ביולוגיה סינתטית

?מהי ביולוגיה סינתטית

או מערכת /ייצור רכיב ו+תכנוןביולוגית שלא קיימים בטבע

ייצור על בסיס +מחדשתכנון מערכת ביולוגית קיימת

הרכבה= סינתזה

.הרכבת מולקולה בתגובה כימית בין מולקולות אחרות: כימיה

.הרכבת מולקולות גדולות מאבני בנין קיימות: ביולוגיה

.הרכבת פעילויות ומערכות ביולוגיות שלא נמצאות בטבע: ביולוגיה סינתטית

) פיזיקה, כימיה, ביולוגיה(הביולוגיה הסינתטית מצויה בצומת שבין מדע

.כ המטרה יישומית"הנדסה ועל אף שיכולה לשרת מדע טהור הרי שבדר/וטכנולוגיה

Brian J. Yeh & Wendell A. Lim, Nat Chem Biol 3, 521 (2007)

סינתזה ואנליזה

משלימים תהליכים

,)b( ובביולוגיה )a( בכימיה מנתח "קלאסי"ה החוקר בכדי מורכבות מערכות .מרכיביה את ולהבין לזהות הסינטטית הביולוגיה חוקר

חדשות מערכות מהנדס להבין כדי אלה ממרכיבים או/ו ביולוגי תכנון של עקרונות

חדש ביולוגי תפקוד ליצור כדי.יישומי לצורך

Bashor et al, Annu Rev Biophys 39, 515 (2010)

כלי מחקר ופיתוח - ביולוגיה סינתטיתמערכות ביולוגיות

Bashor et al, Annu Rev Biophys 39, 515 (2010)

, מליחות, למשל שינוי בטמפרטורה(דוגמה כללית למערכת ביולוגית עם קלט מסוים למשל קשרי גומלין בין פעילות (השפעות חיוביות ושליליות בין מרכיביה ) 'חומציות וכד

).למשל רמת ביטוי של חלבון או הצטברות של מטבוליטים(ופלט מסוים ) אנזימים שוניםהביולוג הסינתטי מוסיף למערכת אלמנט חדש או משנה אלמנט קיים כך שמאזן

.שליליות משתנה ובעקבות כך משתנה הפלט של המערכת/ההשפעות החיוביות.זה העיקרון הבסיסי של ביולוגיה סינתטית

להם המקודדים הגנים ,)וירוק כחול( חלבונים שני עם ביולוגית מערכת - משמאל חלבון רמת( המערכת פלט .ושלילי חיובי ,משוב לולאות היוצרים נוספים ומרכיבים

.שמתחת בגרף מתואר )זמן ציר על כחול את המחזקים למערכת סינתטיים אלמנטים תוספת של דוגמאות שתי זו מערכת לצד

.בהתאם מושפע והפלט )ימין( השלילי או )מרכז( החיובי המשוב

Bashor et al, Annu Rev Biophys 39, 515 (2010)

Bashor et al, Annu Rev Biophys 39, 515 (2010)

גמישות מערכתית

מערכת זו משוכללת יותר ותוכננה כך שניתן להוסיף לה אלמנטים המעודדים משוב .שלילי מבלי לשנות את המערכת עצמה/חיובי

של אלמנטים פוטנציאליים במקביל " ספריה"כך ניתן לבצע בדיקות מרובות ולסרוק . ולבדוק השפעתן על מערכת זהה

Bashor et al, Annu Rev Biophys 39, 515 (2010)

כלי מחקר ופיתוח - ביולוגיה סינתטיתבקרה מגוונת

שינוי רמת המורכבות של מערכת מאפשר משחק עם היחס בין הידוע לבין .המשתנה ומשפיע על סוג השאלות שניתן לשאול במערכת המתוכננת

Bashor et al, Annu Rev Biophys 39, 515 (2010)

כלי מחקר ופיתוח - ביולוגיה סינתטיתהגברת גמישות

מקנה גמישות לחוקר ) למטה(תרשים זה מדגים כיצד מערכת סינתטית ומאפשרת לו לשאול שאלות רבות יותר ומורכבות יותר ולבדוק אותן בזמן

.קצר יותר

Bashor et al, Annu Rev Biophys 39, 515 (2010)

כלי מחקר ופיתוח - ביולוגיה סינתטיתהגברת גמישות

.זו הדגמה של העיקרון בשקף הקודםאלמנטים 16000במערכת יחידה זו נבדקו שלילית על /ונבחנה השפעתם החיובית

זוהו שני אלמנטים –התוצאה . המטרה.בעלי השפעה ברורה

Bashor et al, Annu Rev Biophys 39, 515 (2010)

כלי מחקר ופיתוח - ביולוגיה סינתטיתמגוון דרכי התערבות

שיטות המחקר המסורתיות מאפשרות התערבות מוגבלת

לרוב עיכוב או עידוד –במערכת .של אחד ממרכיביה

הביולוגיה הסינתטית מקנה כלים .מגוונים להתערבות

ניתן לקבוע ברמת דיוק –למשל גבוהה יותר את אופן ההשפעה על

על תזמון , אלמנטים רביםההשפעה ועוצמתה וכן על רמת

.הדיוק של מדידת ההשפעהמורכבת , כך המערכת עשירה יותר

.מדויקת יותר ויעילה יותר, יותר

Kiel et al, Cell 38, 2663 (2010)

סינתטית ביולוגיהיישום

הסינתטית הביולוגיה שימוש מאפשרת ממערכת מדווח באלמנט כשהיא 'א טבעית 'ב למערכת מועברת

להקשר מחוץ ומתפקדת "מיובאים" כך .שלה

טבעיים יתרונות.חדש במקום ומנוצלים

Grunberg et al, Nucleic Aids Res 38, 2663 (2010)

ביולוגיה סינתטית יישום

מערכת להרכבת דוגמה ממרכיבים סינתטית ,מיקום לצורכי קיימים של דיווח/ואיתות חיתוך.התוצר

Grunberg et al, Nucleic Aids Res 38, 2663 (2010)

ביולוגיה סינתטית יישום

.שני רכיבים הנקשרים כתוצאה מהוספת רכיב שלישי - ביולוגי " מפסק"למשל תרופה הניתנת במועד (מערכת זו יכולה לשמש למחקר או לביצוע פעולות

נשארת יציבה אך לא פעילה בגוף החולה ומופעלת ברגע נתון על ידי , מסוים.הוספת רכיב משפעל

Keasling; Science 330, 1355 (2010)

תרשים זה מתאר את החיידק תרופות , כמפעל לייצור כימיקלים

.ודלקיםהביולוגיה הסינתטית מאפשרת

התערבות במסלולים טבעיים של .החיידק והסבתם לצרכי האדם

ישנם תהליכים ביולוגיים שבהם חומרי המוצא והתוצרים הסופיים אינם .מסוכנים אך תרכובות ביניים בתהליך הפירוק הינן רעילות

התערבות במערכת זו בכלים של ביולוגיה סינתטית מאפשרת סילוק יעיל של התרכובות הרעילות על ידי עיכוב הפירוק של חומרי המוצא וזירוז

.הפירוק של תרכובת הביניים לתוצר הסופי

Grunberg et al, Nucleic Aids Res 38, 2645 (2010)

כך - טכניקהמייצרים רכיבים

באמצעות ביולוגיה סינתטית

השיטה משלבת בין שימוש בתהליכים

ייצור (מולקולריים , קצרים DNAמקטעי

, DNAהגברת מקטעי עיבודם וחיבורם

ונעזרת ) למקטע רציףבתהליכים טבעיים

על ידי DNAקליטת ().חיידקים והגברתו

Grunberg et al, Nucleic Aids Res 38, 2645 (2010)

.שלבי חיבור רכיבים ביולוגיים לתוצר הסופי עם הפעילות המבוקשת

Kiel et al, Cell 38, 2663 (2010)

הוצאה מהקשר תאיייצור תרופה למלריה

השתלתגנום

יישומים אפשריים לביולוגיה סינתטית

גנום סינתטי מחיידק M. Mycoides

בשמרהורכב והושתל בחיידקM. Capricolum

Gibson, et al.; Science 329, 52 (2010)

?אז מה הלאה

?האין גבולות ליכולות•

?היש סכנות בטכנולוגיה•

?למה? להגביל הפיתוח/היש מקום לעצור•