"הביולוגיה מציגה את השאלות המדעיות המעניינות ביותר. למשל איך הופיעו חיים יש מאין? מהו באמת מותר האדם ביחס ליצורים אחרים, אם בכלל? איך פועלת מערכת החיסון שלנו, מהן חולשותיה ואיך ניתן אולי לחזק אותה? איך פועל המוח? מהן הסיבות לתופעות הזקנה, כולל דמנציה? תחום הביואינפורמטיקה מאפשר לגשת לשאלות אלו ורבות אחרות באופן כמותי, ותוך ניצול מאגרי מידע ואלגוריתמים מתקדמים", כך פותח ומסביר פרופ' ניר בן טל, ראש התוכנית לביואינפורמטיקה לתואר שני באוניברסיטת תל אביב, את אחד מתחומי העיסוק המסקרנים הקיימים כיום, שהולך ומתפתח בצעדי ענק.
2 צפייה בגלריה
"התחום הפך לחלק בלתי נפרד מפרויקטי הגנום". סטודנטים לביואינפורמטיקה באוניברסיטת תל אביב
(צילום: באדיבות אוניברסיטת תל אביב)
מהי ביואינפורמטיקה וכיצד התפתח התחום?
"ביואינפורמטיקה, או ביולוגיה חישובית, היא תחום מחקר מולטידיסציפלינרי, המשלב למעשה את כל תחומי המדע - ביולוגיה, כימיה, פיזיקה, סטטיסטיקה, מדעי המחשב ומתמטיקה. עיסוקה הוא בפיתוח של שיטות חישוביות ויישומן לפתרון שאלות ביולוגיות, בדרך כלל תוך שימוש במאגרי נתונים גדולים. במובן הזה התחום משיק למדע הנתונים (דאטה סיינס)".
בן טל מספר שבתחילה, בשנות ה־70 של המאה הקודמת, התחום התמקד באנליזה של DNA לשם מציאת רצפים חוזרנים. ההתקדמות בפרויקט הגנום האנושי וגנומים נוספים הביאה להאצה ניכרת בתחום. לפני כ־20 שנה העולם רעש עם פיצוח הגנום האנושי. ההישג, שעשה כותרות בכל העולם, היה למעשה רק ההתחלה. הפיצוח הזה יצר רשימה של גנים, ולא היה ברור מה עושים עם המידע. זו הייתה יריית הפתיחה בניסיון להבין את הפעולה של הגנים הללו, לצורך הבנת האופן שבו פועל הגוף שלנו.
פרופ' בן טל, ראש המסלול באוניברסיטת ת"אצילום: עידן בתר־פוקר"כל גן מתורגם לחלבון, והחלבון עושה את פעולתו בזכות המבנה התלת ממדי שלו. למעשה, ביואינפורמטיקה הפכה לחלק בלתי נפרד מפרויקטי הגנום. פיענוח הגנום האנושי התאפשר, בין היתר, בזכות פיתוחים אלגוריתמיים פורצי דרך, שאפשרו שחזור של הגנום המלא מריצוף של מקטעי DNA. התחום המשיך להתעצם ולהתרחב וכולל כיום גם חיפוש והשוואה בין חלבונים לפי הדמיון ברצף ובמבנה, חיזוי מבנה של חלבון, אנליזה של רשתות מטבוליות, אנליזת אוכלוסיות, הבנת הבסיס הגנטי של מחלות, פיתוח תרופות, הנדסת חלבונים, ועוד", הוא מספר.
מה מאפשר התחום וכיצד הוא מקדם אותנו?
"למעשה, כל תהליכי החיים בתא החי ומחוץ לו מבוצעים על ידי חלבונים. לפיכך, ידיעה של מבנה החלבון עוזרת לנו מאוד להבין את תפקידו ואופן פעולתו. הסבר קצר: חלבון הוא פולימר, המורכב מיחידות שמכונות חומצות אמינו. קיימות 20 חומצות אמינו סטנדרטיות, שזהות זו לזו בשלד הכימי שלהן ונבדלות בקבוצה הצידית. רצף חומצות האמינו של החלבון מגדיר אותו, כשחלבון קטן מתחיל בכ־50 חומצות אמינו ויכול להכיל אלפים מהן. עם הפקתו, הפולימר החלבוני מתקפל ליצירת מבנה תלת־ממדי. מבנה זה, המקודד ברצף חומצות האמינו של החלבון, הוא קריטי להוצאה לפועל של הפונקציות הביולוגיות של החלבון. למשל, המוגלובין, חלבון שתפקידו לשאת חמצן מהריאות לפריפריה (ופחמן דו־חמצני בכיוון ההפוך), חייב להכיל אתר קישור; המבנה יראה לנו את מקומו. הבעיה היא שבעוד קביעת רצף חומצות האמינו של החלבון היא מיידית, קביעת מבנה החלבון מסובכת ודורשת נסיונות ממושכים, ועשויה אף להיכשל.
"כדי לגשר על הפער פותחו שיטות חישוביות שונות, שחוזות מבנה של חלבון. קל יחסית לחזות מבנה של חלבון על סמך מבנה ידוע של חלבון אחר הדומה לו ברצף חומצות האמינו, אולם חיזוי כזה תלוי כולו במציאה של 'תבנית' לחלבון המטרה, מה שמגביל ביותר את היישום".
הנדסת חלבונים, גילוי תרופות
לאחרונה, כפי שמספר בן טל בסיפוק, נרשמה פריצת דרך עצומה בתת־תחום של ביואינפורמטיקה, שמכונה "ביולוגיה מבנית חישובית". מדובר בפיתוח תוצרת גוגל דיפמיינד של תוכנה מהפכנית בשם אלפא־פולד לחיזוי המבנה התלת־ממדי של חלבון מרצף חומצות האמינו שלו.
"במשך שנים קבוצות מחקר רבות ברחבי העולם עסקו בפיתוח גישות שונות למידול מבני של חלבונים, שאינו מבוסס על תבניות. ההתקדמות בתחום הייתה מעטה, אם בכלל, עד שבתחרות בשנת 2020 הושגה פריצת הדרך על ידי אלגוריתם הבינה המלאכותית אלפא־פולד. המבנים החזויים של חלבונים ללא תבנית מבנית קרובה היו באיכות קרובה מאוד לזו של חלבונים בעלי תבנית. למעשה, בממוצע, המודלים המבניים של אלפא־פולד היו קרובים למבנים האמיתיים עד כדי שגיאת הניסוי. חיזוי המבנה של האלגוריתם כולל גם את האומדן החשוב של איכות החיזוי. בהמשך שימשה התוכנה כדי לחזות את המבנה של מאות מיליוני חלבונים. מבנים אלו וגם הקוד של אלפא־פולד זמינים לכולם באופן חינמי ונוח לשימוש. יש תקווה גם לפיתוחים עתידיים לצורך הנדסת חלבונים מחד, וגילוי תרופות מאידך", מסכם פרופ' בן טל.
באוניברסיטת תל אביב פועלות שתי תוכניות לימודים לתואר ראשון בביואינפורמטיקה, המבוססות על שיתוף בין בית הספר למדעי המחשב והפקולטה למדעי החיים והן זהות מבחינת הרכב הקורסים: האחת היא תואר דו־חוגי ביולוגיה מחשבים והשנייה - תוכנית המצוינות של מרכז ספרא לביואינפורמטיקה.
מדעי המחשב וביולוגיה הם שניים מהתארים המבוקשים ביותר בשוק העבודה, הפותחים דלת להשתלב כמעט בכל המקצועות הטכנולוגיים והמדעיים, כמו הייטק, רפואה, חקלאות ותעשיית התרופות. אפשר להמשיך לתואר מתקדם בתחום לבדו או בשילוב עם מדעי החיים, מדעי המחשב או רפואה.
2 צפייה בגלריה
סטודנטים במעבדה במכללה האקדמית תל־חי. "הידע במדעי המחשב ובמדעי החיים מקנה לבוגרי ביואינפורמטיקה יתרון במחקר ובתעשייה"
(צילום: באדיבות מכללה האקדמית תל־חי)
הרחבה של ההזדמנויות
הילה רובין, בוגרת תואר ראשון במדעי המחשב וביואינפורמטיקה מאוניברסיטת בן גוריון, מספרת שבחרה בתחום זה לאחר שלמדה בתיכון בהרחבה הן מדעי המחשב והן ביולוגיה. לדבריה, אף שאהבה במיוחד ביולוגיה, הבינה כי תואר במקצוע זה בלבד יצמצם את אפשרויות התעסוקה בהמשך, ולכן החליטה לשלב.
"כשהתחלתי את לימודיי לפני מספר שנים בבן גוריון, זה היה במסגרת תואר במדעי המחשב במסלול ביואינפורמטיקה. בפועל המשמעות היא תואר ראשי במדעי המחשב, כל קורסי המבוא בביולוגיה וכימיה וכן שני קורסים בביואינפורמטיקה. במהלך התואר נהניתי מאוד מהקורסים במדעי החיים ובמיוחד ביואינפורמטיקה, כי בסופו של דבר כל ניסוי בביולוגיה אורך המון זמן, והתחום מסייע לעורכי המחקר הרטוב במעבדה להבין אם בכלל כדאי להם ללכת בכיוון מסוים או לבחור כיוון אחר", היא מסבירה ומוסיפה: "המטרה היא לקחת חוזקות ויכולות בתחום המחשב ולהכיל אותן על בעיות ביולוגיות, למשל כשיש לנו חלבון שאנחנו מכירים את פעולתו, וחלבון אחר שאנחנו לא מכירים אותו, אבל יודעים להגיד שהוא דומה לחלבונים אחרים, כלומר שיוך, תיוג והבנה של תפקיד החלבון ופעולתו. או למשל סוג של דאטה, שאנחנו לא מבינים עד הסוף, וכדי להסיק לגביו מסקנות, אפשר להשתמש באלגוריתמים של מדעי המחשב ולהשליך את מה שיש לנו על הדאטה שאנחנו לא מכירים. בנוסף לומדים כל מיני אלגוריתמים ספציפיים לדאטה ביולוגי, וכאלה שעובדים היטב על רצפים ארוכים של DNA".
דרוש כוח אדם איכותי
גם המכללה האקדמית תל־חי מציעה תוכנית ייחודית לתואר ראשון בביואינפורמטיקה, המשלבת לימודים במדעי החיים ובמדעי הנתונים. התוכנית נפתחה השנה בשיתוף פעולה עם מכון המחקר מיגל.
ראש החוג לביואינפורמטיקה באקדמית תל־חי, פרופ' שריאל היבנר, מציין כי "מהפכת המידע משפיעה היום על כל רובדי החיים, מחקלאות ואקולוגיה ועד רפואה ומזון. המהפכה היא תולדה של מספר פריצות דרך טכנולוגיות בשנים האחרונות, אשר שינו באופן דרמטי את הדרך שבה נאגרים נתונים, היכולת לעבד אותם, והמהירות שבה תוצרי הידע משמשים אותנו בחיי היומיום. לאור כמות המידע שמצטברת, קיים מחסור מורגש בכוח אדם איכותי, הן במחקר והן בתעשייה, המסוגל להתמודד עם האתגרים הנובעים ממהפכה זו. כדי להתמודד עם המחסור בכוח האדם ולהתאים את לימודי מדעי החיים לדרישות השוק והמחקר היום, פתחנו השנה בתל־חי תוכנית לתואר ראשון Bsc בביואינפורמטיקה בשיתוף עם מכון המחקר מיגל. במהלך הלימודים, הנפרסים על פני שלוש שנים, רוכשים הסטודנטים את הידע התיאורטי והמדעי העדכני ביותר במדעי החיים, לצד יכולות עבודה בסביבה חישובית מתקדמת".
פרופ' היבנר, ראש החוג באקדמית תל־חיצילום: באדיבות המכללה האקדמית תל-חיבין הקורסים הנלמדים בתוכנית הייחודית: ביולוגיה מולקולרית, גנומיקה, ביוסטטיסטיקה, בוטניקה, אלגברה לינארית לביולוגים, אבולוציה, אלגוריתמיקה, פיזיולוגיה, שפות תכנות, שיטות מתמטיות בביולוגיה ואקולוגיה, חישה מרחוק, עיבוד תמונות ועוד.
"התוכנית תקנה לבוגריה יכולת עבודה בסביבה חישובית עם מסדי נתונים גדולים, ויתרון יחסי בהמשך דרכם במחקר ובתעשייה", אומר פרופ' היבנר, המשמש גם כראש המעבדה לגנומיקה בצמחים והמנהל המדעי של המרכז הגנומי במכון המחקר מיגל, המסונף למכללה האקדמית תל־חי. "החיים על פני כדור הארץ נמדדים בכל רגע נתון, והאנושות חיה בעידן של נתונים, משעונים חכמים שמספקים מידע רפואי ועד צילומי לוויין שסורקים את מצב היערות. למידע הזה יש ערך רב, והוא יכול לסייע להתמודד עם הבעיות הדוחקות ביותר של האנושות, ממשבר המזון העולמי ועד שמירה על המגוון הביולוגי. "הייחוד של החוג החדש הוא השילוב המלא בין שני העולמות: הביולוגי והחישובי, והמטרה שלנו היא לתת לסטודנטים את הידע וההבנה העמוקים של תהליכים ביולוגיים, ואת הכלים החישוביים המתקדמים ביותר שיאפשרו להם לפתח פתרונות לבעיות והאתגרים בתחומי הרפואה, החקלאות והסביבה".
ומה באשר לאפשרויות התעסוקה?
"הידע המעמיק של בוגרי ביואינפורמטיקה במדעי המחשב ובמדעי החיים מקנה להם יתרון הן במחקר והן בתעשייה ואפשרות לשילוב במגוון תחומי תעשיית הביוטק, הפודטק, בכל ענפי המחקר במדעי החיים, במוסדות מדינה וציבור, לצד תפקידי עיבוד וניתוח נתונים בעולם ההייטק".
