פריצת דרך: חוקרי הטכניון פיתחו מחשב ביולוגי מתקדם

מדענים בטכניון פיתחו ומימשו מכונת חישוב מולקולרית מתקדמת מסוג מתמר (Transducer). המחשב המולקולרי נבנה כולו ממולקולות ביולוגיות, כדוגמת דנ"א וחלבונים אשר מסוגלים להכניס שינויים בקודים גנטיים. מכשיר חסר תקדים זה יכול לבצע חישוב עוקב, כלומר, להשתמש בפלט של תהליך חישוב אחד כקלט חדש לחישובים נוספים. יתר על כן, תוצאות החישוב השונות בוטאו בצורת תכונות ביולוגיות, כגון עמידות של חיידקים לחומרים אנטיביוטיים שונים.

החוקרים הדגימו את יכולתו של המתמר על-ידי ביצוע חילוק של מספרים בינאריים ב- 3. בנוסף לכך, ביצעו חישוב עוקב על אחד הפלטים. מחקר זה בוצע על-ידי פרופ' אהוד קינן, יחד עם הפוסט-דוקטורטים ד"ר תמר רטנר וד"ר רון פירן מהפקולטה לכימיה ע"ש שוליך, וד"ר נטשה ג'ונוסקה מהמחלקה למתמטיקה באוניברסיטת דרום פלורידה. מחקר זה מתפרסם בכתב העת היוקרתי כימיה וביולוגיה (Chemistry & biology) השייך לבית ההוצאה לאור Cell.

המחשב ביולוגי יוכל לתקשר ישירות עם יצורים חיים

"ההתעניינות הגוברת בהתקני מיחשוב ביו-מולקולריים לא נובעת מהתקווה שלמכונות מסוג זה יהיה ייתרון על המחשבים האלקטרוניים במהירות חישוב או ביעילות ביצוע משימות חישוביות רגילות", מסביר פרופ' קינן. "היתרונות העיקריים של התקני מיחשוב אלו נובעים ממאפיינים אחרים. כפי שניתן לראות מעבודה זאת ומפרויקטים אחרים שבוצעו במעבדותינו, מערכות חישוב אלו יכולות לתקשר ישירות עם מערכות ביולוגיות ואפילו עם יצורים חיים."

המחשב הביולוגי משתמש במולקולות ביולוגיות, כדוגמת דנ"א וחלבונים | צילום: shutterstock

"הממשק הישיר בין שני העולמות מתאפשר הודות לכך שכל הרכיבים של המחשבים הביו-מולקולריים, כולל חומרה, תוכנה, קלט ופלט, הם מולקולות ביולוגיות אשר "מדברות" ביניהן באופן לוגי בשרשרת של אירועים כימיים בני תיכנות. הקלט הוא מולקולה, אשר עוברת שינויים מתוכנתים, על-פי חוקים שנקבעו מראש (תוכנה). זאת כדי ליצור את הפלט המולקולרי, אשר יכול להשפיע על מערכות ביולוגיות".

"מכונת חישוב ביו-מולקולרית סינטטית"

פרופ' קינן מוסיף: "לתוצאות שלנו משמעות רבה משום שזוהי הפעם הראשונה בה מומשה במעבדה מכונת חישוב ביו-מולקולרית סינטטית מסוג מתמר, אשר מסוגלת לבצע חישוב עוקב וגם מייצרת תוצאות חישוב, המוצגות כתכונה ביולוגית חדשה. למרות שהמתמר המוצג בעבודה זו תוכנת לפתור בעיה ספציפית, הגישה בכללותה מאפשרת תכנות מגוון, אשר יכול להיות מיושם לפתרון בעיות אחרות. בנוסף לכוח החישוב המשופר, המתמר מציע יתרונות נוספים, כגון היכולת לקרוא ולשנות מידע גנטי, מזעור מכשירי החישוב לקנה מידה מולקולרי, והיכולת להפיק תוצאות חישוב בעלות השפעה ישירה על יצורים חיים."

"יישום המערכת החישובית על חומר גנטי יכול לא רק לבדוק ולזהות רצפים ספציפיים, אלא גם לשנות ולעבד את הקוד הגנטי. אפשרות זאת עשויה ליצור הזדמנויות מעניינות בתחום הביוטכנולוגיה ובכלל זה טיפולים גנטים", מסכם קינן.