מדליית זהב לנבחרת הסטודנטים של אוניברסיטת תל אביב במסגרת תחרות ה-iGEM העולמית

הישג לנבחרת הסטודנטים של אוניברסיטת תל אביב בתחרות ה-iGEM העולמית שהתקיימה בפריז: הסטודנטים מתל אביב זכו במדליית זהב על פיתוח חדש שמאפשר תכנון יעיל ומדויק של מולקולות רנ"א שליח, כך שהם יתבטאו בצורה רק בתאי המטרה (למשל בגידול סרטני). בנוסף מתוך מאות נבחרות מרחבי העולם (כולל אוניברסיטאות מובילות כגון MIT והווארד), הנבחרת זכתה בפרס המודל המצטיין.

הנבחרת כללה 11 סטודנטים מהפקולטות להנדסה, מדעים מדויקים ומדעי החיים, בראשותו של הקפטן אפי מורה מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית. המנחה המקצועי של הנבחרת הוא פרופ' תמיר טולר מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית. חברי הנבחרת: אפי מורה, טל צפוני, יהודה לנדוא, יולי הגני ורועי עובדיה מהפקולטה להנדסה, ומהפקולטות למדעי החיים, מדעי המחשב ומדעי החברה: דוד ברייר, ניתאי עד-אל, אילן אדלשטיין, יואב נבון ורועי מנדל.

רעיון חדשני בתחום הביולוגיה הסינתטית

iGEM היא תחרות עולמית בתחום הביולוגיה הסינתטית, שבה כל צוות הוגה רעיון חדשני שמטרתו לפתור בעיה כלשהי בתחום הביולוגיה הסינתטית ומממש אותו בפועל ע"י שימוש בכלים הנדסיים, ביולוגיים וחישוביים באופן הדומה לפיתוח של חברת הזנק. חבר השופטים מורכב בדרך כלל מחוקרים ומדענים עם ניסיון רב בתחום, שחלקם השתתף בעבר בתחרות, או שהנחה קבוצות בתחרות.

חברי הנבחרת מסבירים כי המרנ"א (רנ"א שליח) זו מולקולה שהיא מעין שלב ביניים בין החומר הגנטי (הדנ"א) והחלבון. היא מקודדת את הרצף שהריבוזום "מפענח" ומתרגם לחלבון בתהליך שנקרא "תרגום". חיסוני הקורונה של חברת פייזר ומודרנה הדגימו את היתרונות של שימוש במולקולות מרנ"א ברפואה. בין השאר מדובר במולקולה שהיא בטוחה (בשונה ממולקולת הדנ"א שיכולה לעבור אינטגרציה לגנום ולכן לשנות את החומר הגנטי שלנו) ומודולרית יחסית – כלומר ניתנת ל"תיכנות" בקלות (בשונה מחלבונים) על מנת לפתור בעיות שונות.

לכן, כיום השימוש במרנ"א לפתרון בעיות נוספות שהן יותר מסובכות מפיתוח חיסונים, כגון טיפול בסרטן, מצית את הדמיון של החוקרים בתחום. למשל, אם נוכל לתכנן מולקולת מרנ"א שמתבטאת רק בתאים סרטניים נוכל לקודד עליה רעלן שיהרוג תאים סרטניים אבל לא יפגע בתאים בריאים. זוהי משימה מאוד מאתגרת, שכן מולקולות מרנ"א נוטות להתבטא בצורה דומה בכל סוגי הרקמות.

תמונה 1:A. תיאור סכמתי של חלק מהשלבים של ביטוי גנים. הדנ"א משועתק למרנ"א והמרנ"א מתורגם על ידי הריבוזומים לחלבון

B.-C. תיאר סכמתי של הפלטפורמה: B. בתאים שהם לא תא המטקה הקוד שמסמן לריבוזום להתחיל לתרגם את המרנ"א לחלבון (AUG) חסום בתוך מבנה דו מימדי של המרנ"א ולכן אין "שפעול" של המולקולה ולא נוצר חלבון.  C. המתג תוכנן כך שרק בתא המטרה יש מולקולת מרנ"א שיכולה לפתוח אותו. המתג נפתח עקב אינטראקציה של המולקולה הזו ורק במקרה זה הריבוזום מזהה את הסיגנל לתחילת התרגום ומתחיל לתרגם.

תכנון סלקטיבי ואוטומטי של מולקולות מרנ"א

פרופ' תמיר טולר, המנחה של הנבחרת הסביר את האתגר המדעי שעמו התמודדה הנבחרת של אוניברסיטת תל אביב: "החלטנו לפתח מנוע חישובי שמאפשר תכנון אוטומטי של מולקולת רנ"א שתתבטא באופן סלקטיבי. בין השאר הכלי מאפשר לתכנן בצורה יעילה מבנה רנ"א (מעין מתג) שימנע את התרגום של המולקולה בתאים לא רצויים. המבנה נפתח בעקבות אינטראקציה עם מולקולות מרנ"א שייחודיות לתא המטרה ושנבחרות על סמך אחד האלגוריתמים שפיתחנו". 

אפי מורה, קפטן הנבחרת, מוסיף: "בשביל להתמודד עם האתגר הנבחרת פיתחה שורה של מודלים חישוביים, שהמטרה שלהם לתאר תהליכים פיזיקאליים שמולקולת המרנ"א עוברת במהלך הפעילות שלה. בין השאר יצרנו מודל לקיפול העצמי של המולקולה, את האינטראקציה שלה עם הטריגר, ואת האינטראקציה שלה עם הריבוזום. כמו כן, על סמך המודלים הללו פיתחנו אפליקציה חישובית שחוקרים בתחום יכולים להשתמש בה בקלות על מנת לתכנן מוצרים מבוססי מרנ"א".

"בשביל להוכיח את היכולות של הכלי שפיתחנו ערכנו ניסויים בשלוש אורגניזמים שונים: הבקטריה אי-קולי, שמר האפייה ותאי יונקים. הניסויים הדגימו לראשונה את הפוטנציאל של הפלטפורמה. בין השאר הדגמנו בפעם הראשונה יכולת לשפעל מולקולת מרנ"א על ידי מרנ"א אחר בתא אאוקריוטי (תא בעל גרעין סגור בתוך מעטפת גרעינית). כמו כן הדגמנו שיפור ביצועים יחסית לתוצאות שפורסמו לאחרונה במגזין מוביל בתחום הביולוגיה הסינטטית," מסביר מתן ארבל,  המתרגל של הנבחרת ודוקטורנט בפקולטה למדעי החיים, שגם השתתף בעבר בתחרות.

ההישגים הרבים של הנבחרת הוכרו גם בפורומים נוספים לתחרות IGEM. בין השאר הנבחרת זכתה בפרס הפוסטר המצטיין בכנס הביולוגיה הסינטטית הישראלי הראשון. בנוסף הוגש פטנט המבוסס על המודלים שהנבחרת פיתחה. כמו כן, חברת לונזה שהתלהבה מהפוטנציאל של הפרויקט היא חלק מנותני החסות של הפרויקט במטרה להמשיך את הפיתוח בשיתוף פעולה.