חוקרים מהאוניברסיטה העברית פיתחו מערכת גנטית המאפשרת לתאים אנושיים לבצע פעולות לוגיות מורכבות, לעבד כמה אותות במקביל ולהפעיל תגובה בהתאם לתוכנית שנקבעה מראש. המערכת אינה מחשב אלקטרוני במובן המקובל, אך היא מממשת בתוך התא עקרונות בסיסיים של חישוב דיגיטלי באמצעות רכיבים ביולוגיים.

המחקר, שהתפרסם בכתב העת Nature Communications, נערך בידי הדוקטורנטית קרן רואס וד"ר ליאור ניסים. החוקרים תכננו מערכות גנטיות מלאכותיות המסוגלות לקלוט מידע מסביבת התא, לבצע עליו חישובים ולהפעיל גנים בהתאם לתוצאה.

הפיתוח משתייך לתחום המחשוב הביולוגי והביולוגיה הסינתטית, המבקשים להשתמש ב־DNA, ב־RNA ובמנגנוני התא כרכיבי עיבוד, זיכרון ובקרה. בניגוד לשבב סיליקון, שבו האותות הם מתחים וזרמים חשמליים, כאן המידע מיוצג באמצעות מולקולות, ביטוי גנים ותגובות כימיות.

צמצום מספר שכבות החישוב

אחד הקשיים המרכזיים בבניית מעגלים גנטיים מורכבים הוא הירידה באמינות ככל שמוסיפים שלבי חישוב. במערכות קודמות, כל פעולה נוספת חייבה לעיתים שכבת בקרה נוספת, וככל שמספר השכבות גדל האות נחלש, זמן התגובה התארך ושיעור השגיאות עלה.

לדברי ד"ר ניסים, השיטה החדשה מאפשרת לתאים לבצע תוכניות מורכבות תוך שימוש במספר קטן יותר של חישובים ורכיבים גנטיים. צמצום עומק המעגל הביולוגי עשוי לשפר את האמינות ולאפשר בניית מערכות מורכבות בלי לאבד פונקציונליות.

המערכת מבוססת על תהליך הנקרא שחבור RNA בהצלבה, RNA trans-splicing. בתהליך זה מתחברים בתוך התא מקטעים נפרדים של RNA ויוצרים מסר גנטי פעיל. החוקרים שילבו את מנגנון השחבור עם רכיבי בקרה טבעיים ומלאכותיים שתוכננו מראש.

באמצעות שילוב זה ניתן לעבד כמה אותות בעת ובעונה אחת, ולא רק להעביר אותם בשורה של שלבים עוקבים. מבחינה ארכיטקטונית, מדובר במעבר לעיבוד מקבילי יותר, המפחית את מספר שכבות החישוב הדרושות.

מחבר מלא ומרבב ביולוגיים

כדי להדגים את יכולות המערכת בנו החוקרים התקנים ביולוגיים המקבילים לרכיבים מוכרים מעולם האלקטרוניקה הדיגיטלית.

הראשון היה מחבר מלא, Full Adder, רכיב בסיסי במעבדים המבצע חיבור בינארי ומתחשב גם בסיבית נשיאה. בגרסה הביולוגית, הקלטים אינם ביטים חשמליים אלא אותות מולקולריים, והפלט מתקבל באמצעות הפעלת גנים וייצור חלבונים.

הרכיב השני היה מרבב, Multiplexer, הבוחר ערוץ אחד מתוך כמה ערוצים אפשריים ומעביר אותו הלאה בהתאם לאות בקרה. גם כאן, פעולת הבחירה מתבצעת באמצעות מנגנונים גנטיים בתוך התא.

החוקרים עקבו אחר תוצאות החישוב באמצעות חלבונים פלואורסצנטיים הזוהרים בצבעים שונים. כל צבע ייצג מסלול גנטי אחר שאותו הפעיל התא.

המערכת כללה גם מנגנון לאיתור תצורות שגויות או עומס. כאשר זוהה מצב לא תקין, התא ייצר אות התרעה. מבחינת תכנון מערכות, מדובר בשכבת ניטור ובטיחות שעשויה להיות חשובה במיוחד ביישומים רפואיים.

מתאי חישוב לתאים טיפוליים

היישום האפשרי המרכזי אינו החלפת מעבדי סיליקון, אלא פיתוח תאים מתוכנתים המסוגלים לקבל החלטות בתוך הגוף.

תא טיפולי כזה יוכל לעקוב אחר כמה סמנים ביולוגיים בו־זמנית ולהפעיל תגובה רק כאשר מתקיים צירוף מדויק של תנאים. לדוגמה, תא יוכל לזהות כמה אותות המאפיינים גידול סרטני, אך להימנע מפעולה כאשר רק אחד מהם מופיע גם ברקמה בריאה.

כהדגמה תכנתו החוקרים תאים לייצר אינטרלוקין 15, IL-15, חלבון איתות של מערכת החיסון שיכול לעודד פעילות של תאים המשתתפים בתגובה נגד גידולים.

המערכת עדיין נמצאת בשלב ניסויי. לפני שימוש רפואי יהיה צורך לבחון את יציבותה לאורך זמן, את שיעור השגיאות, את תגובתה בתנאים ביולוגיים מורכבים ואת יכולתה למנוע הפעלה לא רצויה.

עם זאת, המחקר מדגים כיצד ניתן ליישם עקרונות של ארכיטקטורת מחשבים בתוך תאים חיים: קלט מרובה, עיבוד מקבילי, רכיבים לוגיים, בחירת מסלול, פלט ומנגנון התרעה.

הפיתוח אינו מצביע על מחשב ביולוגי שיתחרה במעבדים רגילים במהירות החישוב, אלא על פלטפורמה אחרת לגמרי — מערכת חישובית הפועלת בתוך התא, קוראת את סביבתו הביוכימית ומפעילה תגובה ישירות במקום שבו היא נדרשת.

הפוסט חוקרים מהאוניברסיטה העברית בנו „מחשב ביולוגי” בתוך תאים אנושיים הופיע לראשונה ב-Chiportal.

את המחקר מובילים פרופ' איתן יעקובי ופרופ' זוהר יכיני מהפקולטה למדעי המחשב ע"ש טאוב, שהם מתאמי המחקר בפרויקט. השניים מומחים באחסון מידע ב-DNA, תחום הנחשב לאחד הכיוונים המבטיחים כיום בעולם המידע, מאחר שגרם בודד של DNA עשוי לאצור בתוכו מידע עצום. לאור הגידול המסחרר בנפח המידע בעולם הולך ומתעצם הצורך בחלופה זולה, קומפקטית ובלתי מזהמת. חוות השרתים (ה"ענן") לא רק צורכות כיום כ-3% מצריכת החשמל העולמית אלא גם "תורמות" כ-2% מפליטות הפחמן לאטמוספרה. חלופת ה-DNA, לעומתן, מספקת מזעור משמעותי (שישה עד עשרה סדרי גודל), שמירה של המידע לטווח ארוך הרבה יותר ועלות אנרגטית אפסית.

הרעיון הבסיסי הוא זה: בתהליך מלאכותי (סינתזה) מיוצרות מולקולות DNA המכילות את המידע ברצפים שונים של ארבע האותיות של שפת התורשה – הנוקלאוטידים, המסומנים באותיות G, C, A ו-T. כדי לקרוא את המידע נדרש ריצוף של ה-DNA, תהליך פשוט יחסית שעלותו פוחתת משנה לשנה. האתגרים העיקריים בתחום מצויים כיום בתהליך הסינתזה עצמו, ולכך מוקדש מחקרם של הפרופסורים יכיני ויעקובי. המענק נועד לתמוך בשני החוקרים ובשותפיהם בפיתוח שיטות מתקדמות לסינתזה של DNA מלאכותי שיהיו מהירות יותר, זולות יותר ומדויקות יותר. כמו כן יעסוק המחקר האמור בסוגיות כגון פרטיות ואבטחת מידע ובשימושים בתחום הקריפטוגרפיה. 

החוקרים הנוספים בפרויקט הם פרופ' אנטוניה וואכטר-צ'ה ופרופ' ראיינהרד הקל מאוניברסיטת TUM, פרופ' מארק סמזוסה ממכון LSB באוניברסיטת TUM, פרופ' רוברט גראס מאוניברסיטת ETH Zurich ופרופ' קונאל מסאניה מאוניברסיטת TU Delft.

מענקי EIC Pathfinder  תומכים בחוקרים המפתחים טכנולוגיות חדשות ופורצות דרך שיש בהן פוטנציאל השפעה משמעותי אך גם סיכון בלתי מבוטל (High Risk High Gain). בשנה שעברה זכו במענק חוקרי הטכניון פרופ' בעז פוקרוי ופרופ' אסתי סגל לטובת פיתוח טכנולוגיה שתגן על גידולים חקלאיים.

הפוסט <strong>מענק יוקרתי לחוקרי הטכניון: לקראת מערכת שלמה לאחסון מידע על DNA</strong> הופיע לראשונה ב-Chiportal.