ביו-שבב

ביו-שבב (Biochip) הוא מצע קשיח בסדר גודל מאקרומטרי 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.

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 מיזעור. 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 המולקולאריות 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.