חוקרי הטכניון פיתחו מחשב ביולוגי על שבב
קבוצת חוקרים מהטכניון הציגה מחשב ביולוגי חדש, המורכב ממולקולות דנ"א ואנזימים, ומסוגל לקלוט מיליארד תוכנות. בשנים האחרונות הולך ומטשטש קו התפר שבין האלקטרוניקה לביולוגיה, בזכות חוקרים מרחבי העולם המנסים לפתח יצורי כלאיים - מחשבים שהבסיס לתפקודם ביולוגי. מהו מחשב ביולוגי, ובמה הוא שונה מהמחשבים האלקטרוניים הרגילים?
כשאנו חושבים על מחשבים, אנחנו מדמיינים בדרך כלל גוש מתכת עמוס חוטים ורכיבים חשמליים, שבבים ושאר חלקים שנוצרו במעבדות האלקטרוניקה. אולם בשנים האחרונות הולך ומטשטש קו התפר שבין האלקטרוניקה לביולוגיה, בזכות חוקרים מרחבי העולם המנסים לפתח יצורי כלאיים - מחשבים שהבסיס לתפקודם ביולוגי. לרובנו זה נשמע מדע בדיוני, משהו שרואים רק בסרטים, אבל בפועל, מדובר באחת מזירות המחקר החמות ביותר של תעשיית המחשבים והביוטכנולוגיה.
הפוטנציאל העיקרי של המחשבים הביולוגיים גלום ביכולת החישוב המקבילית שלהם, שעולה משמעותית על מחשבים אלקטרונים רגילים. מחשבים אלה מסוגלים, באמצעות כמות זעירה של "תמיסת חישוב" ביוכימית, לפעול בבת אחת על מספר רב של מולקולות, וליצור חישובים רבים ומורכבים בעת ובעונה אחת. הפעולות הכימיות והביולוגיות מתורגמות לנתונים מספריים, ומהוות כוח חישוב שונה מזה של שבבים ומחשבים 'רגילים'.
יישום
מחשב ישראלי ל"חיסול ממוקד" של תאים סרטניים
עופר מאיר
מדעני מכון ויצמן הצליחו לייצר מחשב ביולוגי מולקולרי מהפכני, שמזהה תאים סרטניים ומחסל אותם. החדשות הרעות: ייקח עוד שנים ארוכות עד שהתרופה החכמה תנוסה על בני אדם
קבוצת חוקרים ישראלית מהטכניון הצליחה לפתח מחשב ביולוגי שנבנה על גבי שבב מצופה זהב. הקבוצה, בראשותו של פרופסור אהוד קינן, דיקן הפקולטה לכימיה בטכניון, פיתחה מחשב שמורכב כולו מאנזימים ממקור ביולוגי ומולקולות של דנ"א, החומר התורשתי. כתב העת המדעי החשוב Journal of the American Chemical Society דיווח על התגלית במהדורתו האחרונה, והקדיש מקום נרחב לדיון במחקרם של הישראלים.
מחשב מולקולרי לטיפול בסרטן
באפריל 2004 דווח על מחשב ביולוגי מולקולרי שפותח במכון ויצמן למדע, שמזהה תאים סרטניים, מאבחן את סוג הסרטן ומייצר בתגובה תרופה מתאימה בגוף. המחקר החל בפיתוחה של מערכת חישוב ביולוגית מולקולרית, שהייתה מסוגלת לבצע חישובים פשוטים בשנת 2001. במחשב הביולוגי שבפיתוחו השתתפו חברי המחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית והמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן, הקלט, הפלט וה"תוכנה" של המערכת היו עשויים מולקולות דנ"א, ואילו ה"חומרה" הורכבה משני אנזימים ("מכונות מולקולריות") המבצעים פעולות חיתוך והדבקה של מולקולות דנ"א.
הישג זה של החוקרים הישראלים זכה אף הוא להתעניינות רבה בעולם וכתב העת המדעי Nature אף הקדיש לו סיקור נרחב. היישום הרפואי של המחקר אמנם רחוק מלהיות אפשרי, אולם ההשלכות המיידיות ברורות. לא מדובר במחקרים תלושים ותיאורטיים, אלא במערכות בעלות פונקציונליות מובהקת, הנבנות ומפותחות מתוך חשיבה שימושית ויישומית, שייתכן ותהיה להן השלכה על חיינו כבר בשנים הקרובות.
חוקרי הטכניון הציגו מודל ראשוני של המערכת לפני שלוש שנים, אז הוצגה עבודתם המשותפת של קינן, וקבוצה נוספת של חוקרים ממכון ויצמן בה השתתפו, בין היתר, יעקב בננסון והפרופסורים אהוד שפירא וצבי לבנה. פרופסור שפירא נחשב לאחד מהחוקרים המרכזיים בתחום המחשבים הביולוגים, והוא ריכז והציג את פרוייקט המחשב הביולוגי המולקולרי לאבחון וטיפול בסרטן לפני כשנה, והשתתף גם בפיתוח הדגם הראשוני של המחשב החדש שהציגו חוקרי הטכניון.
מיליארד תוכנות שונות, לעומת 765 בדגם הקודם
רמת המורכבות של המחשב החדש שופרה משמעותית. במחשב המקורי ניתן היה להכיל 765 תוכנות בלבד, ואילו המחשב החדש מסוגל לקלוט כמיליארד תוכנות שונות. יכולותיו של המחשב החדש, הנגזרות ממספר התוכנות אותן הוא יכול להריץ ולהפעיל, נחשבות לקפיצת מדרגה מדעית וטכנולוגית, ההופכות את השבב מצופה הזהב ועליו המערכת הביולוגית לתקווה של ממש בזירת המחקרים העולמיים בתחום המחשבים הביולוגיים.
"פריצת הדרך הנוספת היא בעצם שילובם של שבבים כחלק ממרכיבי המחשב", מסביר פרופסור אהוד קינן. "זהו יתרון אשר מאפשר קריאה של תוצאות החישוב בזמן אמת, באופן אוטומטי, ללא צורך בשימוש בטכניקות מסורבלות ואיטיות של ביולוגיה מולקולרית, כגון פיתוח ג'לים ושימוש בסמנים רדיואקטיביים".
לדברי קינן, "חישוב על גבי שבב מאפשר תיוג של מולקולות הקלט השונות באמצעות מיקומן הגיאוגרפי על פני השבב וביצוע פעולות החישוב במקביל. למחשבים כאלו יכולים להיות מגוון של יישומים, כגון קידוד והצפנה של מידע. לדוגמה, ניתן להצפין תמונות על גבי שבב כזה, כאשר הפענוח יוכל להתבצע רק על ידי מי שנמצא ברשותו מפתח סודי, המורכב מתערובת של מספר מולקולות דנ"א קצרות ומספר אנזימים, אשר יודעים לחתוך ולהדביק מולקולות דנ"א".
דיקן הפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון בטכניון, פרופסור יובל שהם, מסביר כי המחשב הוא מכונה המורכבת מארבעה מרכיבים מרכזיים: חומרה, תוכנה, קלט ופלט. "כל המחשבים שאותם אנחנו מכירים הם מחשבים אלקטרוניים, כלומר מכונות, אשר בהן הקלט והפלט הם אותות אלקטרוניים, החומרה שלהם היא אוסף של רכיבי מתכת וחומרים פלסטיים, חוטי חשמל, טרנזיסטורים, קבלים וכו', ואילו התכנה היא אוסף של הוראות, אשר ניתנות למכונה באמצעות אותות אלקטרוניים".
"בניגוד למחשב האלקטרוני, קיימות מכונות, שבהן כל ארבעת המרכיבים האלו הם מולקולות", הוא אומר. "לדוגמה, כל המערכות הביולוגיות ואפילו הגוף החי כולו, הם למעשה מחשבים מסוג כזה. כל אחד מאתנו מהווה מחשב ביולוגי-מולקולרי, כלומר מכונה, שבה כל המרכיבים הנ"ל הם מולקולות, אשר "מדברות" ביניהן באופן לוגי. החומרה וגם התכנה של המחשב הביולוגי הן מולקולות ביולוגיות מורכבות, אשר מפעילות אלו את אלו בתגובות כימיות מוגדרות. הקלט הוא מולקולה, אשר עוברת עיבוד מסוים, כלומר שינויים כימיים, לפי חוקים קבועים מראש. תוצאת החישוב, או הפלט של המחשב הזה, גם היא מולקולה מוגדרת".
לפנייה לכתב/ת 
כך נראה שבב גנטי
וכך נראה שבב רפואי, המותקן בגוף חולים
צילום: איי אף פי
וזה שבב מחשב רגיל. גדול ומסורבל
