חוקרים בפקולטה למדעי המחשב ע"ש טאוב פיתחו שיטה מבוססת AI המאיצה בשלושה סדרי גודל את מהירות שליפת המידע ממאגרי נתונים מבוססי DNA ומשפרת באופן משמעותי את הדיוק. צוות החוקרים כלל את הדוקטורנט עומר צברי, ד"ר דניאלה בר-לב, ד"ר איתי אור, פרופ' איתן יעקבי ופרופ' טובי עציון. 

אחסון מידע ב-DNA הוא תחום מחקר חדש ומבטיח, שעיקרו – שימוש ב-DNA כפלטפורמה לאחסון מידע. ל-DNA יתרונות משמעותיים כמערכת אחסון מידע, ובהם שימור המידע לטווחי זמן עצומים; הפחתה דרמטית בעלויות האנרגטיות והכלכליות ובפגיעה בסביבה; וזינוק בצפיפות המידע, שמשמעותו מזעור דרמטי של נפח האחסון.

בהקשר של "חיי המדף" של המידע – ב-2013 הצליחו חוקרים מדנמרק להפיק DNA מעצם של סוס שחי לפני 700,000 שנה. ב-2021 הצליח צוות בין-לאומי להפיק DNA של ממותות שחיו לפני יותר ממיליון שנה. לשם השוואה, אורך החיים של דיסק מגנטי, כמו אלה המשמשים בחוות שרתים, נמדד בשנים או לכל היותר בעשורים בודדים. לכן ברורה קפיצת הענק הצפויה באחסון ארוך טווח.

בהקשר הכלכלי והאנרגטי ראוי לציין כי ה"ענן", המספק לנו את רוב שירותי המחשוב, מבוסס על חוות שרתים הצורכות כיום כ-3% מצריכת החשמל העולמית ופולטות כ-2% מסך פליטות הפחמן. מאחר שכמות המידע גדלה באופן מעריכי, ברור שהנזק הסביבתי הצפוי מהמשך השימוש בטכנולוגיות הקיימות עתיד לגדול בהתמדה.

באשר לצפיפות המידע – צפיפות המידע ב-DNA גדולה עד פי מאה מיליון בערך מזו של אחסון דיגיטלי. פירוש הדבר הוא כי פוטנציאלית, על כל יחידת נפח המחזיקה כיום 1 מגה-בייט נוכל לאחסן עד 100 טרה-בייט.

DNA היא מולקולה שמורכבת מרצף של תרכובות אורגניות הקרויות נוקלאוטידים. אלה מתחלקים לארבעה סוגים המסומנים באותיות T, G, C, A. בהתאם לכך, אם במחשוב המסורתי מיוצג המידע על ידי שתי ספרות בלבד – 0 ו-1 – הרי שאחסון ב-DNA מבוסס על רצפים של ארבע אותיות, מה שמגדיל דרמטית את מספר הצירופים האפשריים.

כדי לכתוב (לאחסן) את המידע בטכנולוגיה זו דרושה סינתזה (DNA Synthesis) – יצירה של מולקולות DNA לפי הרצף שמקודד את המידע; וכדי לקרוא את המידע נדרש ריצוף (DNA sequencing).

פיתוח טכנולוגיית אחסון ב-DNA מלווה באתגרים טכנולוגיים רבים. ראשית, גם הסינתזה וגם הריצוף הם תהליכים ארוכים ורועשים המכניסים שגיאות במידע שנוצר. אלה הן בעיקר שגיאות הסרה, הוספה והחלפה (Insertion/Deletion/Substitution). בנוסף, עקב מגבלותיו של תהליך הסינתזה נוצרים במהלכו עותקים רבים לכל אחת ממולקולות ה-DNA המקודדות את המידע. אלה נשמרים יחד, ללא סדר, בכלי אחסון המהווה את מערכת הזיכרון. במהלך הריצוף מתקבלים עותקים שגויים רבים של מולקולות אלה; מרביתם מכילים שגיאות וחלקם אף נעלמים לגמרי. המחקר הנוכחי מציג פתרון חישובי כולל לאחזור המידע ולתיקון השגיאות במערכות מורכבות אלה, זאת באמצעות אלגוריתמים ושיטות חדשניות לקידוד המידע ולאחזורו. באמצעות ניסויים מראים החוקרים כי הפתרון שפיתחו מאפשר לקצר את משך אחזור המידע וקריאתו מימים שלמים ל-10 דקות.

השיטה שפיתחו חוקרי הטכניון, DNAformer, מורכבת ממודל AI שאומן על בסיס דאטה סימולטיבי (שיוצר באמצעות סימולטור שפותח בטכניון) כך שיידע לשחזר רצפי DNA על בסיס עותקים שגויים שלהם. בנוסף, השיטה מכילה גם קוד לתיקון-שגיאות ייעודי וייחודי ל-DNA, ששומר את המידע בצורה עמידה בפני שגיאות. מעל כל זה פותח מנגנון בטיחות נוסף, שיודע לזהות רצפי DNA רועשים במיוחד ולהפעיל עליהם כלים אלגוריתמיים חזקים בצורה יעילה. בסוף התהליך, הכול מומר חזרה למידע דיגיטלי.

השיטה החדשה שהציגו החוקרים מאפשרת קריאה של 100 מגה-בייט של מידע במהירות גדולה פי 3,200 מזו של השיטה המדויקת ביותר שהייתה קיימת עד כה, ללא אובדן דיוק. בהשוואה לשיטות אחרות שנחשבו מהירות עד לפיתוח זה, השיטה החדשה מציגה שיפור דיוק של עד 40% בנוסף לשיפור זמנים ניכר. יכולות אלו הודגמו על מידע בנפח 3.1 מגה-בייט, שכלל תמונת סטילס צבעונית, קטע קול שאורכו 24 שניות, המציג את דבריו של האסטרונאוט ניל ארמסטרונג על הירח, וטקסט כתוב על מעלותיו של ה-DNA כשיטת אחסון מבטיחה. [כאן]

החוקרים מתכוונים לפתח על בסיסDNAformer  גרסאות המותאמות לצרכים שונים. הם מסבירים גם כי הטכנולוגיה שפיתחו היא סקליבילית ואדפטיבלית, כלומר אפשר יהיה להתאים אותה לכמויות מידע גדולות מאוד המתאימות לצורכי השוק ולטכנולוגיות סינתוז וריצוף עתידיות. 

המחקר נתמך על ידי הנציבות האירופית למחקר (מענק ERC), על ידי הרשות האירופית לחדשנות (מענק EIC, פרוייקט DiDAX) וכן על ידי הקרן הלאומית למדע (ISF).

הפוסט חוקרים בטכניון פיתחו טכנולוגיה לקידוד, שחזור וקריאה מהירה של מידע המאוחסן ב-DNA הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חוקרים באוניברסיטת תל אביב פיתחו טכנולוגיה חדשה שתאפשר, לראשונה בעולם, שליטה באחסון ושחרור מולקולות באמצעות חשיפה לאור – קרינת UV.

החוקרים מסבירים כי אחסון מולקולות נחשב לאתגר משמעותי בתעשייה ובעולם המדעי: היכולת לשמור אותן מבודדות זוהי משימה לא פשוטה שכן המולקולות נוטות להתפרק ולהגיב עם חומרים אחרים. הטכנולוגיה החדישה עשויה להביא לפתרון הבעיה, על ידי כך שהיא תאפשר אחסון מולקלות רבות בתא אחסון יחיד החוקרים מעריכים שהפיתוח יקדם בניית מערכות לאחסון ביו-מולקולות ותרופות ושחרור יעיל ומבוקר שלהן בעת הצורך על ידי גירוי חיצוני, באמצעות אור.

המחקר נערך בהובלת הדוקטורנט איתי קציר ובהנחייתה של ד"ר אילה למפל מבית הספר שמוניס למחקר ביו־רפואי וחקר הסרטן בפקולטה למדעי החיים של אוניברסיטת תל אביב. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי "Advanced Materials".

החוקרים מסבירים כי המערכת החדשה פותחה בהשראת מערכת ההדבקה של וירוס החצבת. כשוירוס זה מדביק תא אדם, הוא יוצר "אורגנלה" (אברון) המתפקד כמפעל לייצור וירוסים, ולכן נקרא Viral factory. לאחרונה, מספר מחקרים הראו שמפעלי וירוסים אלו הינם מבנים נוזליים שנוצרים בתהליך של הפרדת פאזות בתוך התא.

בהשראת החלבון הויראלי האחראי על יצירת המפעלים הללו, צוות המחקר ייצר פפטיד (חלבון קצר) המחקה את התפקוד של חלבון החצבת, ומטרתו היא יצירה מבנים דמויי viral factories לאחסון וכליאה של ביו-מולקולות. בנוסף, לאחר יצירת הטכנולוגיה החדשה, החוקרים הכניסו עוד אלמנט ייחודי שיאפשר לשלוט בתהליך האחסון והשחרור של מולקולות באמצעות הקרנת אור על המבנה.

ד"ר למפל: "המטרה שלנו הייתה להנדס קומפלקס של פפטיד משולב עם RNA שיאפשר אחסון של מולקולות במבנים נוזליים (טיפות נוזל) השומרים על הדינמיות והמבנים המיוחדים של מולקולות ביולוגיות וכימיות שונות. הפפטיד וה-RNA יוצרים יחד מבנים של טיפות נוזלים, שדומים ל-viral factories. בהמשך הוספנו לפפטיד קבוצת הגנה שמשתחררת באמצעות חשיפה לקרינת UV. למבנים עם קבוצת ההגנה יש יכולת טובה יותר לאחסן מולקולות בתוכן לעומת מבנים ללא קבוצת ההגנה. לכן, על ידי חשיפה של המערכת לקרינת אור בתחום ה-UV ושחרור קבוצת ההגנה ניתן לשלוט בשחרור המולקולות המאוחסנות, וכך יצרנו מערכת שמאפשרת שחרור מבוקר תלוי-גירוי".

ד"ר למפל מסכמת: "דבר נוסף שמיוחד במערכת שלנו הוא היכולת להכניס מולקולות רבות לתא אחסון אחד, מה שלא מתאפשר כיום בטכנולוגיות הקיימות. זוהי טכנולוגיה עם פוטנציאל רב ביישומיים ביו-רפואיים לרבות הובלה, אחסון ושחרור מבוקר ואיטי של תרופות, חיסונים או ביו-מולקולות תרפויטיות אחרות״.

למאמר המדעי

הפוסט חוקרים באוניברסיטת ת"א פיתחו יכולת אחסון מולקולות רבות בתא יחיד הופיע לראשונה ב-Chiportal.

פרופ' ראמז דניאל מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון ופרופ' רון ויס מ-MIT מציגים: פעילויות חישוביות מורכבות בתאים חיים

הפיכת תאי חיידק לרשתות נוירונים המבצעות משימות מורכבות – להישג זה, שהתפרסם בכתב העת Nature Communications, אחראים פרופ' ראמז דניאל מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון ועמיתיו בטכניון וב-MIT.

חוקרי הטכניון ו-MIT הצליחו לתכנת תאי חיידק כך שיתפקדו כרשתות נוירונים שאפשר לאמן. המתגים, במקרה זה, הם גנים שקוּבּעו על יחידות DNA הקרויות פלסמידים. באמצעות אלגוריתמים גנטיים ייעודיים שפיתחו החוקרים הם יצרו, בסופו של דבר, חיידקים שהם מחשבים חכמים.

"גם תאים חיים הם יחידות חישוב, ובמובנים הרבים אלה יחידות חישוב יעילות הרבה יותר," מסביר פרופ' דניאל. "חיידקים, שהתפתחו במיליארדי שנות אבולוציה, מבצעים פעולות מורכבות מאוד כגון חלוקת תאים, צריכת חומרי תזונה וסילוק פסולת. בניגוד למחשבים אלקטרוניים, שבנויים ממתגים דיגיטליים פשוטים בלבד (0, 1), בתא החי פועלים גם רכיבים אנלוגיים וכן לולאות משוב, המייצרות בקרה מתמדת על החישובים השונים. כל זה מאפשר לתא לבצע משימות מסובכות תוך צריכה של אנרגיה מועטה מאוד."

בעבודה הנוכחית בנו החוקרים מעגלים גנטיים בהשראת רשתות עצביות. הגנים במעגלים אלה מפעילים ומכבים זה את זה על סמך גירוי חיצוני. התוצאה: חיידק מתוכנת המשמש רשת נוירונים שאפשר לאמנה על ידי אלגוריתמים גנטיים. היישומים משתרעים על תחומים שונים ובהם רפואה, אלקטרוניקה חדשה וזיהוי חומרים מסוכנים.

יחד עם פרופ' דניאל ערכו את המחקר פרופ' רון וייס מ-MIT וחוקרי הטכניון ד"ר מונא חביב וד"ר לונה ריזיק מהפקולטה להנדסת ביו-רפואית וד"ר לואי דניאל מהפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע"ש ויטרבי. לדברי פרופ' דניאל, "שילובם של חוקרים מעולמות האלקטרוניקה והביולוגיה הסינתטית איפשר את השגת התוצאות המוצגות במאמר ב-Nature Communications."

מחקריו של פרופ' דניאל בעשור האחרון מתמקדים בהפיכת חיידקים ליחידות חישוב. לדבריו, יצירתם של מחשבים חכמים על גבי תאים חיים טומנת בחובה פוטנציאל עצום, ובקבוצת המחקר של פרופ' דניאל כבר בוחנים יישומים אפשריים כגון זיהוי חומרים רעילים וטיפול בסרטן ובמחלות מעי על ידי נגיפים מהונדסים.

המחקר נתמך על ידי קרן משפחת נויבאור, הקרן הלאומית למדע (ISF), האיחוד האירופי (תוכנית Horizon 2020), המרכז הבינתחומי למדעי החיים וההנדסה ע"ש לורי לוקיי וסוכנות DARPA.

למאמר בכתב העת Nature Communications   

הפוסט כיצד להפוך תאי חיידק לרשתות נוירונים? הופיע לראשונה ב-Chiportal.

נזק עצבי במוח, בעקבות תאונות, אירועים מוחיים או מחלות שונות, עלול לפגוע בתפקוד האדם בדרכים שונות ומגוונות. הפגיעה יכולה להתבטא ביכולת תנועה, דיבור, ראייה, זיכרון או תפקוד קוגניטיבי. מעבר לטיפולים המקובלים, ישנו כיום מאמץ גדול ליצור ׳תותבים מוחיים׳, כלומר להשתמש באלקטרודות, מחשבים ורובוטים כדי לנסות לעקוף פגיעות במוח ובחוט השדרה, ואפילו יש כבר הצלחות מרשימות. החסרונות של התותבים הללו, מעבר לעלות הפיתוח הגבוהה, הם בעיקר הצורך של המטופל להשתמש במכשור חיצוני מורכב ולתחזק אותו. מחקר בהובלתו של ד"ר איתי רבינוביץ' מהפקולטה לרפואה באוניברסיטה העברית הדגים עתה, שלפחות בתולעים זעירות, ניתן לשקם באמצעים גנטיים תקשורת פגועה בין תאי עצב על ידי השתלת חיבורים מלאכותיים באופן ביולוגי לחלוטין. המחקר, שבוצע בשותפות עם ד"ר ג׳יהונג באי מהמרכז לחקר הסרטן על שם פרד האצ'ינסון שבסיאטל, פורסם בכתב העת המדעי Cell Systems.

תאי העצב, שנקראים נוירונים, מעבירים מידע זה לזה באמצעות חיבורים שנקראים סינפסות. ישנן סינפסות כימיות, שלהן מבנה מורכב (הכולל מאות סוגים שונים של חלבונים), וישנן סינפסות חשמליות, שהן יחסית יותר פשוטות (בנויות מסוג אחד של חלבון). לאחר פגיעה עצבית עלולים להתחולל במוח שיבושים בזרימת מידע, כיוון שחסרים בו חלק מהנוירונים. לפני מספר שנים, פיתח ד"ר רבינוביץ' במעבדה של פרופ' וויליאם שייפר בקיימברידג', אנגליה, שיטה שמאפשרת ליצור סינפסות חשמליות חדשות בין נוירונים של התולעת סי אלגנס (C. elegans) על ידי ביטוי גנטי של החלבון הסינפטי בנוירונים אלו. כיום, הצליחו ד"ר רבינוביץ' ושותפיו למחקר ליישם את השיטה הזאת כדי להתגבר על פגיעה במערכת העצבים של התולעת.

"על מנת לפשט את הבעיה, התמקדנו בבעל חיים יחסית לא מורכב, התולעת הזעירה סי אלגנס, שלה רק כמה מאות תאי עצב, בניגוד לכמה עשרות או מאות מיליארדים של נוירונים במוח האדם", הסביר ד"ר איתי רבינוביץ'. "גרמנו לתולעים לאבד זוג נוירונים ספציפי וזה הביא לירידה ביכולת שלהן לנווט לעבר ריחות מושכים. כדי להתגבר על הפגיעה, החדרנו סינפסות חדשות לתוך הרשת העצבית באופן גנטי, באמצעות השיטה שפיתחתי בקיימברידג', וכך יצרנו למעשה ׳מעקף סינפטי׳ שישקם את זרימת המידע ברשת העצבית".

המעקף הסינפטי הצליח, וביצועי התולעים המטופלות עלו אפילו על אלו של תולעים בריאות רגילות. "יחד עם זאת, הופתענו לגלות שחלק חשוב מההצלחה נבע באופן לא צפוי לא רק מניתוב מחדש של המידע ברשת, אלא גם מהגברה כללית של אותות חלשים שסיפקו הסינפסות המלאכותיות שבנינו", הוסיף החוקר. ההצלחה של הניסוי הציגה גישה חדשנית ועתידנית, שבתקווה יום אחד תוכל להיתרגם לטיפול גנטי במחלות ופגיעות במערכת העצבים באדם, ללא צורך בשימוש בעזרים אלקטרוניים.

הפוסט מיחשוב ביולוגי: חוקרים החדירו חיבורים מלאכותיים למערכת עצבים פגועה של תולעת כדי לשקמה הופיע לראשונה ב-Chiportal.