ביו-שבב – הבדלי גרסאות
תוכן שנמחק תוכן שנוסף
מאין תקציר עריכה |
|||
שורה 1:
'''ביו-שבב''' (Biochip) הוא מצע קשיח בסדר גודל מאקרומטרי{{דרושה הבהרה|מה זה אומר?}} 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 ב[[ביולוגיה מולקולארית]] כלי מתקדם, נייד וקל לשימוש המסוגל לבצע מגוון רחב של פעולות ביוכימיות כמו [[ריצוף DNA|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{{הערה|1=[http://searchcio-midmarket.techtarget.com/definition/biochip biochip]}}{{הערה|Debnath, Mousumi, Prasad, Godavarthi B.K.S., Bisen, Prakash S. ,"Molecular Diagnostics: Promises and Possibilities", Springer, 1st Edition, 2010, Chapter 22}}.
==רקע ==
שורה 8:
התקדמות טכנולוגית משמעותית נרשמה ב[[מזעור|תחום המזעור]] של כלים או מכשירים והביאה בכך בשורה לעולם המדעי. הפיזיקה והביולוגיה משתפים פעולה בשימוש ברכיבים בטווח גדלים של ננומטרים למילימטרים, כאשר תחום ה[[פיזיקה]] מספק כלים לבנייתם של מכשירים חשובים מאוד במדעי ה[[ביולוגיה תאית|ביולוגיה התאית]] והמולקולרית שימדדו ויאפיינו תכונות של תאים ומרכיביהם. תחום הביולוגיה מאפשר חלון הצצה לכמה מה[[ננו-מבנים]] המתוחכמים ביותר הקיימים.
התקדמות טכנולוגית זו מופנית בעיקר לכיוונם של [[מערך DNA|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 בטכנולוגית 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/[[RNA|רנ"א]]/[[חלבונים]] יוכל להכיר רצפים משלימים להם. ביוסינתזה והרכבה של רצפי דנ"א/רנ"א על השבב מאפשרת ניטור של ביטוי [[MRNA|רנ"א שליח]] (mRNA) או התרחשות של [[פולימורפיזם (ביולוגיה)|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.
שורה 20:
==סוגי הביו-שבבים==
*'''[[מערך DNA|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{{הערה|1= 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}} }}{{הערה|1= 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}}}}{{הערה|1= 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}}}}.
*'''[[מערך חלבון]]''': מערך החלבון מכיל משטח העשוי זכוכית, ממברנת ניטרוצלולוזה או מיקרו או [[ננו חלקיק]]ים 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{{הערה|1=Hall DA, Ptacek J, Snyder M. "Protein microarray technology", Mech Ageing Dev. 2007 Jan;128(1):161-7. Epub 2006 Nov 28, {{PMID|17126887}}}}.
*'''[[מעבדה על שבב|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 ו[[צורן|סיליקון]]. 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 ה[[מיקרופלואידיקה]] ונכללת בקבוצת המשנה של התקני ה-[[MEMS]] ([[MEM|מערכות מיקרו אלקטרו מכניות]])
*'''[[איבר על שבב]]''': (ב[[אנגלית]]: '''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.
שורה 28:
*'''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 ה[[אנטיגן]] של (TNF-αTumor Necrosis Factor) ל[[נוגדן]] 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, [[חיישן|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 ה[[אנתרקס]]. שימוש נוסף בביו-שבב הוא בתחום פיתוח "[[אף מלאכותי]]" להרחת חומרי נפץ או סמים. למשל פתוח חיישן ל-(TNT(2,4,6-trinitrotoluene, שהוא חומר נדיף מאוד המקשה על זיהויו. בבסיס הביו-שבב מונחים [[ננו-חוט|ננו-תילים]] (nanowires) העשויים תרכובות סיליקון שהוא חומר מוליך למחצה ועל פניהם מעוגנות [[חומצת אמינו|קבוצות אמינו]]. הננו-תיל ממותח בין שני מגעים ובכך הופך להיות [[טרנזיסטור|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{{הערה|1=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 }}.
::*[[זיהוי פלילי]]: בתחום הפורנסי (Forensic), ה[[גנום מיטוכונדריאלי|דנ"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 ב[[תורשה]] במלואו מהאם, עובדה המקלה על עבודתו של החוקר שכן ניתן בקלות לגלות את זהות האדם לו הדגימה שייכת אם ישנה דוגמה מהאם או קרוביה{{הערה|http://www.promega.com/~/media/files/.../llewellyn.pdf?la=en</div><div class="mw-content-ltr"><div class="mw-content-ltr">}}.
סיכום של יישומי הביו-שבב:
*כלי אבחוני ברפואה הקלינית
*כימות ביו-מולקולות
שורה 44:
בתחום הסרטן, פרופיל הביטוי הגנטי מאפשר דיוק דיאגנוסטי ופרוגנוסטי אך מדענים נתקלו בקשיים רבים בחקירתו. הביו-שבב יכנס 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''': 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 [[אנזים|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.
| |||