לשני אותות קלט.

בתור ננו-חלקיקים האחראים לקישור, החוקרים בחרו בנוגדנים. גם מאפיין זה מבדיל בין המחקר הנוכחי לבין מספר מחקרים קודמים בתחום של ביו-מחשוב, בהם נעשה שימוש בדנ"א או ברנ"א על מנת לבצע פעולות לוגיות. בנוגדנים, שהם חלבונים טבעיים של מערכת החיסון, יש חלק פעיל קטן המגיב רק למולקולות ייחודיות; הגוף מנצל את הבררנות הגבוהה הזו של נוגדנים על מנת לזהות ולנטרל חיידקים ומחוללי מחלות אחרים החודרים לגוף. לאחר שהחוקרים וידאו כי השילובים השונים של סוגי ננו-חלקיקים ונוגדנים מאפשרים להפעיל סוגים מובחנים של פעולות לוגיות, הם הראו כי ניתן להתכוונן באופן בררני לעבר תאי סרטן. החוקרים לא רק שהצליחו לפתח ננו-חלקיקים המסוגלים להיקשר לסוגים נפרדים של תאים, אלא שחלקיקים אלו גם מזהים את היעד שלהם רק כאשר מתמלאים שני תנאים נפרדים, או כאשר שתי מולקולות שונות נוכחות בקרבתם, או כאשר אף מולקולה לא נמצאת בסביבתם. תוספת בקרה זו יכולה להיות שימושית מאוד עבור מיגור מדויק יותר של תאי סרטן תוך השפעה מזערית בלבד על רקמות ואיברים בלתי-נגועים.

חוקרים אומרים כי למרות שזהו רק צעד קטן במסגרת הפיתוח של ננו-ביורובוטים יעילים, תחום מדעי זה מעניין מאוד והמחקר הנוכחי סולל את הדרך לנתיבי מחקר רבים ומגוונים.
הידיעה המקורית
תקציר המאמר