פרופ’ יובל דורפן, ראש המכון לביולוגיה סינטטית במרכז הבינתחומי / צילום: גלעד קולורצ'יק
חיסוני הקורונה הראו לנו שאנחנו יכולים לחקות בצורה מצוינת ויחסית פשוטה לביצוע את המולקולות הבסיסיות של החיים בטבע, RNA ואפשר גם DNA. זוהי התפתחות של העשורים האחרונים, ותיאורטית היא מאפשרת לייצר מגוון עצום של חומרים ואפילו יצורים, מאפס. עוד פשוט יותר מכך, היא מאפשרת להנדס מגוון יצורים קיימים, כולל בני אדם, כדי לתת להם תכונות שאין להם היום. אנחנו בעצם יכולים להתחיל להנדס ולתכנת את החי, כפי שאנחנו עושים לדומם. "יש כל כך הרבה אפשרויות", אומר ד"ר יובל דורפן, ראש המכון הישראלי לביולוגיה סינטטית , שהקים לאחרונה במרכז הבינתחומי הרצליה יחד עם ד"ר יונתן גירון, "זה כמו לגו היום".
דורפן הוא רכש חדש של המרכז. בשלוש השנים האחרונות היה חוקר במכון MIT-Broad Foundry, מכון ביולוגיה סינטטית בתוך מכון ברוד היוקרתי, המשותף ל-MIT ואוניברסיטת הרווארד. המכון יוקם בתוך מרכז החדשנות שהולך ונבנה במרכז הבינתחומי, בראשות פרופ' נעם למלשטרייך-לטר, לפי חזונו של פרופ' אוריאל רייכמן.
ביולוגיה סינטטית היא כל מקרה שבו מהנדסים תאים כדי להפיק מהם חומרים חדשים, לכל צורך, ולא רק לעולם הרפואי. תרופות ביוטכנולוגיות מיוצרות היום בתאים מהונדסים, שאחר כך עוברים ריבוי במעבדה, ובסופו של דבר מופקים מהם חומרים שהם הונדסו להפיק. החלום הוא לא רק לשנות גן מסוים בתא, אלא לבנות רצף גנטי מאפס, אפילו חדש לגמרי, ליצור חומרים חדשים לגמרי לטבע. אין שום בעיה היום לחבר כל רצף גנטי. הבעיה היותר קשה היא לדעת איזה חומר הוא יקודד.
"אנחנו מדברים על מהפכה בסדר גודל שעשתה האלקטרוניקה", אומר דורפן. "בסך הכול אנחנו מביאים את אותם חוקים של עולם ההנדסה, אל הביולוגיה".
ההווה של התחום הוא לייצר באופן מהונדס חומרים שכבר נמצאים בטבע אבל קשה להפיק אותם. כך עושה למשל חברת Ginkgo BioWorks. "הם מפיקים ריח של ורדים, בתוך שמרים. במקום לאסוף את עלי הכותרת של הוורד כדי למצות מהם את הריח, הם סינתזו באמצעות מחשב גן שמקודד את החומר שיוצר את הריח של הוורד. את הגן הזה הם השתילו בתוך שמר, שמייצר כעת חלבון שהוא מעולם לא ייצר. הריח של הוורד נוצר בתוך מפעל שמעולם לא ראה עלה כותרת אחד, זה מוצר סינטטי, אבל הוא זהה לחומר שבאמת יוצר את ריח הוורד, כלומר הריח לא מרגיש לנו סינטטי. אלא זהה לדבר האמיתי".
דורפן מספר כי DARPA, ארגון המו"פ הצבאי של ממשלת ארה"ב, יצא בפרויקט "אלף המולקולות". "הם זיהו אלף מולקולות שיש בטבע והן מעניינות מסיבות שונות ומשונות, אבל בטבע הן קיימות בכמויות מאוד קטנות או שקשה להפיק אותן, ובמפעלים קשה מאוד לייצר אותן. הם ביקשו למצוא דרכים חדשות לייצר אותן באמצעות הביולוגיה הסינטטית.
"תוך פחות מארבע שנים הם הצליחו לייצר את כל האלף באמצעות חיידקים ושמרים". כך למשל פותח באופן ביוסינטטי סוג חדש של דלק לטילים, שנותן את אותה תוצאה בנפח יותר קטן ובעלות נמוכה. עוד יוצרו חומרים פולימריים, סיבים, דבקים, מוצרי גומי ועוד מוצרים רבים אחרים, לצרכים כמו טקסטיל, שימור מזון, תחבורה, בנייה ועוד ועוד. הם קוראים לזה Living Foundries, בעצם בתי חרושת לחומרים ומולקולות חדשות".
"לבנות חיישן לחומר נפץ"
זה, כאמור, ההווה. דרגה אחרת של מורכבות, שהיא כבר העתיד הקרוב, היא להוסיף למולקולות יכולות של תגובה ספציפית מאוד לסביבה. "למשל אם אני רוצה לבנות תא שיהיה חיישן, נניח, לחומר נפץ, ל- TNT. אז אני חושף כל מיני בקטריות לחומר הזה, ואפילו אם כלפי חוץ אני לא רואה כלום, אני יכול לעשות מיפוי של כל החומרים בתוך התא מגיבים ל-TNT. אם אני מוצא שבאמת יש אורגניזם שמייצר חלבון כלשהו בתגובה, אז אנחנו יכולים להשתיל גן שמעלה את רמת הביטוי של החלבון הזה. או שאני יכול לגרום לאותה בקטריה לייצר בתגובה לחשיפה הזו חלבון מאיר, או חלבון מסריח". כך אפשר לאתר חומרי נפץ בקלות, ולמשל לזהות ולסלק מוקשים, כאשר היום החלופה היא לחרוש שדה שלם כדי למצוא את המוקש.
חברה בוסטונית אחרת מייצרת דשן לצמחים. "הם מתכננים חיידקים שמגיבים לרמות הלחות והטמפרטורה בקרקע, ואז מפרישים חומרי דשן. הם יצרו בעצם מחשב ביולוגי בתוך האדמה".
"אפשר לייצר אדם ביוני"
המכון עצמו, אף שהוא חדש יחסית, כבר עובד למשל על חיידק אי קולי, שהונדס גנטית כך שיייצר חלבון פלואורסצנטי, אבל רק כאשר ישנו זיהום מסוים בקרקע. "אנחנו מפזרים מרחפן את התאים החיים בשטח, ואז האדמה זוהרת. אפשר לעשות מוצר דומה כדי לסלק מן השטח מוקשים".
פרויקט שני הוא של בשר משובט. "אחת הבעיות בתעשיית הבשר המתורבת היא שכשמרבים תאים בכמות גדולה, קשה לחלק אותם למנות קטנות בצורה סטרילית. ייצרנו שקית מיוחדת שבה אנחנו יכולים לייצר את הבשר בדיוק בגודל ובצורה שרוצים. אנחנו במקרה הזה לא אחראים על התאים, אלא על כל האלקטרוניקה הרלוונטית. למשל כדי ליצור צורה מסוימת של קציצה, צריך ליצור כמו מסוימת של לחץ, וצריך חיישן לחץ, צריך סטריליות. אנחנו יכולים לתפור את זה לפי האפליקציה הספציפית שמישהו צריך. במקרה הזה, אנחנו משתפים פעולה עם מאגד של רשות החדשנות".
כשמייצרים חומר באמצעות חיידק או שמר, בטח צריך להאכיל אותו במשהו. זה עדיין משתלם?
"כן, כי זה בדרך כלל מחליף כרייה של שטחי ענק כדי להשיג חומר או חקלאות על פני שטחי ענק. לעומת זאת חיידקים או שמרים צריכים קצת מים וסוכר, וכדי שהם ייצרו חלבון צריך לספק להם קצת חומצות אמינו. זה לא יש מאין, אבל זה לא במיוחד יקר. יש עדיין דילמות של מהירות הייצור, ושל שגיאות בייצור כי בכל זאת מדובר בחומר חי, אבל אף שהייצור עשוי להיות איטי לעומת מפעל כימיה, הרי שנניח לגדל בשר משובט זה כל כך הרבה יותר מהר וזול מלגדל פרות, זה לא מייצר חומרים שפוגעים בכדור הארץ, וגם לא צריך לנקות את הקקי".
מה יהיה העתיד של התחום?
"כאשר למשל נגדל את הבית שלנו במקום לבנות אותו, והבית הזה גם יוכל לתחזק את עצמו. למשל אם יהיה בו חור, הוא יוכל לגדל משהו שיסתום את החור, ואולי הוא אפילו יחוש בעצמו, בדרך שתיארנו קודם, איפה יש לו נקודות תורפה ויתקן את עצמו. יכול להיות שחומר הבנייה יהיה צמח, או פטרייה.
"ישנם היום חיידקים שכבר יודעים לייצר חומר מגנטי שנהוג לשלב בתוך כנף של מטוס. אפשר לבנות שבלונה, ולתת לתאים לגדול בתוכה, ומה שנוצר מקבל את הצורה של השבלונה. חושבים גם על אפשרות לתכנת אותם ליצור את הצורה הזו, בלי שבלונה - אבל זו באמת פנטזיה קצת יותר רחוקה".
מה לגבי ייצור של בעלי חיים או אפילו בני אדם מ-DNA סינטטי?
"אנשים כבר היום עוסקים בביו-האקינג - עריכה גנטית של עצמם. אני לא אחד מהם. הרופא הסיני שערך את התאומות בניסוי לא חוקי במטרה לתת להן עמידות בפני איידס, למד בבניין שלי במכון ברוד. כששמעו על זה, כל הבניין רעד.
"ברמת העיקרון, אפשר לייצר אדם ביוני. אנחנו יכולים לגרום לגוף לייצר את התרופות שלו - קצת כמו החיסון החדש לקורונה. אפשר לייצר חיידקים לא מזיקים בגוף, שיהיו למעשה חיישנים ביולוגיים לחומרים שמעידים על קיומו של גידול סרטני. אולי אפשר לגרום להם להפריש חומרים מרפאים בתגובה כשהם חשים את האות הזה. במערכת העיכול אפשר ליצור חיידקים פרוביוטיים, שייצאו עם הצואה ובדרך "יקליטו'" את כל מה שקורה במערכת העיכול. אם יש מספיק ברזל? אם יש דימום במערכת?"
ביולוגיה סינטטית פירושה גם להשתמש ב-DNA כזיכרון. "זו מולקולה מאוד יציבה ומאוד יעילה לשמור מידע. מאוד קומפקטית. אם רוצים לשמור משהו בארכיון, אפשר כבר היום לעשות את זה עם כמות מאוד קטנה של חומר. הבעיה היא שאי אפשר היום לגשת לזיכרון הזה מהר, לא לכתיבה ולא לקריאה. כשנעשה זאת, זו תהיה מהפכה".
"זזנו מהר בלי לבקש אישור מירושלים"
המכון לביולוגיה סינטטית משתף פעולה בצמידות עם חברות ומגדיר איתן מחקר משותף. המכון ממוקם בבניין היזמות החדש של המכון, שבו נבנו חללים גדולים והוצב ציוד משותף כדי לעורר אינטראקציה בין דיסציפלינות הלימוד השונות.
לדברי מייסד וראש המרכז הבינתחומי, פרופ' אוריאל רייכמן: "החלטנו להקים את המכון ואת מרכז החדשנות כולו, כדי ליצור ליבה אינטרדיסציפלינרית חדשה. חשיבה יצירתית טובה במיוחד יכולה לבוא כאשר מושיבים קבוצה של מדענים וחוקרים מדיסציפלינות שונות לדון בנושא מסוים. מעבר לקשר עם התעשייה, יש לגישה הבינתחומית תרומה ליצירתיות אקדמית. אי אפשר לעשות היום שום דבר בלי דאטה. מדעי החברה מתבססים יותר ויותר על חקר המוח. אני כמשפטן שואל את עצמי מה זה סיבתיות ועל מחשבה. האם יש לך את הכוונה הפלילית? האם יש תום לב? האם יש רשלנות? ומדעי החברה והמוח משפיעים על ההבנה שלנו של הקונספטים האלה. הנושא של הרצייה האנושית הוא תעלומה גדולה. כי הגנטיקה והסביבה מכוונות אותנו, ומצד שני יש לנו יצירתיות, אז איפה הרצייה? איפה הכוונה? על מה אפשר בכלל לחייב אותי. פתאום עולה האפשרות של רובוטים כשופטים. ואז איך תתנהל העבודה של עורכי הדין?
"המרכז לביולוגיה סינטטית, נדהמתי מכמה מהר הדבר הזה קם. אנחנו מזיזים דברים מהר כי לא צריכים לבקש אישור מירושלים. עם כל הקשיים שהיו לי, הייתה לי אחלה חוויה ליצור את כל המרכז הזה ולהריץ אותו קדמיה. צרות היו מכאן ועד הודעה חדשה. אבל החוויה גם הבלתי אמצעית לגעת באנשים. בנוער. לדבר איתם על ערכים. זה בלתי ניתן להחלפה".
יובל דורפן
בן 48, נשוי עם 4 ילדים, בעל תואר ראשון בהנדסת אלקטרוניקה ומחשבים מאוניברסיטת בן גוריון, תואר שני מהטכניון, דוקטורט בהנדסה מאוניברסיטת בר אילן, MBA מהבינתחומי הרצליה ● עבד בתפקידים ניהוליים בתעשיות הביוטק והמוליכים למחצה, בין היתר בתעשייה האווירית, חברות סטארט-אפ ובאינטל ● בשלוש השנים האחרונות עסק במחקר בהנדסה ביולוגית ב-Broad Foundry MIT
פרויקטים של המכון לביולוגיה סינטטית
■ להאיר את הפצצה: איתור מוקשים באמצעות חיידקים שהונדסו להגיב לחומר הנפץ
■ לגדל קציצה: גידול בשר מתורבת בצורה קבועה מראש
■ להגן על החקלאים: חיישנים מבוססי חיידקים לזיהוי זיהומים ומזיקים בחקלאות