البوابات المنطقية والحواسيب البيولوجية

وفي المستقبل البعيد - كما يأمل العلماء - سوف تتجول أجهزة كمبيوتر صغيرة داخل أجسامنا، مزودة بالمعرفة الطبية، وتكتشف الأمراض في مراحلها الأولية وتعالجها على الفور بإطلاق الدواء المناسب - دون تدخل خارجي.

وفي المستقبل البعيد - كما يأمل العلماء - سوف تتجول أجهزة كمبيوتر صغيرة داخل أجسامنا، مزودة بالمعرفة الطبية، وتكتشف الأمراض في مراحلها الأولية وتعالجها على الفور بإطلاق الدواء المناسب - دون تدخل خارجي. ولكي تترسخ هذه الرؤية، يجب أن تكون أجهزة الكمبيوتر صغيرة بما يكفي لتناسب خلايا الجسم. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يعرفوا كيفية "التحدث" مع الأنظمة المختلفة في الخلية. الطريقة الأكثر فعالية للتعامل مع هذين التحديين هي إنشاء أجهزة كمبيوتر تعتمد على الجزيئات البيولوجية، مثل الحمض النووي أو البروتينات. وهذه ليست فكرة بعيدة المنال، إذ أن الكائنات البيولوجية تطورت لتصبح قادرة على تلقي المعلومات ومعالجتها والاستجابة لها - بطريقة تذكرنا بتشغيل الكمبيوتر. وقد خطى علماء من معهد وايزمان للعلوم مؤخرا خطوة مهمة في هذا الاتجاه، عندما تمكنوا من تطوير جهاز وراثي مستقل يعمل بنجاح داخل الخلايا البكتيرية. تمت برمجة الجهاز لتشخيص بعض المعلمات والتفاعل وفقًا لذلك.

الجهاز الذي ابتكره العلماء - البروفيسور إيهود شابيرا والدكتور توم ران من قسم الكيمياء البيولوجية ومن قسم الرياضيات التطبيقية وعلوم الكمبيوتر - يفحص وجود عوامل النسخ والبروتينات التي تنظم التعبير الجيني في الخلية. في كثير من الحالات، بعد النشاط غير الطبيعي لهذه العوامل، يحدث خطأ في التعبير عن الجينات المختلفة، مما يؤدي إلى تطور المرض. وهكذا، على سبيل المثال، في الخلايا السرطانية، تسوء العوامل التي تنظم النمو والانقسام، مما يؤدي إلى زيادة انقسام الخلايا وتكوين الورم. يقوم الجهاز - المصنوع من تسلسل الحمض النووي الذي يتم إدخاله في البكتيريا على البلازميد - بإجراء نوع من "اختبار الوجود" لعوامل النسخ. إذا تطابقت نتائج الاختبار مع المعلمات المبرمجة فيه مسبقًا، فإنه يتفاعل عن طريق إنشاء بروتين ينبعث الضوء الأخضر - وبالتالي توفير مؤشر خارجي للتشخيص "الإيجابي". وفي دراسات أخرى يكون القصد هو استبدال البروتين الذي ينبعث الضوء الأخضر ببروتين سيؤثر على مستقبل الخلية، مثل البروتين الذي سيتسبب في انتحار الخلية. وبهذه الطريقة، سيوجه الجهاز إلى موتهم فقط الخلايا التي تم تشخيصها بطريقة "إيجابية".

أول جهاز ابتكره العلماء هو في الواقع بوابة منطقية NOR: هذا الجهاز مبرمج للتحقق من وجود عاملي النسخ، والاستجابة عن طريق توليد ضوء أخضر فقط في حالة عدم وجود العاملين في الخلية. في الواقع، عندما حقن العلماء الجهاز في أربعة أنواع من البكتيريا المعدلة وراثيا: نوع ينتج كلا من عوامل النسخ، ونوع لا ينتج أيا منهما، ونوعين لا ينتج كل منهما سوى عامل واحد فقط، توهجت الخلايا البكتيرية الصحيحة فقط باللون الأخضر. استنادًا إلى الجهاز الجيني الأول، ابتكر العلماء لاحقًا أجهزة وراثية أكثر تعقيدًا، والتي تدرك البوابات المنطقية المعروفة في عالم هندسة الإلكترونيات: بوابة منطقية من النوع AND (جهاز وراثي مبرمج لاكتشاف وإنتاج الضوء الأخضر فقط إذا كان كلا عاملي النسخ متطابقين). موجودة في الخلية)، بوابة منطقية من النوع OR (جهاز وراثي مبرمج لتشخيص وإنتاج الضوء الأخضر فقط في حالة وجود واحد على الأقل من عوامل النسخ)، وبوابة منطقية من النوع NOT (جهاز وراثي يكتشف وجود عامل نسخ واحد، ولا ينتج الضوء الأخضر إلا في حالة عدم وجوده في الخلية البكتيرية). ونشرت نتائج الدراسة، التي شارك فيها أيضا الطالبان يوني دواك وليلاك ميلو، مؤخرا في المجلة العلمية Scientific Reports.

بعد النتائج الناجحة مع الخلايا البكتيرية، يخطط الباحثون لمواصلة دراسة كيفية برمجة البكتيريا و"تجنيدها" كنظام فعال وسهل التشغيل للأغراض الطبية، والذي يمكن أيضًا حقنه بسهولة في جسم الإنسان ( وبطبيعة الحال، يحتوي جسم الإنسان على خلايا بكتيرية أكثر بعشر مرات من الخلايا البشرية). والهدف الآخر هو تفعيل نظام مماثل داخل الخلايا البشرية، وهي أكثر تعقيدا بكثير من الخلايا البكتيرية.
المادة العلمية: