ביו-שבב

ביו-שבב (Biochip) הוא מצע קשיח בסדר גודל מאקרומטרי^{[דרושה הבהרה]} בו מתבצעות פעולות כימיות, עם מולקולות הנפוצות בחומר החי, בסדר גודל ננומטרי ובנפחים קטנים. הביו שבב מאפשר תהליך בו-זמני של פעולות רבות לשם קבלת תוצאות בתפוקה גבוהה וזמן קצר. הביו- שבב משמש בביולוגיה מולקולארית כלי מתקדם, נייד וקל לשימוש המסוגל לבצע מגוון רחב של פעולות ביוכימיות כמו ריצוף גנים, סריקה וחקירת קשרי חלבון-חלבון (Screening) בזמן קצר ובמהירות גבוהה, בדומה לאופן בו מתקבל הספק גבוה של חישוב מיליוני פעולות מתמטיות על ידי שבב מחשב^[1][2].

רקע

הביו-שבב הוא מערך מתוכנן של אתרים זעירים שמסודרים על משטח קשיח עליו קשורים בצפיפות רבה מספר רב של ביו-מולקולות. המונח ביו-שבב (Biochip) נגזר ממושגים המגיעים משני עולמות: הביולוגיה, והמיקרואלקטרוניקה. בדומה לשבב מחשב המסוגל לבצע מיליוני חישובים מתמטיים בשברי שניות, כך הביו-שבב מאפשר בו-זמנית אלפי אנליזות של ריאקציות ביולוגיות כמו ריצוף גנים במספר שניות.

טכנולוגיית הביו-שבב נוגעת במספר רב של תחומים כגון: גנומיקה, פרוטאומיקה, גליקומיקה, פרמקולוגיה וטוקסיקולוגיה. אחד השימושים היותר נפוצים בביו-שבב הוא בדיקה של ביטוי גנים בתאים/רקמות, לדוגמה אפיון ביטוי גנים ומסלולי סיגנל של גידולים סרטניים.

התקדמות טכנולוגית משמעותית נרשמה בתחום המזעור של כלים או מכשירים והביאה בכך בשורה לעולם המדעי. הפיזיקה והביולוגיה משתפים פעולה בשימוש ברכיבים בטווח גדלים של ננומטרים למילימטרים, כאשר תחום הפיזיקה מספק כלים לבנייתם של מכשירים חשובים מאוד במדעי הביולוגיה התאית והמולקולרית שימדדו ויאפיינו תכונות של תאים ומרכיביהם. תחום הביולוגיה מאפשר חלון הצצה לכמה מהננו-מבנים המתוחכמים ביותר הקיימים.

התקדמות טכנולוגית זו מופנית בעיקר לכיוונם של שבבי-דנ"א אך גם למרכיבים ביו-מולקולריים אחרים. ההתקדמות הטכנולוגית בתחום הביו-שבבים מאפשר לחוקרים להעצים באופן דרמטי את היכולת לחקור את העולם הביולוגי בכלל ולהבין את הבסיס המולקולארי של מחלות בפרט. הביו-שבב מאפשר לבצע אלפי אנליזות מולקולאריות במקביל בתמיסות בעלות נפחים זעירים ובתפוקה גבוהה. הרעיון המרכזי בטכנולוגיית הביו-שבב הוא להמיר את התכונות הכימיות של מרכיבי התאים מהמערכת הפיזיולוגית בה הם נמצאים למערכת סטטית נשלטת ומתוכננת, לנטר גנים, חלבונים ואת הקשרים ביניהם. ביו-שבב שמתוכננים בתוכו רצפים ידועים של דנ"א/רנ"א/חלבונים יוכל להכיר רצפים משלימים להם. ביוסינתזה והרכבה של רצפי דנ"א/רנ"א על השבב מאפשרת ניטור של ביטוי רנ"א שליח (mRNA) או התרחשות של רב-צורתיות (Polymorphisms) בדנ"א גנומי. סוגי שבבי הדנ"א הקיימים כיום הם כאלה המשמשים לריצוף, ביטוי והשוואה של גנים. המטרה של השבב היא לזהות מספר עצום של גנים/חלבונים הנוכחים בדגימה בניסוי אחד ולא במספר רב של ניסויים.

ביו-שבב הוא סוג של מעבדה ביולוגית מוקטנת המונחת על שבב בשטח של מספר סנטימטרים רבועים. הצעד הראשון לקראת פיתוח הביו-שבב הייתה המצאתו של W.S Hughes בשנת 1922, המאפשרת למצע קשיח לבצע תהליכי חישה בתמיסות וכך לאמוד את תכונותיהן הכימיות. הוא הדגים אלקטרודת p.H שאפשרה מעבר של תמיסות כימיות בתוך ממברנה דקה מזכוכית ובכך זיהוי של רמות ה-p.H שלהם. בשנת 1953, גילו ווטסון וקריק (Watson and Crick) את מבנהו הספירלי המפורסם של הדנ"א וב-1977 כבר הצליחו מדענים, גילברט וסנגר (Gilbert, Sanger) להתחיל לפתח שיטות לזיהוי רצפי הדנ"א ובכך יצרו את הבסיס לפיתוח מתקדם יותר של מערכות המסוגלות לזהות ולרצף מולקולות דנ"א במגוון רחב של כמויות. שתי דוגמאות למערכות כאלה הן ה-PCR שפותחה על ידי קארי מוליס ב-1983 (Kary Mullis) ואפשרה להגדיל כמויות של דנ"א ממספר רצפים מועטים ומעבודתו של Hood ב-1986 שאפשרה זיהוי פלואורוסצנטי של מולקולות דנ"א.

במהלך השנים שלאחר מכן, בעקבות הרצון לפתח כלי יעיל יותר שיאפשר לאמוד את התהליכים הכימיים בתוך התאים ולרתום אותם לטובת פיתוחים רפואיים/טכנולוגיים, קבלה הביוטכנולוגיה את השראתה מתהליכי המזעור שבתעשיית המוליכים-למחצה. השילוב בין שני תחומים אלה הוליד את הביו-שבב המשמש ככלי לביצוע מספר רב של ריאקציות בו-זמנית ואנליזה מהירה ביותר של חומרים ביולוגיים. הביו-שבב מתמחה בשילוב בין מבנים ביולוגיים אורגנים או איאורגנים מלאכותיים הקיימים בממדים קטנים מגודל אברוני התא באמצעות תהליכי מזעור. ביו שבבים מסוימים הם בעלי ממשק לחומרת מחשב המאפשרת לקרוא את האינפורמציה המתקבלת מפעולתו.

כבר בשנות ה-80 של המאה הקודמת נחקרו חד-שכבות מולקולריות המרכיבות את עצמן (SAM-Self-Assembled Monolayers) על משטחים מתכתיים, מחקרים שהיוו את הבסיס למדע הננו-טכנולוגיה ובתוכו גם יישומים ביולוגיים. יתרונן הגדול של חד-שכבות אלו הוא ביכולת מדויקת להציב קבוצות כימיות שונות על משטח קשיח או אורגני ברמת דיוק של גבוהה במיוחד. חד-שכבות המולקולריות קשורות באופן חזק ויציב למשטח עליו הן נמצאות על ידי קבוצות כימיות מסוימות כגון: תיול, די-סולפיד וסילאן. עיגונן של חד-שכבות אלו למשטח נשלט במדויק על ידי תכונותיהן ותכונות המשטח כגון: סידור המולקולות במרחב ופעילותן הפונקציונלית, וצפיפות המשטח^[3].

סוגי הביו-שבבים

• מערך דנ"א: מערך הדנ"א (DNA microarray) הוא למעשה אוסף של אלפי גדילים של דנ"א המסופחים למשטח קשיח בצורה של נקודות. כל נקודה כזו מכילה פיקו-מולים של רצפי דנ"א ספציפיים לרצפי מטרה. כאשר ישנה הכרה הביולוגית בין הרצפים המעוגנים על המשטח לבין רצפי המטרה מתקבל אות זיהוי. המערך מאפשר למדוד את רמות ביטוים של מספר רב של גנים בו-זמנית או לרצף מספר גבוה של אזורים בגנום^[4][5][6].
• מערך חלבון: מערך החלבון מכיל משטח העשוי זכוכית, ממברנת ניטרוצלולוזה או מיקרו או ננו חלקיקים בעלי מבנה כדורי (Beads) עליו מסופחים חלבונים המסומנים בסימון פלואורוסצנטי הנקשרים לחלבוני מטרה. כל קישור שכזה מביא למתן אות פלואורסצנטי שנקרא על ידי סורק לייזר. כך ניתן לעקוב אחר האינטראקציות בין החלבונים וגם אחר פעילותם. יתרונותיו הבולטים של מערך החלבון נעוצים ביכולתו לבצע את התהליך במהירות ובדיוק רבים תוך שימוש בכמויות דגימה נמוכות כאשר מספר גבוה של חלבונים נבדק במקביל. טכנולוגית מערך החלבון פותחה בקלות מאחר שהיא מבוססת על טכנולוגית מערך הדנ"א שהגיעה לפניה^[7].
• מעבדה-על-שבב: מעבדה על שבב היא טכנולוגיה המאפשרת להעביר תהליך מעבדה או כמה תהליכי מעבדה לנפחים של ננו-ליטרים בודדים, על גבי שבב שגודלו נע ממילימטרים ועד למספר סנטימטרים רבועים. את השבב ניתן לייצר ממגוון רחב של חומרים, כגון פולימרים, זכוכית וסיליקון. טכנולוגיה זו מאפשרת אנליזה של כמויות זעירות של נוזלים, המהווה יתרון במקרים שבהם ישנו קושי בהפקת נפחים גדולים של החומר הנבדק. המטרה בפיתוח מעבדה על השבב היא יצירת התקן שיהיה בעל מערכות חישה סלקטיביות ורגישות, קל לתפעול, זול, מהיר פעולה, נייד ובעל אמינות גבוהה. "מעבדה על שבב" משלבת בתוכה את תחום המיקרופלואידיקה ונכללת בקבוצת המשנה של התקני ה-MEMS (מערכות מיקרו אלקטרו מכניות)
• איבר על שבב: (באנגלית: Organ-on-a-chip; או בקיצור OC) הוא התקן קטן במיוחד המשמש כלי מחקרי המדמה פעילות פיזיולוגיות של איבר או שילוב של כמה איברים. השבב הוא מצע קשיח בעל ממספר שכבות הכולל תרבית תאים ומערכות הובלה מיקרופלואידיות תלת־ממדיות.

יישומים

• חקר הסרטן: טכנולוגיית הביו-שבב מאפשרת חיסכון של זמן וכסף רב בעת חקירת מערכות ביו-רפואיות. בתחום חקר הסרטן משתמשים בטכנולוגיית הביו-שבב במגוון בדיקות כגון: אבחון מוקדם של מחלות על ידי בדיקת SNP- single nucleotide polymorphism, ביטוי גנים על ידי שיטת דנ"א משלים (cDNA), אינטראקציות-תפקודים- של חלבונים על ידי ביו-שבבים מבוססי מערך חלבון (Protein Microarray).שימוש בביו-שבב כבסיס לבדיקות הנ"ל מהווה יתרון אדיר בשל יכולתו לבצע אותן במהירות אדירה ובמספרים גדולים.
• אפיון וכימות של ביו-מולקולות: בתחומי הביולוגיה והרפואה, אפיון וכימות של ביו-מולקולות הם תהליכים נדרשים לרוב כאשר הביו-שבב מאפשר לבצע פעולות אלו בתפוקה גבוהה. לדוגמה: כך נחקר הקשר בין האנטיגן של (TNF-αTumor Necrosis Factor) לנוגדן שלו ללא שימוש בשיטת האימונופלואורסצנציה.
• פרמקוגנטיקה: השלמתו של פרויקט ריצוף הגנום האנושי בתחילת המאה ה-21 פתחה פתח למחקר שמטרתו התאמת תרופות באופן ספציפי לחולה על-פי המידע הגנטי אותו הוא נושא. החוקרים כיום, בבואם למצוא מרפא ספציפי המתאים לחולה לפי המידע הגנטי שלו, נתקלים בבעיה: הקושי בחקירת אוכלוסיות גדולות להן דרושה דיאגנוסטיקה גנטית רחבת היקף. יכולותיו של הביו-שבב מאיצות את התהליך ומאפשרות את התרחבותה של גישת הרפואה האישית.
• שימושים ביטחוניים: בתחום זה נעשה שימוש ראשוני בטכנולוגית PCR כדי להגביר דוגמאות דנ"א עד לרמה מסוימת בה יוכל הביו-שבב לזהותה ולכמתה. משרד ההגנה של ארצות הברית אף השקיע כ-1.6 מיליון דולרים במרכז לביואלקטרוניקה, ביו-חיישנים וביו-שבבים באוניברסיטת קלמזון האמריקנית במטרה לפתח ביו-שבב שיושתל בגופם של אזרחים או חיילים. הביו-שבב שיושתל בגופם, בגודל גרגיר אורז, יכיל וימדוד בזמן אמת תאונת דרכים או פציעה בקרב הגורמות לדימום חמור, על ידי ניטור של רמות לאקטט או גלוקוז.

שימוש נוסף שעושה משרד ההגנה האמריקני בביו-שבב הוא גילוי של רכיבי לוחמה ביולוגית כגון חיידקי האנתרקס. שימוש נוסף בביו-שבב הוא בתחום פיתוח "אף מלאכותי" להרחת חומרי נפץ או סמים. למשל פיתוח חיישן ל-(TNT(2,4,6-trinitrotoluene, שהוא חומר נדיף מאוד המקשה על זיהויו. בבסיס הביו-שבב מונחים ננו-תילים (nanowires) העשויים תרכובות סיליקון שהוא חומר מוליך למחצה ועל פניהם מעוגנות קבוצות אמינו. הננו-תיל ממותח בין שני מגעים ובכך הופך להיות התקן "תוצא שדה" (FET- field effect transistor). מולקולות ה-TNT נקשרות אל קבוצות האמינו שעל גבי הננו-תיל וכתוצאה מכך משתנה מוליכות הננו-תיל. ה-TNT מווסת למעשה את השדה החשמלי בשבב ומוביל לשינוי במוליכות התילים הניתן למדידה ועל ידי כך נוצרת חישה כמותית שלו^[8].

• זיהוי פלילי: בתחום הפורנסי (Forensic), הדנ"א המיטוכונדריאלי הוא זה שצריך להבדק כראיה פיזיולוגית (לדוגמה, פיסות שיער) עקב הימצאותו הרבה בתאים. עובדה זו מהווה יתרון לביו-שבב שכן דרושה דגימה קטנה מאוד של הדנ"א כדי שהוא יוכל לבדוק אותו. בנוסף, הדנ"א המיטוכונדריאלי עובר בתורשה במלואו מהאם, עובדה המקלה על עבודתו של החוקר שכן ניתן בקלות לגלות את זהות האדם לו הדגימה שייכת אם ישנה דוגמה מהאם או קרוביה^[9].

סיכום של יישומי הביו-שבב:

• כלי אבחוני ברפואה הקלינית
• כימות ביו-מולקולות
• פיתוח אנליזה פולימורפיזמית (Polymorphism)
• זיהוי חומרים בעולם הלוחמה הקרבית
• חקר הסרטן
• כלי-בזק אבחוני

תחזיות להמשך פיתוח

קיימים שני תחומים בעלי פוטנציאל רב בתחום הביו-שבבים: האחד הוא תחום המיון והפרוגנוסטיקה בסרטן והשני הוא בתחום הפרמקוגנטיקה הקשור להתפתחות הרפואה האישית, כאשר כל פרט יקבל טיפול תרופתי ספציפי המתאים לפרופיל הרפואי האישי. בתחום הסרטן, פרופיל הביטוי הגנטי מאפשר דיוק דיאגנוסטי ופרוגנוסטי, אך מדענים נתקלו בקשיים רבים בחקירתו. הביו-שבב ייכנס בקרוב לתחום זה ויקל מאוד על תהליכים אלה. תחום הפרמקוגנטיקה גם הוא דורש אבחון וחקירה רבים של מערכות גנטיות וגם כאן כניסתו של הביו-שבב תקל מאוד על תהליכים אלה ואף תוזיל אותם בהרבה. לדוגמה, חקירת הבסיס הגנטי של מחלות רבות ושכיחות תאפשר למדענים לחזות עבור כל פרט את מצבו הרפואי ולתת לו טיפול רפואי הייחודי רק לו. פיתוחים נוספים בעולם הביו-שבבים:

• תחום הפרוטאומיקה (חקר חלבונים): ביו-שבבים מבוססי חלבונים כבר נמצאים בפיתוח על ידי חברות ביוטכנולוגיה ובמעבדות אקדמיות ואמורים לשמש כלי חדשני ועתיר שימושים בתחום הפרוטאומיקה. שיטת הדיאגנוסטיקה במערכות כאלה היא אנלוגית לשיטה הקיימת בביו-שבבים בחקר מערכות גנטיות (שבבי דנ"א), כאשר מאות עד מאות אלפי חלבונים יעברו דיאגנוסטיקה באופן סימולטני בשבבים בעלי מערכי חלבון. טכנולוגיית הביו-שבב תוכל לספק כלים לניתוח ואפיון In-Vitro של חלבונים ואף לחקות תהליכים אנזימטיים.
• ננו-חלקיקי זהב: בשנים האחרונות נמצאת בפיתוח ואף בשימוש טכנולוגיה המחליפה את תפקידיהם של הסמנים הפלואורסצנטיים והאנזימים השונים בביו-שבב- שימוש בננו-חלקיקי זהב. לדוגמה: שימוש בחלקיקי זהב הטעונים במטען חשמלי חיובי הנקשרים לדנ"א באמצעות קשרים אלקטרוסטטיים ויכולים להעביר אות לכל מחשב עם סורק מותאם.

ראו גם

• מעבדה על שבב
• ביוננוטכנולוגיה
• מערך DNA
• איבר על שבב
• מיקרו מערכי חלבון
• אף מלאכותי
• ננו-חיישן

קישורים חיצוניים

• אקונומיסט, מדענים מייצרים איברים על שבב ומקווים לברוא מחדש את גוף האדם, באתר הארץ, 19 ביוני 2015
• ביו-שבב, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• ביו-צ'יפ, דף שער בספרייה הלאומית

הערות שוליים

1. biochip
2. Debnath, Mousumi, Prasad, Godavarthi B.K.S., Bisen, Prakash S. ,"Molecular Diagnostics: Promises and Possibilities", Springer, 1st Edition, 2010, Chapter 22
3. Valiokas R. "Nanobiochips", Cell Mol Life Sci. 2012 Feb;69(3):347-56. Epub 2011 Nov 1. Review. PMID 22042270
4. Adomas A, Heller G, Olson A, Osborne J, Karlsson M, Nahalkova J, Van Zyl L, Sederoff R, Stenlid J, Finlay R, Asiegbu FO., "Comparative analysis of transcript abundance in Pinus sylvestris after challenge with a saprotrophic, pathogenic or mutualistic fungus", Tree Physiol. 2008 Jun;28(6):885-97, PMID 18381269
5. Pollack JR, Perou CM, Alizadeh AA, Eisen MB, Pergamenschikov A, Williams CF, Jeffrey SS, Botstein D, Brown PO, "Genome-wide analysis of DNA copy-number changes using cDNA microarrays", Nat Genet. 1999 Sep;23(1):41-6, PMID 10471496
6. Moran G, Stokes C, Thewes S, Hube B, Coleman DC, Sullivan D, "Comparative genomics using Candida albicans DNA microarrays reveals absence and divergence of virulence-associated genes in Candida dubliniensis", Microbiology. 2004 Oct;150(Pt 10):3363-82, PMID 15470115
7. Hall DA, Ptacek J, Snyder M. "Protein microarray technology", Mech Ageing Dev. 2007 Jan;128(1):161-7. Epub 2006 Nov 28, PMID 17126887
8. 20715224 :Engel Y, Elnathan R, Pevzner A, Davidi G, Flaxer E, Patolsky F., "Supersensitive detection of explosives by silicon nanowire arrays", Angew Chem Int Ed Engl. 2010 Sep 10;49(38):6830-5
9. http://www.promega.com/~/media/files/.../llewellyn.pdf?la=en