מתג ביולוגי

**מתג ביולוגי** (באנגלית: **Biological Switch**) מכונה גם **מתג ביוכימי**, הוא  המשמש כמנגנון מרכזי בוויסות מערכות ביולוגיות ובביולוגיה סינתטית ומאפשר החלטות בינאריות כמו התמיינות תאית, תגובה לעקה או זיכרון תאי . בשונה ממנגנוני בקרה הדרגתיים, מתגים אלו פועלים בשני מצבים בלבד (), ובכך מאפשרים לתא לקבל החלטות גורליות בתנאי אי-ודאות.

## עקרונות פעולה ותכונות דינמיות
פעולתם של מתגים ביולוגיים נשענת על עקרונות ממתמטיקה לא-ליניארית ומתרמודינמיקה. כדי שסיגנל כימי יהפוך למתג, המערכת חייבת להפגין קואופרטיביות. כאשר מספר מולקולות פועלות יחד (למשל, קישור של מספר מולקולות ליגנד לקומפלקס חלבוני אחד), נוצרת עקומת תגובה סיגמואידית (בצורת S ובהשפעה של "אולטרה-רגישות" ()). ככל שהשיפוע של העקומה תלול יותר, כך המתג רגיש יותר לשינויים קטנים בריכוז הסביבתי.

מאפיין קריטי נוסף הוא היסטרזיס. במערכות ביולוגיות רבות, הריכוז הדרוש להפעלת המתג גבוה מהריכוז שבו המתג נכבה בחזרה. תופעה זו מעניקה למערכת חסינות לרעש היא מונעת מהמתג להבהב בין מצב "דלוק" ל"כבוי" עקב תנודות קטנות וזמניות בסיגנל, ובכך מבטיחה יציבות תפקודית.

דוגמה מובהקת להפעלת עקרונות אלה ניתן למצוא ב.

## מנגנוני מתג לפי רמת הבקרה
### מתגים פוסט-תרגומיים (ברמת החלבון הקיים)
מתגים אלו פועלים בטווח זמן של מילי-שניות עד שניות, שכן הם אינם דורשים ייצור של מולקולות חדשות אלא שינוי של חלבונים קיימים.
* **מעגלי [[זרחון]]-[[דה-זרחון|דה-פוספורילציה]]** : זהו המתג הנפוץ ביותר בהעברת אותות. אנזימי קינאז מוסיפים קבוצת זרחה ואנזימי פוספטאז מסירים אותה. כאשר שני האנזימים פועלים במקביל על אותו מצע (Substrate), המערכת יכולה להפגין "אולטרה-רגישות", שבה שינוי קטן בפעילות הקינאז מוביל למעבר מוחלט של כל אוכלוסיית החלבון למצב המזורחן.
* **מתגי [[GTPase]]**  **מולקולריים**: משפחת חלבוני ה-G פועלת כמתג בינארי. במצב קשור ל-GTP החלבון נמצא בקונפורמציה "פתוחה" המאפשרת קישור לחלבוני מטרה במורד הזרם. הידרוליזה של ה-GTP ל- (המתבצעת ומואצת על ידי החלבון עצמו או בעזרת חלבוני עזר כמו GAPs) משנה את המבנה המרחבי וסוגרת את המתג.

### מתגים שכתובים ואפיגנטיים
אלו מתגים השולטים על מלאי ה-mRNA והחלבונים בתא, ופעולתם איטית יותר (דקות עד שעות).
* **משוב חיובי בביטוי גנים**: כאשר חלבון מסוים מתפקד כפקטור שכתוב המפעיל את הגן של עצמו, נוצר מעגל משוב חיובי. מעגל כזה יכול ליצור מצב שבו הגן נשאר "דולק" לנצח, גם לאחר שהאות המקורי נעלם. זהו המנגנון העומד בבסיס התמיינות תאים (דוגמה טבעית קלאסית היא אופרון הלקטוז בחיידק קולי. כאשר לקטוז נכנס לתא, הוא יוצר  שמדכא את הרפרסור LacI , מה שמגביר את ייצור חלבוני האופרון (כולל פרמיאז שמייבא עוד לקטוז), לולאת משוב חיובי. במקרים מסוימים (במיוחד עם אינדוקטורים לא-מטבוליזביליים כמו TMG), המערכת מפגינה ביסטביליות והיסטרזיס, מה שהופך אותה לאחת הדוגמאות הראשונות למתג ביולוגי טבעי).
* **מתגים [[אפיגנטיקה|אפיגנטיים]]**: שינויים כמו מתילציה של DNA או מודיפיקציות על היסטונים מהווים מתגים יציבים מאוד. הם מאפשרים לתא "לזכור" מצב מסוים (למשל, זהות של תא כבד לעומת תא עור) לאורך חלוקות רבות, מבלי לשנות את רצף ה-DNA עצמו.

### מתגי RNA וריבוסוויצ'ים
מולקולות RNA אינן רק מתווכות, אלא יכולות לתפקד כמתגים בזכות יכולתן להתקפל למבנים מורכבים.
* ****: נמצא לרוב באזור ה-5' של mRNA. כאשר ריכוז של מטבוליט מסוים (כמו ויטמין או חומצת אמינו) עולה, הוא נקשר ישירות ל-RNA. הקשירה גורמת לשינוי מבני מיידי שחוסם את הריבוזום או גורם לסיום מוקדם של השכתוב.
* **חיישני טמפרטורה (** **RNA Thermosensors)**: במצבי עקה תרמית, מבני "לולאה" ב-RNA נפתחים עקב החום, חושפים את אתר קישור הריבוזום ומאפשרים ייצור מהיר של חלבוני הגנה או אלימות .

### מתגים בביולוגיה סינתטית
[ממוזער|250px|דיאגרמה של מתג גנטי הדדי עם רפרסור CI (ב[בקטריופאג למדא), המדגימה את מנגנון הביסטביליות במערכות ביולוגיות]]
בביולוגיה סינתטית מדענים משתמשים בעקרונות אלו כדי לבנות תאים מתוכנתים. הדוגמה הבולטת ביותר היא ה-Genetic Toggle Switch, שנבנה לראשונה בשנת 2000 בחיידקי אשריכיה קולי. המעגל מורכב משני  שכל אחד מהם מדכא את השכתוב של השני. מבנה זה יוצר יציבות דו-ערכית: או שגן א' דולק וגן ב' כבוי, או להפך, מה שמאפשר זיכרון בינארי בתוך תא חי.

## התפתחויות עדכניות
בשנים 2024–2025 נרשמה התקדמות משמעותית בתחום, המעבירה את הדגש מתאים בודדים לאורגניזמים שלמים ומעיצוב ידני לעיצוב מבוסס בינה מלאכותית:
* מתגים גנטיים בצמחים: פיתוח ה-Toggle Switch הגנטי הראשון בצמחים שלמים מאפשר שליטה הדירה ודו-ערכית בתכונות חקלאיות. בניגוד למערכות קודמות שהיו "דולפות" או חד-פעמיות, מערכת זו מאפשרת "להדליק" עמידות ליובש ולכבות אותה כשאינה נחוצה, מבלי לפגוע בצמיחה הרגילה.
* עיצוב מתגים באמצעות AI: פלטפורמות חדשות משתמשות בלמידת מכונה כדי לסרוק מיליוני רצפי DNA ולנבא אילו מהם יפעלו כמתגים מדויקים. פלטפורמת CODA, למשל, מאפשרת לתכנן מתגים שייפתחו רק בסוג תא ספציפי (למשל תא סרטני), מה שמהווה פריצת דרך בטיפולים גנטיים.
* ריבוסוויצ'ים סינתטיים משופרים: הנדסה של ריבוסוויצ'ים (מתגי RNA) מאפשרת כעת יצירת חיישנים מולקולריים בתוך התא שמגיבים לריכוזים מזעריים של מטבוליטים, מה שמאפשר "לתכנת" את חילוף החומרים של התא לייצור יעיל של תרופות או דלקים ביולוגיים.

## ראו גם
* ביולוגיה מערכתית
* ביולוגיה סינתטית
* בקרה אלוסטרית
* מכונה מולקולרית

## לקריאה נוספת
* Alon, U., **An Introduction to Systems Biology: Design Principles of Biological Circuits**, 2nd Edition, CRC Press, 2019. 
* 

## הערות שוליים

קטגוריה:ביולוגיה מולקולרית
קטגוריה:ביוכימיה