כוחה של קהילה

חוקרים בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון פיתחו מערכת ביולוגית חישובית המזהה תבניות כימיות באמצעות אוכלוסיות של חיידקים חיים שמתקשרים ביניהם. את הפיתוח שהתפרסם אתמול בכתב העת Nature Communication הובילו ד”ר ראמז דניאל והפוסט-דוקטורנטית ד”ר לי שימינג.

ד”ר לי שימינג

ד”ר ראמז דניאל

במהלך האבולוציה התפתחו מערכות ביולוגיות רב-תאיות (Multi cellular systems) המסוגלות לבצע פעולות מורכבות ובהן תהליכים חישוביים שונים כגון ניטור, עיבוד אותות וקבלת החלטות. במערכת החיסון של יונקים, לדוגמה, פלישה של חיידקים ונגיפים מפעילה סדרת פעולות בתאים שונים וכך מכניסה את הגוף למגננה מול הפולשים. מנגנונים אלה מבוססים על פעולה של ציבור תאים גדול ועל תקשורת בין תאים אלה.

מערכות ביולוגיות טבעיות כגון המוח מתפתחות במשך מיליוני שנים מתוך הסתגלות אבולוציונית ממושכת, והן ממלאות משימות מורכבות באמצעות תיאום בין-תאי; רוב המערכות הביולוגיות הסינתטיות, לעומת זאת, מתוכננות ונבנות באופן מושכל על ידי מהנדסים, מתוך כוונה שהן ימלאו משימות ספציפיות מוגדרות על סמך עקרונות חישוביים. בעשורים האחרונים חלה פריחה בפיתוח מערכות אלקטרוניות המבצעות פעולות מורכבות בהצלחה מרשימה. אלה הן רשתות נוירונים רבודות – מערכות מלאכותיות השואבות השראה מהביולוגיה (המוח האנושי) ומבצעות פעולות שונות ובהן זיהוי תבניות.

במחקר הנוכחי עשו החוקרים את הדרך ההפוכה: יצירת מערכת ביולוגית השואבת השראה מאותן רשתות נוירונים. מאמרם של חוקרי הטכניון ב– Nature Communicationמתאר טכנולוגיה לזיהוי תבניות המבוססת על חישוב באמצעות מושבת חיידקים. החיידקים במערכת שנבנתה בטכניון הם חיידקי E. coli שקובעו בתוך ‘בארות’ על התקן מוצק. הכנסת מידע כימי (קלט) בצד אחד של ההתקן מעוררת תגובת שרשרת ביוכימית בין החיידקים, המובילה להפקת מידע אופטי (פלט) בצדו האחר של ההתקן.

לדברי ד”ר דניאל, “מה שכל כך יפה כאן הוא שיש כאן עבודה משותפת, או בשפה המקצועית collective analog. הרעיון הוא שקהילת החיידקים מורכבת מפרטים פשוטים ומוגבלים, אבל פעילותה המשותפת – מנגנון ביולוגי ידוע בשם quorum sensing – מאפשרת לה לבצע פעולות חישוביות מורכבות. כך פועל המוח וכך פועלות רשתות נוירונים מלאכותיות: באינטראקציה בין-תאית; החידוש שלנו הוא בכך שהצלחנו להדגים מערכת ביולוגית מלאכותית המספקת ביצועים מרשימים על סמך אותו קונספט. כך, למעשה, היחד הוא הכוח.”

ד”ר ראמז דניאל (משמאל) וד”ר לי שימינג

המחברת הראשית של המאמר היא הפוסט-דוקטורנטית ד”ר לי שימינג, שהגיעה לטכניון אחרי תואר שלישי במדעי המוח באוניברסיטת אוהיו. “כששמעתי על המעבדה של ראמז הבנתי שזאת הזדמנות לעשות ‘טוויסט’ למערכות ביולוגיות מלאכותיות המבצעות חישובים. כך הגעתי לטכניון לפני שלוש שנים, והדרך מאז הייתה קשה ומאתגרת – ניסויים מורכבים מאוד והמון כשלונות. עשינו ניסיונות בחומרים שונים, בדקנו את השפעתם על החיידקים, בנינו לולאת משוב כדי לשפר את המערכת, בנינו אלגוריתם שיאפשר לנו להסיק מתוך הפלט מסקנות על הקלט, ובסופו של דבר הצלחנו וזה מרגש מאוד.”

לדברי ד”ר דניאל, “הדגמנו כאן בהצלחה מודל ביולוגי המבוסס על תכן של רשתות נוירונים. הדגמנו את המודל הזה במטלה ספציפית – זיהוי תבניות כימיות – אבל הוא יכול להיות בסיס למגוון רחב של יישומים כגון ניטור רעלים במים ובמזון, אבחון רפואי (למשל זיהוי תאי סרטן), שיקום רקמות ופיתוח מחשבים ביולוגיים. מרתק לראות איך התחום של ביולוגיה סינתטית, שאחת ממטרותיו היא תכנון מערכות ביולוגיות בהשראת ההנדסה, מקבל כאן כיוון נוסף – תכן שמגיע ממערכות נוירוניות.

החוקרים מודים לפרופ’ נתנאל קורין על הסיוע במחקר.

למאמר בכתב העת המדעי Nature Communications לחצו כאן