tomron87/hebrew-wikipedia-sentences-corpus huggingface dataset:
אזורי האוקיינוס התחתיים המצויים מתחת למרחבי האוקיינוס העמוקים מכונה - benthic zone, בעלי קרקעית חולית או סלעית, טמפרטורות נמוכות מאד, ללא קרני שמש, עשירים במגוון רב של יצורים: חיידקים, עובשים, ספוגי ים, כוכבי ים, שושנות ים, תולעים ודגים.
אזורי המפגש בין מי האוקיינוסים לבין שולי הקרקע של החופים.
ביומות אלה מתאפיינות בשינויים תדירים של הרכב הצמחייה ובעלי החיים, בגלל האופי המשתנה בתדירויות גבוהות (גלים מתנפצים אל הקרקע, תופעות של גאות ושפל)
שוניות אלמוגים מצויות במים לא עמוקים, באזורים גאוגרפיים המפרידים בין אוקיינוסים.
השוניות מאוכלסות בעיקר על ידי אלמוגים שהם סימביונטים בין אצות לבעלי חיים רב תאיים.
האלמוגים ניזונים מתוצרי הפוטוסינתזה של אורגניזם חד-תאי השייך לדינופלגלטים השייך למשפחת האצות, מסוג ושלוחות פוליפים של בעל חיים רב תאי ימי השייך למשפחת ה-Anthozoa.
בעזרת שלוחות אלה האלמוגים אוספים האוספים את הפלנקטון האוקייני.
אזורי שפך נהר המכונה Estuary, בהם מתערבבים מים מתוקים מן נהרות עם מי הים המלוחים.
האזורים האלה נתונים לשינויים בהתאם לכמויות המים המתוקים הנשפכים אל המים המלוחים.
ביומות מדבריות מתחלקות לביומות קרות וחמות.
כל האזור הארקטי והאנטארקטיקה נחשבים לביומות קרות, המכוסות שלג, ובעלות טמפרטורות מאוד נמוכות.
ביומות חמות הן ביומות בעלות טמפרטורות מאוד גבוהות ביום וקרות בלילה.
צמחייה דלילה, חוסר רטיבות באוויר, חוסר גשם, רוחות.
מרבית הביומות החמות מצויות בצפון אפריקה ובמזרח התיכון.
הביומות החמות מצטיינות ברמת משקעים נמוכה.
הצמחים מאבדים כמויות יותר גדולות של מים מכמויות המים שהם מקבלים מהגשמים.
לפיכך פיתחו מנגנונים המאפשרים להם לשמר את המים ברקמות, כגון, שורשים עמוקים, מיעוט עלים וגבעולים אוגרי מים.
באזורים החמים מאוד לא צומחת צמחייה רב-שנתית.
הצמחייה החד-שנתית פורחת ומאפשרת רבייה תקופה קצרה בשנה.
הצמחים מפתחים זרעים המסוגלים להיכנס לתרדמת למשך תקופה ארוכה.
גם בעלי חיים, יונקים וזוחלים מסגלים לעצמם יכולות של תרדמת קיץ על מנת לאפשר תנאי וויסות חום גוף בתנאים קשים.
בני אדם שינו דפוסים גלובליים של מגוון ביולוגי ותהליכים של מערכת אקולוגית.
כתוצאה מכך, צורות צמחייה שנחזו על ידי מערכות ביומה קונבנציונליות כבר לא ניתנות לצפייה על פני חלק גדול משטח האדמה של כדור הארץ, מכיוון שהן הוחלפו בשטחי חקלאות וגידול בעלי חיים, עיור, וייעור ושימושים שונים אחרים בקרקע כגון, כריית מכרות, שאיבת נפט וגאז..
ביומות אנתרופוגניות מאפשרות הסתכלות שונה על הביוספרה היבשתית המבוססת על דפוסים גלובליים של אינטראקציה אנושית ישירה ומתמשכת עם מערכות אקולוגיות, ביומות אנתרופוגניות מציעות דרך לזהות את הקשר הבלתי הפיך של מערכות אנושיות ואקולוגיות בקנה מידה עולמי ולנהל את הביוספרה והביומות האנתרופוגניות של כדור הארץ.
הביומות האנתרופוגניות מתחלקות לחמש קבוצות עיקריות:
הביומה האנדוליטית המורכבת כולו מיצורים מיקרוסקופיים המתקיימים בנקבוביות סלעים וסדקים, בעומק פני השטח לאורך קילומטרים, התגלתה רק לאחרונה, ואינה משתלבת ברוב תוכניות הסיווג.
השפעות שינויי אקלים על ביומות
לשינויי אקלים אנתרופוגניים יש פוטנציאל לשנות במידה רבה את התפלגות הביומות של כדור הארץ.
ביומות ברחבי העולם יכולות להשתנות כל כך עד שהן עלולות להיות להפוך לביומות חדשות לחלוטין.
מודלים כלליים של תדרים היו מרכיב יסוד בגילוי ההשפעה שיכולה להיות לשינוי האקלים על הביומות בעולם.
על פי תחזיות מדעיות 54%-22% משטח הקרקע העולמי יחוו אקלים התואם לביומות אחרות על פני כדור הארץ.
3.6% משטח הקרקע יחוו אקלים חדש לחלוטין או יוצא דופן.
הטמפרטורות הממוצעות עלו יותר מפי שניים מהעלייה הרגילה הן בביומה הארקטית והן בביומה ההררית,, עובדה המובילה למסקנה שהביומות הארקטיות וההרריות הן כיום הפגיעות ביותר לשינויי האקלים הנוכחיים.
שינויים אלה מבוססים על העובדה שסביבות קרות יותר נוטות להחזיר יותר קרני אור השמש, כתוצאה מהשלג והקרח המכסים את הקרקע.
מכיוון שהטמפרטורות הממוצעות השנתיות עולות, הקרח והשלג נמסים.
המסקנה המתקבלת מנתונים אלה היא כי חשוב לפקח על ערך האלבדו (הערך המבטא את מידת ההחזריות של קרני שמש ממשטח) ולפקח על ביומות יבשתיות הממלאות תפקיד מכריע בוויסות האקלים הגלובלי על פי תחזיות מדעיות, ביומות יבשתיות בדרום אמריקה צפויות לעבור את אותן מגמות טמפרטורה כמו ביומות ארקטיות והרריות.
לפי תחזיות אלה, כשהטמפרטורה הממוצעת השנתית שלהן תמשיך לעלות, הלחות שנמצאת כיום בביומות היער תתייבש.
בִּיּוֹלוֹגְיָה מוֹלֵקוּלָרִית (Molecular Biology) היא ענף מרכזי בביולוגיה, המתמקד בפעילויות ביולוגיות במישור המולקולרי, ובייחוד במבנה ושימור ה־DNA, תהליכי ביטוי גנים אשר כוללים שעתוק, תרגום, ועוד.
בבסיס הדיסציפלינה עומדת הַדּוֹגְמָה הַמֶּרְכָּזִית (The central Dogma) אשר נוסחה במקור על ידי זוכה פרס נובל פרנסיס קריק.
על פי הַדּוֹגְמָה, מידע ביולוגי ארוז ב-DNA, ואותו המידע "זורם" דרך RNA לתצורה פעילה – שהיא חלבון.
על פי הניסוח המקורי, ברגע שחלבון נוצר, הוא לא יכול להציג את המידע הגנטי המקורי.
הביולוגיה המולקולרית בכללותה חוקרת את הַדּוֹגְמָה הַמֶּרְכָּזִית, ובפירוט היא עוסקת בין היתר במנגנוני שימור ה-DNA, בתהליך השעתוק של RNA מ־DNA, בתרגום חלבונים על סמך RNA, ובאינטראקציות השונות של מרכיבי המערכת.
תחום זה מכיל כלי מחקר טכניים רבים, גבולותיו אינם מוגדרים היטב והוא חופף בחלקו לתחומים אחרים בביולוגיה, בעיקר גנטיקה וביוכימיה.
בעוד שהביולוגיה המולקולרית ממוקדת בקשרי הגומלין בין המערכות השונות של התא, כולל קשרים בין DNA, RNA והסינתזה של החלבונים, הביוכימיה עוסקת באופן מיוחד באינטראקציית חלבון-חלבון ובזרימת מידע על ידי מסלולים מטבוליים.
גנטיקה עוסקת באופן מיוחד, כמו גם הביולוגיה המולקולרית, ב-DNA.
עם זאת, הגנטיקה מציגה זרימת מידע גנטי בקנה מידה של דורות, לעומת הביולוגיה המולקולרית אשר עוסקת בגנום של אורגניזם בודד.
ויליאם אסטבורי, מאבות התחום, תיאר ב-1961 בכתב העת Nature את הביולוגיה המולקולרית כך:
התחום נוסד בשנות השלושים של המאה ה-20, והמושג "ביולוגיה מולקולרית" נטבע בידי וורן ויבר ב-1938. ויבר היה מנהל מחלקת מדעי הטבע במכון רוקפלר, והוא חשב כי הביולוגיה צפויה לעבור שינוי משמעותי בעקבות התקדמות משמעותית בתחום הקריסטלוגרפיה.
לפיכך הוא העביר תקציבים רבים לתחומים הביולוגיים.
בתחילת המאה ה-20 התפרסמו כתביו של גרגור מנדל, ועקרונות התורשה הבסיסיים נעשו ידועים.
בשלב זה כבר הבינו כי תכונות תלויות ב'גנים', אך עוד לא היה ברור מה הם בדיוק אותם גנים, וכיצד הם משפיעים על תכונות מסוימות.
היה ידוע בשלב זה כי תאים מכילים חלבונים, סוכרים, שומנים, DNA ו-RNA.
כמו כן, נראה היה כי חלבונים מציגים את השונות הגדולה ביותר מבחינה תפקודית, והם מסוגלים לפעול כאנזימים אשר מתווכים פעילויות תאיות, לכן בשלב זה סברו כי הגנים מורכבים מחלבונים פעילים.
הראשון להציג את הקשר בין גנים לחלבונים היה רופא בריטי בשם ארצ'יבלד גארוד.
ד"ר גארוד טיפל בחולים אשר סבלו ממחלה לא-קטלנית בשם אלקפטונאוריאה, אשר צובעת את השתן בשחור.
הצבע השחור נוצר עקב המולקולה אלקפטון (Alkapton), שבחולים אלו איננה מתפרקת לתוצר חסר צבע.
גארוד הציע כי הסיבה למחלה הוא אנזים מפרק-אלקפטון פגום מלידה, כלומר, הוא הציע כי בקרב החולים ישנו חלבון ספציפי שאינו מבצע את תפקידו.
כמו כן, גארוד שם לב כי המחלה עוברת בהורשה רצסיבית על פי הסבריו של מנדל, וכך התפרסמה ההצעה הראשונה הקושרת בין גנים לבין חלבונים.
ב-1940 ג'ורג' וולס בידל ואדוארד לורי טאטום הוכיחו למעלה מכל ספק את השערתו של גארוד, ובכך ביססו את הקשר בין גנים לחלבונים.
בניסויים שערכו, בהם עשו שימוש בשיטות הן מתחום הגנטיקה והן מתחום הביוכימיה, הם חשפו תאים לקרינה וכתוצאה מכך נוצרו חלבונים ספציפיים אשר היו תקולים לכל אורך חיי האורגניזם.
כך ניתן היה להסיק כי חלבונים נוצרים על סמך גנים, והגנים עצמם רגישים לקרינה.
בידל וטאטום טבעו את הסלוגן הידוע: "One gene – one enzyme".
כיום ידוע כי סלוגן זה איננו נכון.
עוד לא היה ברור ממה הגנים עצמם מורכבים, רק היה ידוע כי הגנים אחראים ליצירת חלבונים.
באופן מעניין, שני החוקרים החליפו את השימוש בזבוב הפירות דרוזופילה באורגניזם מודל מתאים יותר, הפטרייה החד תאית Neurospora; השימוש באורגניזמי מודל חדשים הפך למוטיב חוזר בהתפתחות הענף של ביולוגיה מולקולרית.
ב-1944 הראה אוסוולד אברי מאוניברסיטת רוקפלר כי גנים עשויים מ-DNA.
עבודתו לא התקבלה באופן גורף, ורק ב-1952 הוכיחו אלפרד הרשי ומרתה צ'ייס כי החומר התורשתי הוא אכן DNA (ולא חלבונים כפי שחשבו בשלב מוקדם יותר), בניסוי שנודע כניסוי הרשי-צ'ייס.
בניסוי זה הראו כי הדבקה של חיידקים מבקטריופאג' (נגיף הפוגע בחיידקים) היא על ידי DNA ולא על ידי חלבונים.
ב-1953 ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק פענחו את המבנה הדו גדילי של ה-DNA, בין היתר בהסתמך על תוצאות השתברות קרני ה-X במחקר שערכו רוזלינד פרנקלין, מוריס וילקינס, וריימונד גוסלינג.
ב-1958 ניסח קריק לראשונה את הַדּוֹגְמָה הַמֶּרְכָּזִית של הביולוגיה המולקולרית, לפיה מידע ביולוגי נשמר ב-DNA, והוא מתבטא כחלבון.
ברגע שנוצר החלבון, לא ניתן לנוע בחזרה למקור המידע.
ב-1961 הניחו פרנסואה ז'קוב וז'אק מונו כי קיים מתווך בין DNA לתוצר החלבוני, שלו קראו RNA שליח (mRNA).
כמו כן, במהלך שנות השישים נקבע הקשר בין המידע המצוי ב-DNA ולמבנה החלבונים: הקוד הגנטי, אשר נשמר כרצף נוקלאוטידים ב-DNA, מגדיר את סדר חומצות האמינו בחלבונים.
כל שלשה של נוקלאוטידים ב-DNA נקראת קודון, והיא מקודדת לחומצה אמינית אחת.
בתחילת שנות השישים הראו ז'קוב ומונו גם כי חלבונים מסוימים, חלבונים מווסתים, מבקרים את השעתוק של גנים ומשפיעים על ביטוים.
למעשה, עבודתם הבהירה כי ישנם מקבצים של גנים אשר מתבטאים יחדיו, ופעילותם קשורה זה בזה.
בשנת 1965 זכו ז'קוב, מונו ואנדרה לווף, המנהל של השניים במכון פסטר ושותפם לעבודה, בפרס נובל.
ב-1971 התגלה אנזים ההגבלה הראשון, HindII, גילוי שעליו זכו ב-1978 ורנר ארבר, דניאל נתנס והמילטון סמית' בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה.
אנזימי הגבלה הם כלי בסיסי וחיוני בתחום ההנדסה הגנטית, מכיוון שאנזימים אלו חותכים את ה-DNA באתרים ספציפיים.
מאז הופיעו להם חידושים רבים, והביולוגיה המולקולרית התבססה כאבן יסוד בכל המדעים הביולוגיים למיניהם.
ההתפתחות בתחום זה האיצה התקדמות בתחומי מחקר נוספים, כגון גנטיקה, אימונולוגיה, וירולוגיה, אמבריולוגיה וחקר הסרטן.
השימוש ב-DNA מאורגניזם אחד, והחדרתו לאורגניזם שני, שינתה את פני הכלכלה, בדגש על תעשיית המזון והפארמה.
המזון עבר הנדסה גנטית כך שיהיה פורה, מזין וטעים יותר.
נוצרו תרופות בקנה מידה המוני על ידי שימוש בפטריות, חיידקים ותאי כליה של עכברים.
למדנו לשבט בעלי חיים שלמים.
פותחו טיפולים רפואיים משתנים המתאימים את עצמם ל-DNA האישי של כל מטופל ומטופל.
כיום חיסונים נוצרים במהירות שיא, וניתן רק לדמיין לאן התחום ימשיך להתפתח.
מולקולות ה-DNA הן שרשראות ארוכות אשר מורכבות מאבני בניין פשוטות יחסית הנקראות "נוקלאוטידים" (Nucleotides), או "חומצות גרעין".
כל נוקלאוטיד בעצמו מורכב משלושה מרכיבים:
הבסיסים החנקניים הם מבנים טבעתיים על בסיס חנקן ופחמן.
ישנים בסיסים אשר בנויים מטבעת בודדה, וישנם אלו אשר מורכבים משתי טבעות המאוחות זו לזו.
הטבעות הבודדות נקראות פירימידינים (Pyrimidines), ואילו הטבעות הכפולות נקראות פורינים (Purines).
מבין הפורינים הנפוצים ניתן למנות את אדנין (A) ואת גואנין (G).
מבין הפירימידנים הנפוצים ניתן למנות את ציטוזין (C), תימין (T) ואת אורציל (U).
הסוכר בנוקלאוטידים הוא פנטוז, כלומר, סוכר בעל חמישה פחמנים.
ארבעה מתוך חמשת הפחמנים הללו מעורבים בפעילויות חשובות למבנה ולתפקוד ה-DNA:
פחמן C'1 קושר את הבסיס החנקני.
בעגה המקצועית הקשר נקרא קשר N-גליקוזידי.
פחמן C'2 יכול לקשור, או לנתק, קבוצת הידרוקסיד (OH).
בנוכחות קבוצת ה-OH הסוכר נקרא ריבוז.
בהיעדר קבוצת ה-OH הזו הסוכר נקרא דה-אוקסי-ריבוז, וזהו ההבדל המהותי ביותר (אם כי לא היחיד) בין RNA לבין DNA.
פחמן C'3 משתתף בבניית שרשרת הנוקלאוטידים.
פחמן C'5 קושר קבוצות פוספט, כפי שניתן לראות בתמונה.
גם פחמן זה משתתף בבניית שרשרת הנוקלאוטידים יחד עם פחמן C'3. הקשרים שהם בונים יחדיו נקראים קשרים פוספו-די-אסטרים.
אף על פי שניתן לקשור מספר קבוצות פוספט, בשרשרת ה-DNA ישנה רק קבוצת פוספט בודדת.
קבוצות הפוספט טעונות במטען שלילי, ולכן ה-DNA (וכך גם ה-RNA) הם בעלי פעילות חשמלית.
תכונה זו מנוצלת הן על ידי התאים, ומסייעת לקיפול ה-DNA, אבל גם באופן מלאכותי במעבדות ובמרפאות.
לדוגמה, במהלך משבר ה-COVID-19, יוצרו באופן מלאכותי חיסונים על בסיס RNA על ידי החברות המסחריות פייזר ומודרנה.
ה-RNA, בהתאם לדוגמה המרכזית, מקודד לחלבון ויראלי אשר יזוהה על ידי מערכת החיסון.
ה-RNA עצמו טעון שלילית, ובשביל לשנע אותו, ולשמור עליו, הוא הוחדר לתוך מעטפת שומנית אשר מכילה גם חלקיקים טעונים חיובית.
מעטפת שכזו נקראת ליפופלקס (Lipoplex).
דוגמה נוספת לשימוש במטענים חיוביים לטובת אריזת נוקלאוטידים היא אריזת גנום ויראלי.
בווירוסים, הנוקלאוטידים ממוקמים בתוך קופסה חלבונית בשם קפסיד (Capsid).
פעמים רבות ישנם מטענים חיוביים בחלקו הפנימי של הקפסיד, כפי שניתן לראות למשל בווירוס ה-TMV.
חומצות הגרעין נקשרות זו לזו באופן סדרתי, כך שנוצרת שרשרת ארוכה של נוקלאוטידים.
הקשר נוצר על ידי קבוצות הסוכר והפוספט של הנוקלאוטידים.
פחמן C'3 קושר קבוצת פוספט, אשר מחוברת מבעוד מועד לפחמן C'5 של הנוקלאוטיד הבא בשרשרת, כפי שניתן לראות בציור.
ה-DNA לא נותר חד-גדילי בתאים חיים, אלא הוא נמצא בתצורה דו-גדילי.
הגדילים קשורים זה לזה בעזרת קשרי מימן.
באופן שגרתי, פורין בגדיל אחד יקשור בקשרי מימן פירימידין בגדיל המשלים, ולהפך.
על פי רוב הפורין A קושר את הפירימידין T, ואילו הפורין G קושר את הפירימידין C.
ב-RNA, הפורין A קושר את הפירימידין U במקום הפירימידין T.
עובדה זו לפיה ישנם זוגות קבועים – G:C ו-A:T אמנם נפוצה, אך לא אבסולוטית.
לעיתים פגמים ב-DNA מובילים לקשרים לא-שגרתיים בין בסיסי הגנום.
זוגות בסיסים אלו נקראים גם 'זוגות בסיסים ווטסון-קריק', על שם מפצחי מבנה ה-DNA: פרנסיס קריק וג'יימס ווטסון.
מולקולות ה-RNA הן דומות באופן תהומי למולקולות ה-DNA.
עם זאת, ישנם שלושה הבדלים מרכזיים בין DNA לבין RNA:
מספר הגדילים – על פי רוב, DNA הוא מבני דו-גדילי, ואילו RNA הוא מבנה חד-גדילי.
שייר הסוכר – ב-DNA ישנו דאוקסיריבוז, ואילו ב-RNA ישנו ריבוז.
בסיסים חנקניים – כאמור, ב-DNA ישנו פירימידין בשם טימין (T).
ב-RNA פירימידין זה מוחלף באופן מושלם על ידי הפירימידין אורציל (U).
יתרה מכך, בסיסים רבים ב-RNA הם מותמרים (בעוד שישנן מעט התמרות על גבי ה-DNA), מה שמוליד בסיסים חנקניים נוספים מלבד ארבעת הבסיסים הנפוצים (A, G, C, U).
בין הבסיסים המיוחדים ניתן למנות את I, rT, Ψ, D ועוד.
ה-RNA היא מולקולה גמישה למדי, אשר מסוגלת ליצור מגוון רחב של מבנים תלת־ממדיים.
עם זאת, יציבותה של מולקולה זו היא נמוכה.
מולקולת ה-RNA נוטה להתפרק בתהליך של אוטו-הידרוליזה.
המנגנון לפירוק זה נובע מדה-פרוטונציה ספונטנית של 2'-OH, ובעקבות זאת תקיפה נוקלאופילית של הפוספט על ידי יון האוקסיד.
בתאים חיים, ה-RNA מיוצב על ידי חלבונים, מה שמאריך את אורך חייו.
כל תא אנושי מכיל כ-2 מטרים של גדילי DNA.
עם זאת, קוטר תא אנושי ממוצע עומד על כ-15 מיקרון.
כיצד ניתן לגשר על הפער בין אורך הגנום, לבין קוטר התא?
ראשית כל, ה-DNA הדו-גדילי נארז על גבי מבנים חלבוניים הנקראים היסטונים.
ישנם היסטוני ליבה, אשר מורכבים משמונה חלבונים – H2A, H2B, H3 ו-H4 (ישנם שני עותקים לכל חלבון).
בנוסף לכך ישנו חלבון היסטוני נוסף בשם H1, אשר תפקידו הוא לארוז מקבצי היסטוני ליבה.
חלבוני ארכיטקטורה גבוהים כגון SMC, שאינם היסטונים, מסוגלים לקפל עוד יותר את ה-DNA יחד עם ההיסטונים הצמודים אליו.
מכלול ה-DNA וחלבוני האריזה השונים נקרא כרומטין.
בהתאם לצורך, ניתן לווסת את קומפקטיות אריזת הכרומטין.
כאשר התא מעוניין להשתמש במקטעים מסוימים מן הגנום, אתרים אלו יוותרו פתוחים.
לעומת זאת, אחת הדרכים בה התא מסוגל להשתיק גנים היא על ידי קיפול דחוס במיוחד של הגנום, כך שמקטע זה לא יהיה נגיש לשאר חלבוני התא.
בעת חלוקת התא, ה-DNA נמצא בתצורתו הקומפקטית ביותר.
בכל הווירוסים, ישנה מגבלה חריפה על "כלכלת המידע" ואריזת הגנום.
הכוונה ב"כלכלת המידע" היא שהמידע המקודד בגנום הוויראלי צריך להכיל את כל החלבונים הדרושים לקיום הויריון.
באופן מפתיע, דרישה זו איננה טריוויאלית כלל וכלל, והתפתחו מנגנונים רבים למען מעקף מגבלה זו.
נניח כי לפנינו גנום ויראלי פשוט וקטן במיוחד, אשר מכיל 5,000 נוקלאוטידים (5kb).
כל שלושה נוקלאוטידים מקודדים לחומצה אמינית אחת, ולכן גנום זה מסוגל לקודד כ-1,666 חומצות אמינו, אם הגנום נקרא ברציפות מתחילתו ועד סופו.
בתצורתו הדחוסה ביותר, גנום זה יתפוס צורה כדורית בקוטר 90Å.
הגנום הוויראלי איננו צף חופשי במרחב, אלא הוא מוגן במעטפת חלבונית אשר נקראת קפסיד.
עובי ממוצע של קפסיד עומד על כ-30Å.
על מנת ליצור מעטפת חלבונית בעובי שכזה, שתוכל גם להכיל את הגנום הוויראלי המדובר, יש צורך בכ-25,000 חומצות אמינו.
כיצד ניתן להשתמש ב-1,666 חומצות אמינו, על מנת לייצר מעטפת המורכבת מ-25,000 חומצות אמינו?
בעיה זו נפתרת באופן חלקי על ידי שימוש ביחידות חוזרניות באופן רפטטיבי, לרוב כ-60 יחידות חוזרניות.
לכן זה לא מפתיע כי מרבית הקפסידים הם סימטריים.
עם הזמן, וירוסים פיתחו מנגנוני אריזה משוכללים ומפתיעים במיוחד.
מנגנונים אלו כוללים גם פעילויות הקשורות למבנה הקפסיד, אך גם לקומפקטיות גדילי ה-DNA או ה-RNA של אותו ויריון (הכוונה ויריון היא וירוס בוגר אשר מסוגל להדביק).
ישנם אף וירוסים בהם המטען הגנטי דחוס באופן דומה לקריסטלים אשר מיוצרים באופן סינתטי במעבדה.
כאמור, כל המידע הגנטי שמור ב-DNA.
על מנת שמידע זה יועבר לדורות הבאים, יש להפיק העתקים של מידע זה.
לאחר שכפול ה-DNA, עותק אחד יוותר מאחור, ואילו עותק חדש יועבר הלאה לדור הבא.
החלבון המרכזי אשר אחראי על ביצוע השכפול נקרא DNA פולימראז.
חלבון זה הוא מכונה מולקולרית מורכבת, אשר מורכבת ממספר תת-יחידות.
קומפלקס זה פועל על גבי DNA חד-גדילי, אשר על פיו נוצר הגדיל המשלים.
תוך כדי השכפול, הגדיל המשלים נקשר לגדיל התבנית, וכך מתקבל DNA דו-גדילי.
ל-DNA פולימראז ישנה מגבלה חריפה, והיא היעדר יכולת סינתזה דה-נובו (סינתזה יש מאין).
פעולתו של החלבון היא למעשה הארכת גדיל DNA חד-גדילי.
לכן, מלבד DNA חד-גדילי אשר מהווה כתבנית, על מנת שיתבצע שכפול יש לצרף למערכת גם רצפים קצרים של DNA, או RNA, אותם ה-DNA פולימראז יוכל להאריך לכדי הגדיל המשלים.
רצפים קצרים אלו, אותם DNA פולימראז מאריך, נקראים פריימרים (או בעברית – תחלים).
במילים אחרות, שכפול DNA על ידי DNA פולימראז תלוי בגדיל תבנית (Template strand) ארוך, ובגדיל פריימר קצר (Primer strand).
חלבון הפולימראז מאריך את גדיל הפריימר בהתאם לגדיל התבנית.
מכיוון ש-DNA הוא מבנה דו-גדילי, כיצד נוצרים הגדילים החד-גדיליים עליהם DNA פולימראז מסוגל לפעול?
ראשית כל, גדיל התבנית נוצר על ידי פעילותם של שני חלבונים:
חלבוני האיניציאציה מבצעים את ההפרדה הראשונית שבין שני גדילי ה-DNA.
דוגמאות לחלבונים ממשפחה זו כוללים את DnaA הפרוקריוטי, ואת ה-ORC האאוקריוטי.
מבנים אלו מפרידים את שני גדילי ה-DNA באזור מוגדר.
לאחר מכן ההליקאז מתחבר לאחד הגדילים, ותפקידו הוא לשבור את קשרי המימן אשר מרכיבים את ההליקס הדו-גדילי.
בחירת הגדיל עליו ההליקאז נטען תלויה באורגניזם.
פעילותו של DNA פולימראז מצומדת לפעילותו של ההליקאז.
לעומת גדיל התבנית, גדילי הפריימר נוצרים על ידי חלבון נפרד אשר נקרא פרימאז.
חלבון זה מייצר מקטעים חד-גדיליים קצרים, אותם הפולימראז מאריך.
באופן מפתיע, אותם פריימרים מורכבים מ-RNA, ולא מ-DNA.
בהמשך פריימרים אלו יחתכו ויוחלפו לכדי מקטעי DNA.
כפי שניתן להבין, מדובר בתהליך מורכב להפליא, אשר תיארנו רק חלק קטן מתוכו.
חלבונים נוספים אשר לוקחים חלק בביצוע השכפול הם: טופואיזומראז, SSB, ליגאז ועוד רבים.
מכלול החלבונים אשר פועלים יחדיו לשכפול ה-DNA נקראים ה"רפליזום".
כפי שצוין לפני כן, ה-DNA הוא מבנה דו-גדילי, כאשר כל גדיל הוא רצף של נוקלאוטידים המחוברים זה לזה בקשרים קוולנטיים פוספודיאסטריים.
שני הגדילים מזווגים באמצעות בקשרי מימן, בחוקיות שנקראת כיום 'קשרי ווטסון-קריק'.
הקשרים הפוספודיאסטריים הם בעלי כיווניות, מכיוון שתהליך היצירה של קשר מסוג זה מחייב אינטראקציה בין ההידרוקסיד בפחמן C'3, לבין קבוצת הפוספט בעמדה אלפא של פחמן C'5 על גבי הנוקלאוטיד הבא.
לכן, בכל גדיל בודד של DNA, קצה אחד יציג קצה C'5, ואילו הקצה השני יציג קצה C'3. הכיווניות הזו נקראת 5' ל-3'.
הקצה ה-5' נחשב במעלה הזרם, או Upstream, ואילו הקצה ה-3' נחשב במורד הזרם, או Downstream.
בעת השכפול, ה-DNA פולימראז קורא במקביל את שני הגדילים בו זמנית, אף על פי שהם ממוקמים באוריינטציה הפוכה זו לזו.
אחד הגדילים נקרא על ידי הפולימראז מ-5' ל-3', ואילו הגדיל השני נקרא מ-3' ל-5'.
גדילי הבת שנוצרים מסוגלים להיווצר אך ורק בכיווניות 5' ל-3'.
איך אם כן מסנתז הפולימראז גדילי DNA מ-3' ל-5'?
שאלה זו תעתעה בחוקרים רבים בתחום הביולוגיה המולקולרית במשך זמן ממושך.
מסתבר אפוא כי הגדיל אשר נקרא מ-5' ל-3' (שמהווה בתורו תבנית לגדיל מ-3' ל-5' – אך מבנה זה איננו אפשרי) מתקפל על עצמו, ויוצר לולאה.
גדיל הבת אשר מסונתז, גדל לתוך הלולאה.
נוסף על כך, גדיל זה מסונתז במקטעים, אשר נקראים מקטעי אוקאזקי.
כאשר מקטע אוקאזקי מסונתז בשלמותו, הלולאה מתכווצת, ומתחילה הסינתזה של המקטע הבא.
השינוי המחזורי בגודל הלולאה קיבל את השם האל-מותי "מודל הטרומבו".
כך מסונתזים שני הגדילים בו זמנית, ובאותו הכיוון.
הגדיל הנקרא מ-3' ל-5' מאפשר סינתזה של גדיל בת מ-5' ל-3', ולכן מסונתז באופן המשכי, ללא מקטעי אוקאזקי.
גדיל זה נקרא 'הגדיל המתמשך' (Leading strand), ואילו הגדיל השני, המסונתז באופן מקוטע, נקרא 'הגדיל המפגר' (Lagging Strand).
ביצורים רב תאיים, כל התאים מכילים את אותו הגנום – DNA.
מה, אם כן, מבדיל בין תא השייך לעין, או ללב, לכבד, או לשחלה?
יתרה מכך, כיצד תאים, גם במיקרואורגניזמים, מגיבים לתנאי סביבה משתנים?
אף על פי שה-DNA מכיל גנים רבים, על פי רוב רק מקצת מן הגנים מגיעים לידי ביטוי חלבוני.
תאים שונים, גם אם הם מכילים את אותו הגנום, מבטאים גנים שונים.
זוהי סוגיה מרכזית ומהותית המובילה להבדלים בין התאים השונים בגוף.
תא בודד עשוי להגיב לגירוי חיצוני באמצעות שינוי פרופיל הגנים אשר בא לידי ביטוי.
ביטוי גנים, או בלועזית – gene expression – הוא מכלול של פעולות, אשר בסופן נוצרת מולקולה פעילה על בסיס DNA, אך שהיא איננה DNA בעצמה.
על פי רוב, הכוונה במונח זה היא ביטוי ברמת חלבון, אך ישנם גנים רבים אשר מייצרים מולקולות RNA אפקטוריות.
על מנת שגנים יתבטאו, ראשית יש צורך ביצירת מולקולת RNA על בסיס מולקולת ה-DNA.
תהליך זה נקרא שעתוק, או transcription.
מקצת מן ה-RNA, אשר לו תכונות ייחודיות, מאפשר לייצר חלבונים על סמך רצף הנוקלאוטידים שלו.
ל-RNA אשר מהווה תבנית ליצירת חלבון אנו קוראים mRNA, ולתהליך ההמרה משפת הנוקלאוטידים, לשפת חומצות האמינו – אנו קוראים תרגום (translation).
בדומה לשכפול, החלבון המרכזי אשר מבצע את השעתוק הוא פולימראז, אך הפעם מדובר בקומפלקס חלבוני בשם RNA פולימראז.
בפרוקריוטים ישנו, לרוב, RNA פולימראז בודד, ואילו באאוקריוטים ישנם שלושה סוגים שונים.
החלבון RNA פולימראז II מהווה הפולימראז המרכזי, והוא גם זה שאחראי על יצירת mRNA.
מכיוון שתעתיקי ה-RNA מהווים את חלק הארי של ביטוי גנים, ישנו תהליך בקרה הדוק, מורכב ומגוון על השעתוק בכללותו.
הנקודה הרגישה ביותר בתהליך הבקרה היא תחילת השעתוק.
על מנת שקומפלקס ה-RNA פולימראז יקשור את ה-DNA ויחל בסינתזת RNA, יש צורך בחלבונים מתווכים.
באאוקריוטים, חלבונים אלה נקראים פקטורי שעתוק, ואילו בפרוקריוטים הם נקראים גם פקטור סיגמא (σ factor).
פקטורי השעתוק קושרים מצד אחד את הפולימראז, ומן הצד השני את ה-DNA.
אתר הקישור של פקטורי השעתוק ל-DNA נקרא פרומוטר (promoter).
על פי רוב הפרומוטר ממוקם במעלה הזרם (5') לגן, אם כי ישנם גם פרומוטורים הממוקמים במורד הזרם לגן, אך במקרה כזה נוצרות לולאות ב-DNA.
לעיתים קרובות, פקטורי השעתוק ממתינים בסביבת התא במצב בלתי-פעיל, אך בעת קבלת הסיגנל המתאים – ישופעלו כך שיאפשרו שעתוק של גנים ספציפיים.
בעוד שבשכפול DNA, ובשעתוק RNA, הרכיבים הקטליטיים החשובים ביותר הם חלבונים – בתרגום חלבונים, הרכיב הקטליטי החשוב ביותר הוא הריבוזום.
הריבוזום הוא גופיף RNA המורכב משתי תת-יחידות, אחת קטנה ואחת גדולה.
ישנם גם חלבונים המסייעים לפעילות הריבוזום, אך אלו חלבונים לא-קטליטיים.
תהליך השעתוק מייצר מולקולות רבות של RNA, וביניהן rRNA (אשר מרכיב את הריבוזום), tRNA (אשר קושר חומצות אמינו), RNAi (שמווסת ביטוי גנים), tmRNA (שמחלץ ריבוזום שנתקע במהלך התרגום) ועוד רבים.
נוסף על כל אלו, ישנה מולקולת RNA ייחודית בשם (mRNA (messenger RNA.
מולקולה זו מסוגלת להיקשר לתת-היחידה הקטנה של הריבוזום, ועל פיה יתרחש תהליך התרגום.
לאחר האינטראקציה בין ה-mRNA לתת-היחידה הקטנה, תתחבר גם התת-היחידה הגדולה.
במילים אחרות, הריבוזום מושלם במלואו רק לאחר קליטת ה-mRNA.
תפקידה של התת-היחידה הקטנה הוא לקלוט את ה-mRNA, ולקרוא אותו.
לעומתה, התת-היחידה הגדולה אחראית לבניית החלבון.
התת-היחידה הגדולה מבצעת את תפקידה על ידי קישור tRNA, מולקולות RNA אשר נושאות חומצות אמינו.
עד כה תיארנו אינטראקציה בין:
כיצד הריבוזום מתווך נכונה קישור בין tRNA מתאים לכל נקודה ונקודה ב-mRNA?
התשובה לכך נעוצה באינטראקציה נוספת – בין ה-mRNA לבין ה-tRNA.
כל שלשת נוקלאוטידים ב-mRNA נקראת קודון, ואילו על גבי ה-tRNA ישנן שלשות קומפלמנטריות על גבי הנקראות אנטי-קודון.
כאשר מתרחש זיווג בסיסים מתאים בין הקודון לאנטי-קודון, החומצה האמינית תתנתק מן ה-tRNA ותתווסף לפפטיד הצומח.
לאחר כל צימוד mRNA-tRNA, הריבוזום יתקדם קודון נוסף במורד הזרם (5' ל-3'), כך שהקודון הבא ייקרא על ידי tRNA חדש.
בתום תהליך התרגום ה-mRNA מתנתק מן הריבוזום, אשר בתורו מתפרק למרכיביו.
היחס למדעים ביולוגיים מולקולריים אחרים
חוקרים בביולוגיה מולקולרית משתמשים בטכניקות מסוימות, השייכות למדע זה דווקא, אך כבר מראשית הדרך היה שימוש אינטנסיבי וקריטי בטכניקות וברעיונות מפיזיקה, גנטיקה, ביוכימיה וביופיזיקה.
אין קו ברור שמבדיל בין דיסציפלינות אלה, כפי שהיה בעבר.
באופן סכמטי, ניתן להבין את ההבדלים בין התחומים כך:
ביוכימיה היא המחקר של החומרים והתהליכים שקורים בתוך יצורים חיים.
גנטיקה היא המחקר של ההשפעה של הבדלים גנטיים על אורגניזמים.
לעיתים ניתן למצוא את הגן היחיד שגורם להשפעות אלה, אך לפעמים העניין מסובך יותר.
ביולוגיה מולקולרית היא המחקר של היסודות המולקולריים של התהליכים של שכפול, שעתוק ותרגום של החומר התורשתי.
הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית היא שהחומר הגנטי מועתק ל-RNA ומשם מתורגם לחלבון.
על אף שזוהי תמונה פשטנית ביותר של הביולוגיה המולקולרית, זו נקודת התחלה טובה להבנת התחום.
בזמן האחרון חוקרים מגלים תפקידים חדשים ל-RNA, שעשויים לשנות את ההבנה הזו.
הרבה מהעבודה הנעשית בביולוגיה מולקולרית היא כמותית, ובתקופה האחרונה חלק גדול מהמחקר נעשה בשיתוף של מדעי המחשב, בתחומי הביואינפורמטיקה.
מתחילת העשור, המחקר של מבנה ופונקציית הגן, גנטיקה מולקולרית, היה תת-התחום החשוב ביותר בביולוגיה מולקולרית.
יש גם מסורת רבת שנים של מחקר של ביומולקולות בתחום הביופיזיקה.
מאז שנות החמישים המאוחרות, ביולוגים מולקולריים למדו לאפיין, לבודד ולתפעל את המרכיבים המולקולריים של תאים ואורגניזמים.
מרכיבים אלו כוללים את ה-DNA, ה"מחסן" של המידע הגנטי, וה-RNA, מולקולה הדומה ל-DNA, הפועלת כעותק של ה-DNA, וכן יש לה פונקציות מבניות ואנזימטיות ממשיות, וכן חלק בתהליך התרגום; וחלבונים, המולקולה המבנית והאנזימטית העיקרית בתא.
אחת מהטכניקות הבסיסיות ביותר בביולוגיה מולקולרית, המשמשת למחקר של פונקציה של חלבונים, היא Expression Cloning.
בטכניקה זו, הקוד ב-DNA עבור חלבון מסוים מועתק (בעזרת אנזימים שונים) לפלסמיד (הידוע כ-Expression Vector).
לפלסמיד זה עשויים להיות אלמנטים מיוחדים, שעוזרים לייצור החלבון המסוים הזה, וכן עשויים להיות לו סמנים אנטיביוטיים, שעוזרים לעקוב אחרי הפלסמיד.
את הפלסמיד הזה אפשר להחדיר לתאים של חיידקים או של חיות.
הכנסה של ה-DNA לתאי חיידקים נקראת טרנספורמציה, וניתן לבצעה בכמה שיטות, כולל אלקטרופורציה, מיקרו-הזרקה ובאופן כימי.
הכנסה של DNA לתאים אוקריוטיים, כמו תאי חיות, קרויה טרנספקציה.
יש כמה טכניקות אפשריות לעשות זאת.
ניתן גם להחדיר את ה-DNA בעזרת נגיפים כנושאי ה-DNA.
במקרים כאלה, הטכניקה נקראת טרנסדוקציה ויראלית.
בכל מקרה, הקידוד של ה-DNA עבור החלבון המסוים שאנו מעוניינים בו נמצא עכשיו בתוך התא, וניתן לייצר את החלבון.
מגוון שיטות קיימות על מנת להבטיח את ייצור החלבון בכמויות גדולות, ואז ניתן להפיק את החלבון מהתא.
ניתן לבדוק את החלבון לפעילות אנזימית תחת מגוון סיטואציות, או שאפשר לגבש את החלבון על מנת שניתן יהיה לבדוק את המבנה הרביעוני שלו.
בתעשיית התרופות, ניתן לבדוק את התועלת של תרופות חדשות כנגד החלבון הזה.
תגובת שרשרת פולימראזית (PCR) היא טכניקה רב תכליתית לשכפול DNA.
באופן כללי, PCR מאפשר לשכפל מקטע DNA מסוים מיליוני פעמים, או לשנות אותו בצורה שנקבעה מראש.
לדוגמה, ניתן להשתמש ב-PCR על מנת ליצור אתרים לאנזימי הגבלה, או על מנת לגרום למוטציה בבסיסים מסוימים ב-DNA.
אלקטרופורזה בג'ל היא אחד המכשירים העיקריים של הביולוגיה המולקולרית.
העיקרון הבסיסי כאן הוא שאת ה-DNA, ה-RNA, והחלבונים ניתן להפריד בעזרת שדה חשמלי.
על ידי ג'לים שונים, ניתן להפריד את המולקולות על פי גודלן, או על פי המטען החשמלי שלהן, כשבדרך כלל ה-DNA שטעון שלילית ירוץ בג'ל לקצה החיובי וכך יופרד בבנדים על פי גודל.
ניתן ליצור נוגדנים לרוב החלבונים על ידי הזרקת כמויות קטנות של החלבון לתוך חיות כמו עכבר, ארנב, כבש, סוס או חמור.
בנוגדנים אלה ניתן להשתמש במגוון שיטות.
בעמודת גודל, החלבונים מופרדים לפי גודלם, בתוך ג'ל שנמצא בין שני לוחות זכוכית.
החלבונים בג'ל מועברים לאחר מכן לקרום תומך כלשהו.
לקרום ניתן להחדיר מיהולים של נוגדנים.
ניתן לצפות בנוגדנים שנקשרים לחלבון שאנו מעוניינים בו במגוון שיטות, כגון זהירה כימית או רדיואקטיביות.
שימוש נוסף של נוגדנים הוא טיהור חלבונים.
נוגדנים לחלבון מסוים מיוצרים ואז מחוברים ל"חרוזים".
לאחר שהנוגדן יתחבר לחלבון, ניתן להפריד את קבוצת הנוגדן-חלבון באמצעות צנטריפוגה.
בתהליך הסרכוז, החרוזים, יחד עם הנוגדנים, ייפרדו משאר התמיסה וכתוצאה מכך יצטרפו אליהם גם החלבונים.
אפשרות אחרת היא לחבר את החלבונים לחרוזים שמתרכבים לתווך תומך כלשהו, ואז לשטוף מהתמיסה את שאר החלבונים, כך שרק אלה שמקושרים לחרוזים יישארו.
אחר כך מוציאים את החלבון מהתווך, בדרך כלל בעזרת הוספת תמיסה בעלת ריכוז מלח גבוה, או על ידי שינוי של ה-pH של התמיסה.
מוטגנזה מכוונת היא טכניקה שבה מוטציה נגרמת באתר מוגדר במולקולת DNA.
ספריית הפחתה היא שיטה בביולוגיה מולקולרית בה ניתן לבחון 'עלייה' או 'ירידה' (תלוי לאיזה כיוון עושים אותה) של גנים ספציפיים כתגובה לשינוי מסוים כגון: טמפרטורה, חומרים שונים, ותנאי סביבה קיצוניים.
ביומינרליזציה הוא תהליך של יצירת מינרל על ידי אורגניזם, המינרל שנוצר על ידי האורגניזם נקרא ביומינרל.
כיום, ידועים כמעט 70 מינרלים הנוצרים בתהליך זה, בו אורגניזמים הופכים יונים בתמיסה למינרלים מוצקים.
מינרלים אלו מקבלים צורות מורכבות המוכתבות גנטית, והם ממלאים תפקידים רבים כגון בניית שלד חיצוני ושלד פנימי והקשייתו (חוזק, תמיכה), ניווט והתמצאות בשדה המגנטי ובשדה הכובד של כדור הארץ, אחסון זמני של יונים, וסילוק פסולת מהאורגניזם.
מערכות הרקמות הקשות שכוללות את העצמות, השיניים והקונכיות הן הדוגמאות הבולטות ביותר בהן נעשה שימוש בתוצרי ביומינרליזציה.
מערכות אלו הן בעלות תכונות מכניות יוצאות דופן.
מינרלים המכילים יוני סידן הם הנפוצים ביותר בטבע, ובהם נמנים מינרלים העשויים מפחמת הסידן.
הביולוגיה המבנית היא תחום בביולוגיה אשר עוסק בחקר המבנה של מקרומולקולות – חלבונים וחומצות גרעין.
מעבר למציאת המבנה עצמו, חוקרי הביולוגיה המבנית מנסים להבין את המנגנון אשר גורם לקיפול של המקרומולקולות בתא החי.
הנושא הוא בעל חשיבות רבה, שכן המקרומולקולות מבצעות את רוב התפקידים בתא, ותפקודן משתבש גם בעקבות שינויים קלים במבנה התלת-ממדי של המולקולה.
בעוד שקביעת רצף ה־DNA או רצף החלבון הן משימות פשוטות יחסית בטכנולוגיה של ימינו, קביעת המבנה התלת-ממדי המדויק של החלבונים ובמיוחד של חומצות הגרעין נותרו משימות קשות המצויות בחזית המדע.
בניגוד לביוכימיה, הביולוגיה המבנית אינה עוסקת באספקטים הקינטיים של התגובות הכימיות שבהן משתתפת המולקולה, אלא רק במבנה האתרים אשר מבצעים תגובות אלה.
בביוכימיה נהוג לחלק את מבנה המקרומולקולות ל-4 מבנים היררכיים:
מבנה ראשוני רצף החלבון, ה-DNA או ה-RNA.
מבנה זה הוא תוצאה ישירה של תהליכי השעתוק (עבור RNA) והתרגום (עבור חלבונים) בתא.
ניתן לדמות מבנה זה למבנה שהיה מתקבל אילו היינו פורסים את המקרומולקולה למבנה קווי ובוחנים את הרכב אבני הבניין שמהן היא מורכבת.
מבנה שניוני בחלבונים ישנן מספר יחידות מבניות בסיסיות אשר מרכיבות את החלבון, בעיקר סלילי אלפא (Alpha Helix), משטחי בטא (Beta Sheet) ומקטעים ללא מבנה קבוע (Random coil).
כל יחידה כזו נקראת מבנה שניוני והיא מאופיינת בסדר וגודל מסוים.
במקרומולקולה נתונה יכולים להופיע מבנים שניוניים שונים.
מבנה שלישוני המבנה התלת-ממדי המתקבל לאחר קיפול שרשרת אחת של המקרומולקולה.
ניתן לחלק את המבנה השלישוני למתחמים.
מבנה רביעוני המבנה התלת־ממדי הסופי של החלבון או חומצת הגרעין.
אם המקרומולקולה מורכבת ממספר שרשראות זוהי ההרכבה (סופרפוזיציה) של המבנים השלישוניים זה על זה.
מציאת המבנה השלישוני והרביעוני של המקרומולקולות
חלבונים וחומצות הגרעין קטנים מכדי שאפשר יהיה לבחון אותם אפילו דרך מיקרוסקופ האור המשוכלל ביותר, ולכן בחינה פיזית של המבנה שלהם מתבצעת בדרך כלל על ידי גבישים המכילים אלפי מקרומולקולות.
השיטות הקיימות לבחינה פיזית של המבנה הן:
קריסטלוגרפיה – שימוש בפיזור קרני הרנטגן אשר מועברת דרך הגביש למציאת מיקומי האטומים במולקולה.
NMR – מדידת השדה האלקטרומגנטי הנוצר על ידי האלקטרונים במולקולה.
מיקרוסקופ אלקטרונים – שימוש באלקטרונים במקום באור על-מנת לקבל תמונה של המקרומולקולה.
שיטה זו אינה מסוגלת להפיק רזולוציה טובה מספיק לקבלת מלוא המבנה התלת־ממדי.
החסרון בשימוש בשיטות הנ"ל הוא הצורך בקיבוע המקרומוקולות בתוך מבנה כגון גביש, דבר שמעלה את החשש שהמבנה המתקבל יהיה שונה מזה שבו החלבון מצוי בתא.
הבעיה מתחדדת כאשר מדובר על חלבונים ממברנליים – חלבונים שבמצבם הרגיל בתא נמצאים על גבי קרום התא.
חלבונים אלה אינם ניתנים לגיבוש ולכן עד היום ידועים רק מבנים ספורים של חלבונים אלה וקיימות מחלוקות רבות לגבי נכונותם.
על מנת להתגבר על בעיות אלה ואחרות בביולוגיה מבנית קיים שימוש רב בכלים של הביואינפורמטיקה לצורכי חיזוי מבנה החלבון.
שיטות אלה מנסות לחזות מבנה של חלבונים שהמבנה שלהם אינו ידוע באמצעות חישובים המשתמשים בידע המבני הקיים על חלבונים אחרים (Homology modeling) או באמצעות שימוש ברצף המקודד בלבד.
השיטות מנסות למצוא מקטעים מהרצף אשר מקודדים ליחידות מבניות מסוימות.
עבור חלבונים ממברנליים, נעשה פעמים רבות שימוש במידע על מידת ההידרופוביות של חומצות האמינו בחלבון, על מנת לחזות את מקטעי החלבון שבהם הוא חוצה את קרום התא.
ביולוגיה של התא (נקראת גם ביולוגיה תאית או צִיטוֹלוֹגְיָה) היא ענף בביולוגיה החוקר את המבנה, התפקוד וההתנהגות של תאים.
כל היצורים החיים עשויים מתאי.
תא הוא יחידת החיים הבסיסית שאחראית על חייהם ותפקודם של יצורים חיים.
ביולוגיה של התא היא חקר היחידות המבניות והתפקודיות של תאים.
ביולוגיה של התא מקיפה הן תאים פרוקריוטים והן תאים אוקריוטיים ויש לה תתי נושאים רבים כולל מטבוליזם, תקשורת תאים, מחזור התא, ביוכימיה והרכב התא.
מקור השם הלועזי של התחום, צִיטוֹלוֹגְיָה (cytology), ביוונית: קיטוֹס פירושו "סל, מכל" (ובהשאלה: תא); לוגיה (λογία) פירושו "תורה".
למרות היותם של התאים זעירים ובעלי תכולה ותוכן מוגבלים, עדיין לא צלח בידי הביולוגיה לזהות את מיליוני התרכובות השונות הממלאות תפקידים בתא ואת אלפי התהליכים השונים המתרחשים בו.
אפילו בתהליכים חשובים ומוכרים, כגון התפצלות התא (מיטוזה ומיוזה), התמיינות התאים ומותם המתוכנת (אפופטוזה), עדיין רב הנסתר על הנודע.
היות שכל היצורים החיים מורכבים מתאים, ביולוגיה של התא היא כיום אחד התחומים הבסיסיים ביותר בביולוגיה (כימיה אורגנית, ביוכימיה וביופיזיקה בסיסיים יותר, אך הללו משתייכים גם למדעים אחרים ולא רק לביולוגיה).
למרות שהתארים או המקצועות "ביולוג של התא" או "ציטולוג" נדירים למדי, הרי שחוקרים מתחומים ביולוגיה רבים עוסקים בפועל בחקר היבטים של תפקוד או מבנה תאים, באופן ישיר או עקיף.
עם זאת קיימים ביולוגים שעוסקים גם בתחומים אחרים – הנוגעים למערכות חיים בהיקפים גדולים יותר – לדוגמה חקר תפקוד של רקמות, מחקרי תפקוד של אורגניזם שלם, מחקר אבולוציוני, מחקרי אקולוגיה, וירולוגיה, אפידמיולוגיה, זואולוגיה ועוד.
ביולוגיה מערכתית (Systems biology או Systeomics) היא חקר קשרי הגומלין בין המרכיבים של מערכות ביולוגיות, וכיצד קשרי גומלין אלו גורמים לתפקוד ולהתנהגות של מערכת זו (לדוגמה האנזימים והמטבוליטים בתהליך מטבולי).
גישת הביולוגיה המערכתית מאופיינת על ידי מחזור של תאוריה, מידול חישובי וניסויים כדי לתאר באופן כמותי תהליכים תוך-תאיים או בין-תאיים.
היות שהמטרה היא מודל של כל קשרי-הגומלין במערכת, השיטות הניסיוניות המתאימות ביותר לביולוגיה מערכתית הן אלו שהן רחבות היקף ושלמות.
לכן משתמשים בגנומיקה (genomics), טרנסקריפטואומיקה (transcriptomics), מטאבולומיקה, (metabolomics), פרוטאומיקה (proteomics) ושיטות של תפוקה גבוהה כדי לאסוף מידע כמותי לשם בניית המודלים ואימותם.
ביומטריה (מיוונית: ביו=חיים, מטריה=מדידה), או ביוסטטיסטיקה, היא תחום מדעי רחב העוסק בפיתוח וביישום של שיטות כמותיות וסטטיסטיות בפתרון בעיות הקשורות בביולוגיה.
הביומטריה עוסקת בבעיות הקשורות ביצורים שונים (צמחים, בעלי חיים ובהם גם בני אדם) בתחומי מחקר ויישום שונים: חקלאות, אבולוציה, זיהוי וזיהוי פלילי, אקטואריה.
בין תחומי המשנה של הביומטריה:
ביומטריה אבולוציונית – ביומטריה ככלי מחקרי במדעי האבולוציה
זיהוי ביומטרי – ביומטריה כאמצעי זיהוי לאדם מסוים.
זיהוי זה מבוסס על חלקים בגוף האדם שמאפייניהם ייחודיים, כגון: רשתית העין, מבנה כף היד, טביעת אצבע, קול, וכו'
מדידת נתונים הקשורים באקטואריה, פנסיה וביטוח, כמו לוחות חיים, לוחות תחלואה, הסתברויות נשואין ועוד.
ביומטריה אבולוציונית (יוונית: ביו = חיים, מטריה = מדידה) היא התחום המדעי העוסק בהתפתחות החיים (בדרך של אבולוציה), דרך סמנים שהשאירו אורגניזמים עתיקים בקרקע, ודרך הגנוטיפ והפנוטיפ של המינים ששרדו.
היא מנסה לסווג ולמיין את עולם החי לפי מאפיינים חיצוניים - מאפייני העצמות והאיברים, סוגי הסימטריה באורגניזם וכדומה.
לכן מידת הדמיון בתכונה מסוימת אצל שני מינים יכול להעיד על מידת קרבתם האבולוציונית.
מאובנים מעניינים במיוחד הם חוליות ביניים - מאובני פרטים ממינים שזה עתה הפכו מוכרים למדע והמהווים הסבר לקשר בין מינים המוכרים זה מכבר.
לדוגמה: מדידות והשוואות של איברים הומולוגיים - איברים שווי מוצא אבולוציוני שאינם בהכרח שווים בתפקוד במינים השונים.
תורת הביומטריה המולקולרית נשענת על הביוכימיה של מערכת התורשה ומשוואה רצפי הגנים.
לפי תורת זו, בכל תהליך של שכפול DNA חלות טעויות אקראיות (מוטציות), שרובן נייטרליות (לנושא אותן אין יתרון או נחיתות על נושאי הרצף המקורי).
מאובנים חיים הם פרטים החיים כיום ושייכים למינים, סוגים וסדרות שנמצאות כבר מיליוני או אפילו מאות מיליוני שנים.
הם נקראים מאובנים חיים משום שהתפתחותם נעצרה ו"התאבנה".
הביומטריה מאפשרת לשרטט עצים אבולוציוניים שאורכי "הענפים" שלהם מייצגים את מידת השוני בין המינים, ציר ה-Y של המשטח עליו משורטט העץ הוא ציר הזמן וציר ה-X מייצג מידה כל שהיא של תכונה שלפיה מחושבת הקרבה בין המינים (למשל יעילות תעופה או יעילות נשימה).
ביומימטיקה או ביומימיקרי (מיוונית, הלחם המילים ביוס, βίος שמשמעותה חיים ומימטיקה μίμησις/μιμεîσθαι שמשמעותה חיקוי) היא ענף בעולם המדע המחקרי, בעיקר בתחומי הביולוגיה, כימיה והפיזיקה, החוקר את אופן פעילותו של הטבע על מנת לחקותו לצורך פתרון בעיה אנושית.
תהליכים אבולוציונים הובילו לפיתוח מנגנונים המאפשרים לצמחים ובעלי חיים להתאים את עצמם לסביבתם, לדוגמה מבנה גוף הציפור לתעופה, מבנה הקקטוס לאזור גידול יבש ומדברי.
פיתוח בהשראת אותם מנגנונים מהווה בסיס לתחום.
ההתפתחות הטכנולוגית מאפשרת למדל באופן ממוחשב את אותם מנגנונים ביולוגים כימיים ומכניים, כולל מבנים מיקרוסקופיים ומולקולריים.
ניתן למצוא במיתולוגיה היוונית את השימוש בביומימטיקה, בסיפורם של דדלוס ואיקרוס אשר נמלטו מהמגדל בו נכלאו בעזרת כנפי ציפור המדובקות בשעווה.
אחת מעבודות הביומימטיקה המתועדות המוקדמות ביותר היא עבודתו של לאונרדו דה וינצ'י על תעופה מלאכותית.
את המונח ביומימטיקה טבע המהנדס והביופיזיקאי האמריקאי אוטו שמידט במהלך שנות ה-50 של המאה ה-20. במהלך מחקר הדוקטורט שלו פיתח שמידט את "טריגר שמידט" על ידי חקר מערכת העצבים של דיונונים בניסיון לתכנן מכשיר שהעתיק את המערכת הביולוגית של התפשטות העצבים (nerve propagation).
שמידט המשיך להתמקד במכשירים המחקים את המערכות הטבעיות ועד 1957 הוא העלה דעה מנוגדת להשקפה המקובלת של הביופיזיקה באותו הזמן, השקפה שתיקרא "ביומימטיקה".
ב-1960 טבע ג'ק סטיל מבסיס חיל האוויר רייט-פטרסון בדייטון, אוהיו בו עבד גם אוטו שמידט, מונח דומה - ביוניקה.
סטיל הגדיר את המונח ביוניקה כמדע המערכות שתפקודן מועתק מהטבע או מערכות המייצגות תכונות של מערכות טבעיות.
בשנת 1969 המונח "ביומימטיקה" הובא לשימוש ככותרת לאחד ממאמריו של שמידט וב-1974 מצא המונח את דרכו למילון ובסטר.
ב-2006 ייסדו ג'נין בניוס ובריוני שוואן (Bryony Schwan) את "המכון לביומימיקרי" (The Biomimicry institute) להטמעת נושא הביומימטיקה במערכות חינוכיות ובתוכניות חינוך.
ב-2007 השיק האתר את מנוע החיפוש AskNature, המתפקד כספרייה אלקטרונית של ידע על מנגנונים ביולוגיים שונים שנאספו לאורך השנים.
כמו כן הוא מכיל סיפורי המצאות בהשראת חלק מהמנגנונים.
בשנת 2007 גן החיות של סן דייגו בארצות הברית החל בתוכנית ביומימיקרי.
בשנת 2008 הוקם "ארגון הביומימיקרי הישראלי" על ידי דוקטור יעל הלפמן כהן ודוקטור דפנה חיים-לנגפורד.
הארגון פועל בשיתוף משרד החינוך ללא מטרות רווח במטרה להעלות את המודעות ולחשוף את הציבור הישראלי לנושא.
יחד עם יחידים וחברות מהתעשייה, גורמי רשויות והאקדמיה, הארגון מפעיל פרויקטים התנדבותיים, מעביר קורסים, ומקיים כנסים המהווים במה לחשיפת מנגנונים ביולוגיים בעלי פוטנציאל הנדסי-יישומי, לצד מחקרים ופיתוחים ביומימטיים.
בשנת 2011 הספארי ברמת גן התחיל להציע תוכני ביומימיקרי לקהל הרחב.
חלק ממחיצות הזכוכית בגן ובבריכת הפינגווינים בנויות בהשראת פרח הלוטוס.
בשנת 2014, הוקמה בבית הספר ללימודי הסביבה ע"ש פורטר באוניברסיטת תל אביב מעבדה לביומימיקרי.
בראשה עמדו פרופ' יורם רייך, ד"ר יעל הלפמן כהן ופרופ' יהודה בניהו.
נכון לשנת 2020 המעבדה לא פעילה.
בשנת 2019 הוקמה בבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב מעבדה חדשה לביומימטיקה, בראשות ד"ר בת-אל פנחסיק.
רשת נוירונים היא מימוש במדעי המחשב שמחקה את מבנהו הבסיסי של עיבוד במוח ועליו נשען תחום הבינה מלאכותית.
שיפור יכולות אווירודינמיות של כלי טיס באמצעות תצפית על מעוף הציפורים ושימושן בכנפיהן.
חיקוי את תנועת המפרקים האנושית אצל רובוטים.
חיקוי אקולוקליזציה של עטלף לניווט בחשיכה לטובת בעלי ליקויי ראייה.
קורי העכביש נחשבים חזקים ביותר ונעשו ניסיונות לייצר אותם באופן סינתטי.
ההשראה להמצאת הסקוץ' (velcro) באה ממבנהו של הצמח הנקרא בלועזית Burdock.
מבנהו של השלדג גמדי היווה השראה לעיצובה של רכבת שינקנסן ביפן על מנת להקטין את התנגדות האוויר של הרכבת.
ביולוגיה מתמטית היא ענף מדע בינתחומי, ולו השלכות על המחקר בביולוגיה, רפואה וביוטכנולוגיה.
יש המכנים את התחום ביו-מתמטיקה או ביולוגיה תאורטית.
התחום מחולק בין היתר לתת התחומים הבאים:
יצירת מודלים מתמטיים לתהליכים ומבנים ביולוגיים, בפרט לשם סימולציה באמצעות מחשב.
ביולוגיה מערכתית חישובית – שיטות מתמטיות להבנת הקשרים הבין מערכתיים בעולם החי.
ביואינפורמטיקה – הפעלת שיטות מתמטיות וסטטיסטיות על הידע ומערכות המידע בתחום הרפואה ומדעֵי החיים, בפרט בגנומיקה.
ביו-חישוביות והדמיית חישוביות ביולוגית – אופני חישוב המדמים שיטות מעולם החי, ומחליפים או משדרגים את שיטת המחשוב הקיימת.
חישוביות ביו-רפואית – שימושי מתמטיקה לצורך רפואה מעשית.
הביולוגיה המתמטית מטפלת בתהליכים ביולוגיים באמצעות כלים ושיטות של המתמטיקה השימושית.
מטרתה לסייע למחקר הרפואי, הביולוגי והביו-טכנולוגי, ולה יישומים מעשיים ותאורטיים בתחומים אלה.
לדוגמה בתחום חקר התא החי, מולקולות מיוצגות בדרך כלל באמצעות הדמיה חזותית ואנימציה.
למרות שקל יותר לדמיין את המולקולות באופן חזותי, לעיתים הצגה זו מטעה, ואינה מדויקת.
על ידי תיאור המערכת באופן כמותי, באמצעות דגם מתמטי מדויק, ניתן להדמות את המולקולה ולגלות תכונות שלא היו נראות לעין בייצוג החזותי.
לביולוגיה המתמטית יש היסטוריה ארוכת שנים, אך רק מזה כעשרים שנה גברה ההתעניינות וישנה התמקצעות בתחום זה בפרט.
הסיבות לכך הן צירוף של התפתחות מקבילה בתהליכי מחשוב הנובעים מתהליכים ביולוגיים, או המנסים לחקות או להדמות תהליכים ביולוגיים, בעיקר לאור התפתחות חקר התורשה והחומר התורשתי וכן בעקבות התפתחות מואצת בטכנולוגיה ממוחשבת שאפשרה חישובים אלו.
כמו כן, התחום קיבל תאוצה עקב פיתוח שיטות תיאור חדשות לטבע ולמדע כמו תורת הכאוס והצורך הגובר בניסויים ממוחשבים כתחליף לניסויים בבעלי חיים ובצמחים, בעקבות אילוצים מוסריים, חוקיים או התמודדות מול ארגונים חברתיים וסביבתיים.
אתר אוניברסיטת קורנל מצטט את פרופ' לי סגל, מתמטיקאי שימושי בולט ממייסדי הביולוגיה המתמטית המודרנית, כמי שציין כי "ביולוגיה מתמטית נשמעת כמו מומחיות צרה, אלא שלמעשה היא מקיפה את כל הביולוגיה ואת רוב המתמטיקה".
בעשור האחרון הולך ומתחוור שניתן להבין תופעות לא ליניאריות מסובכות במיוחד רק דרך תרכובת שיטות רב תחומית, הכוללים שיטות חישוב ותיאור מתחומי תורת ההיגיון מדעי החומר, הפיזיקה, ההנדסה, והסטטיסטיקה, ושיתוף פעולה בין מדענים ומחלקות בתחומים אלו.
חלק משיטות ופיתוחים אלו מתואר להלן.
מזה כעשרים שנה יש התפתחות גדולה בתחום התיאורים הממוחשבים, ההדמיה ויצירת מערכות חישוביות חדשות הדומות לרשתות עצביות בבעלי חיים.
לאחרונה ישנה התפתחות גדולה גם בבקרת תנועה והדמיות רובוטיות.
בצבאות הגדולים בעולם יש כיום מחלקות רובוטיקה, ורובוטים תופשים מקום הולך וגובר בתעשייה.
מערכות אוויריות ובייחוד מטוסי קרב מוטסים כיום באמצעות מערכות בקרה אוטומטיות, הנסמכות על מערכת קבלת החלטות ותקשורת שהם תוצר של מחקר בתחום זה של דגמים ממוחשבים ורובוטיקה תאורטית, כמו תחום חקר האוטומט התאי.
דגמים בחקר התא ובביולוגיה מולקולרית
חלה התפתחות מואצת בתחום ההדמיה המולקולרית והדמיית תהליכים בתא, יחד עם ההתפתחות המרובה בתחומי ביולוגיה מולקולרית וכן הביולוגיה של התא.
כיום יש תאורים חישוביים לגבי מעבר חומרים דרך קרומי התא, הקינטיקה של אנזימים, התפתחות סרטן, דגמים לגבי התנהגות הלב ואיברים נוספים, חקר התנהגות זרימה עורקית ונימית, הדדיות בחברות ואוכלוסיות של תאים, וכן דגמים והדמיות לגבי תקשורת בין תאית.
תורת הקבוצות הביולוגית MST מיסודו של אנתוני ברתולומי, פותחה ונלמדת בעיקר בתחום הרפואה, והיא תחום הממפה קבוצות התנהגות של מעברים ושינויים כימיים בין חומרים ברמה המולקולרית.
שיטות אלו תרמו רבות בתחומי חילוף חומרים בגוף החי, וכן בביוכימיה רפואית ובייצור תרופות.
פרופסור רוברט רוזן פיתח את התחום הנקרא ביולוגיה יחסית מופשטת (Abstract Relational Biology) הדן ברכיבים ותבניות הנמצאים בקבוצות של בעלי חיים ואין לפרקם או למצאם ברמה המולקולרית, ואשר ניתן לתארם באמצעות תורת הקבוצות ותורת הגרפים.
תורת הדינמיקה של קבוצות – יסודה במשוואות לוטקה-וולטרה בתחום מדעי הסביבה, המתארת את התפתחות אוכלוסיות אשר חלקן צייד וחלקן ניצוד.
עם התפתחות תורת המשחקים ובייחוד תורת המשחק של ההתפתחות (של ג'ון מיינרד סמית) נמצאו דרכי תיאור מדעיים טובים לחיזוי התפתחות של זיהום ומחלות זיהומיות.
במכון ויצמן נעשתה עבודה מעמיקה תחת שרביטו של פרופסור יוסף שטיינברגר (מאוניברסיטת בר-אילן) בתחום התרבות אוכלוסיות צמחים, פטריות וחיידקים, וכן באופן חלוקת שימושי חומרים בקרקע.
הביולוגיה המתמטית כוללת טיפול במשוואות דטרמיניסטיות (כלומר במערכת דינמית אך יציבה) וכן במשוואות סטוכסטיות הכוללות בתוכן רכיבים של אקראיות.
אחד הטיפולים הראשונים של ביופיזיקה מתמטית היה מאמרו של אלן טורינג לגבי מורפוגנזה ורכיבי ההתפתחות בעולם החי, מהרמה התאית, דרך מבנים חיים רב תאיים, בעלי חיים, ועד לרמת אוכלוסיות רבגוניות של חי וצומח.
תחום נוסף השייך לביופיזיקה מתמטית וכבר הוזכר לעיל, הוא התנהלות נחילית והדמיה מרחבית – התנהגות להקות דגים וציפורים, נחילי דבורים, ועדרי בעלי חיים נודדים, חקר התנועה של הלהקה או הנחיל, וכן חקר התנהגות הפרטים בתוך התנועה; דוגמה לסימולציה של התנהגות כזו היא Boids.
בין היתר נבנו דגמים להתנהגות קהל במדרכות צפופות, בעת בהלה וביציאת חירום, וכן התנהגות נהגים בעומסי תנועה.
תחום חדש יחסית בביולוגיה המתמטית הוא פילוגנטיקה חישובית – יישום שיטות חישוביות ואלגוריתמים לשם ניתוח וזיהוי הקרבה התורשתית בין צורות חי שונות, והבנת תהליכי ההתפתחות התורשתית של צורות חיים אלו.
El día que me quieras הוא שיר ארגנטינאי שחיבר אלפרדו לה פרה (Alfredo Le Pera) והלחין קרלוס גרדל.
השיר התפרסם בביצועו של קרלוס גרדל.
השיר המקורי הוקלט בניו יורק לסרט ששמו כשם השיר ויצא על תקליט יחד עם שיר מפורסם נוסף של גרדל - הטנגו Volvió una Noche.
תאריך ההקלטה היה 19 במרץ 1935.
מילות השיר מהוות מחווה לשיר בעל שם דומה של המשורר המקסיקני אמדו נרוו (Amado Nervo) שנכתב ב-1915.
לשיר בספרדית יש מאות ביצועים, ומכיוון ששני מחברי השיר - גרדל ולה פרה נהרגו יחד בתאונת מטוס במדיין (קולומביה) בשנת 1935 - זכויות היוצרים שלו פגו 30 שנה לאחר מכן בשנת 1965, בהתאם לחוק בארגנטינה.
למרות שגרדל מזוהה עם הטנגו של בואנוס איירס - שיר זה אינו טנגו.
שלמה יידוב תרגם את השיר מספרדית לעברית וביצע אותו באלבומו חולם בספרדית בשם ביום שאת תרצי בי .
ביולוגיה סינתטית עוסקת בעיצוב ובנייה של מתקנים ומערכות ביולוגיות למטרות שימושיות.
זהו תחום המשלב מחקר ביולוגי והנדסה, ולכן חופף לעיתים עם ביו-הנדסה והנדסה ביו-רפואית.
התחום מכיל גישות רבות, מתודולוגיות ודיסציפלינות המתמקדות בהנדסה, ביולוגיה וביוטכנולוגיה.
חוקרי הביולוגיה הסינתטית ניגשים אל מערכות ביולוגיות חדשות מפרספקטיבות שונות, עוסקים בשאלות על אופיים של תאים ושל אורגניזמים מתפקדים, ובאופן שבו ניתן לעצב ולהשתמש בהם לטובת בני האדם והחברה.
הגישה הישנה בתחום זה התמקדה בהכנסת גנים קיימים או חדשים לתוך תאים חיים על מנת לשנות את התפקוד שלהם.
גישה מתקדמת יותר כוללת בנייה של מערכת ביולוגית חדשה בפלטפורמה לטכניקות שונות.
גישה זו דורשת בנייה מחדש של מערכות ביולוגיות שלמות ומציאת פתרון הנדסי-ביולוגי חלופי הפותר בעיה או צורך ספציפי.
ההתקדמות בביולוגיה הסינתטית מסתמכת על כמה טכנולוגיות מפתח אשר מתקדמות במהירות והופכות לזולות וזמינות יותר.
ריצוף DNA, יצירה וכתיבת גנים חדשים, מידול של התנהגות של גנים ספציפיים, ומדידת מדויקת של התנהגות גנים הם כלים חיוניים בביולוגיה סינתטית.
לאחרונה תחום זה זוכה לפופולריות גבוהה כתוצאה משיפור של טכנולוגית סינתוז DNA, הפותח חלון לאפשרויות חדשות.
כיום הרבה יותר קל וזול לסנתז גן חדש בניגוד לשיבוט שלו לדוגמה.
בנוסף, בסיסי מידע גנומים יכולים לשמש בדוגמה ליצירת וירוסים במחיר מינימלי.
גנטיקאים מצאו מספר רצפי גנים הקשורים למאפיינים נבדלים באורגניזמים; רצפי הגנים האינדיבידואליים הללו פותחו ושולבו בתוך DNA קיים בדומה לאבני "לגו".
זו למעשה התורה בה מהנדסים גנטיים משנים את ה-DNA של אורגניזמים חיים.
מה שמבדיל ביולוגיה סינתטית מהנדסה גנטית הוא שבמקום לשנות רצף קיים של DNA, ישנו חיבור של הבלוקים הללו מאפס על מנת לבנות גדיל DNA חדש לחלוטין אשר יוחדר לתוך תא חי.
התאים הללו יכולים לשמש על מנת לבצע מספר פונקציות חיוניות למען האנושות.
הפעולות הללו לא קיימות למעשה בטבע.
הפרויקטים המערבים את האינטגרציה של החלקים הללו, הם היחידים שיכולים להיקרא פרויקטים של ביולוגיה סינתטית.
ביולוגיה סינתטית מציגה שלוש טכנולוגיות יסוד בסיסיות להנדסה גנטית: היכולת לסנתז גנים חדשים מהיסוד, היכולת להתגבר על הסיבוכיות המובנית במערכות ביולוגיות באמצעות הפשטה והצגה של עקרונות הנדסיים.
הנדסה גנטית היא השם המקובל לתחום של ביצוע מניפולציות מלאכותיות על מולקולות DNA קיימות כדי לקבל תכונות רצויות.
בדרך כלל משתמשים במונח זה לתיאור גידולים חקלאיים ש"הונדסו" לצורכי האדם, לדוגמה, כדי לתת לגידולים חקלאיים עמידות טובה יותר בפני חרקים, וירוסים, קוטלי עשבים ואף להאריך את חיי המדף שלהם.
השימוש בהנדסה גנטית מצוי במחלוקת מסוימת על רקע החשש ממוטציות משניות.
לחימה ממוקדת בתאי סרטן באמצעות קולטן אנטיג'ן כימרי
תחום שעניינו פיתוח יכולת לריפוי תאים בגוף על ידי הוצאת תאים ממערכת החיסון האנושית של החולה, הזרקת "קוד גנטי" ייעודי אליהם באמצעות וירוסים שהונדסו לצורך זה והחזרת התאים חזרה אל גופו של החולה.
השילוב ה"מהונדס" מיועד לזהות תאים סרטניים בגופו של החולה, ואז להרוג אותם באופן הממוקד אך ורק לתאים הסרטניים ותוך עקיפת המנגנונים הטבעיים לדחיית שתלים.
עקיפת מנגנוני דחיית השתלים מבוססת על העובדה שתאי המקור הם תאים של אותו חולה עצמו.
שיטה זו פותחה במקור על ידי פרופ' זליג אשחר ממכון ויצמן למדע, ובמהלך 2013 היא נוסתה לראשונה על בני אדם, במסגרת ניסויים שנערכו על ידי קבוצת חוקרים מאוניברסיטת פנסילבניה.
במהלך הניסוי (נכון ל-2014), טופלו כחמישים חולי לוקמיה שהרפואה הרגילה התייאשה מהיכולת לרפא אותם ורובם הגדול החלים למצב בו לא ניתן לזהות אצלם יותר תאים סרטניים (לכאורה, יש תקווה שהם "נרפאו" לגמרי).
בין השאר, טופלו גם מספר קטן של ילדים וגם אצלם המחלה נעלמה.
התופעה של "הארה ביולוגית" – ביולומינסנציה, נפוצה למדי בטבע.
ישנם בעלי חיים הזוהרים "מטבעם", כמו גחליליות, וישנה תופעה של "הארה ביולוגית" המבוססת על ריכוזים של בקטריות ש"יודעות" להאיר על בסיס "חישת צפיפות", כלומר, אפקט ההארה מתקבל רק כאשר הבקטריות צפופות מספיק.
מכיוון שהגנים האחראיים על "הארה ביולוגית" פוצחו, נעשה בהם שימוש הן כדי לזהות תהליכים שונים בהנדסה גנטית והן מתוך כוונה להפיק מוצרים מסחריים כמו למשל "עצים מאירים" כתחליף לתאורת רחוב או צמחים מאירים כסוג של שילוט אזהרה.
הנושא נראה אטרקטיבי במיוחד מכיוון שמימוש סוג כזה של תאורה הוא, ככל הידוע, לחלוטין ידידותי לסביבה ובהתאם, מתאים מאוד למגמת ה"קיימות".
תחום העוסק בשימוש במולקולות ביולוגיות שהונדסו גנטית או אפילו בווירוסים וחיידקים ש"טופלו" כסנסור לזיהוי שינויים בסביבה.
קבוצות חוקרים רבות מנסות לפתח סנסורים לזיהוי כמויות קטנות מאוד של רעלנים באוויר.
בדומה לאף של בעלי חיים, ככל הנראה, אפשר יהיה לתכנן ביוסנסורים בעלי רמת רגישות ואבחנה שהיא בסדרי גודל יותר טובה מסנסורים מכניים מוכרים.
שימוש בביולוגיה סינתטית כאמצעי לאחסון מידע
כיוון שידועה היכולת לסנטז מולקולות DNA, ניתן לקדד באמצעותן מידע רב.
בין השאר הודגמה היכולת לאחסן 5.4 מגה-בייט של מידע על מולקולת DNA סינתטית אחת.
מכיוון שתהליך הכתיבה והקריאה לסוג כזה של זיכרון, ארוך מאוד בהשוואה לרכיבי זיכרון המבוססים על שדה מגנטי-חשמלי, מצטייר כי השימוש הנראה לעיין של שיטה זו יהיה למצבים בהם נדרש נפח אחסון עצום בגודלו, מצד אחד ומצד שני, אין חשיבות למהירות הגישה אל המידע.
פריצת דרך מדעית בנוגע לצפיפות האחסון דווחה במהלך סוף 2012 ולטענת החוקרים, הודגמה יכולת לאחסן פי מיליון ביטים למ"מ מעוקב לעומת טכנולוגיות נפוצות.
דלק ביולוגי הוא מונח המתייחס לייצור דלק ממגוון גדול של אפשרויות שכולן נשענות על תאים חיים (בדרך כלל, מן הצומח) מתוך כוונה להעביר "כלכלות שלמות" למצב בו הן יהוו "משק סגור בר קיימא" – על ידי מעבר משימוש בדלקים פוסיליים לדלקים ביולוגיים.
קיים מגוון גדול של חלופות הנמצאות ברמות שונות של שימוש או שלבי פיתוח.
אחד הכיוונים היותר מבטיחים, הוא ייצור דלק מבקטריות, פטריות או אצות שעברו הנדסה גנטית כדי לשפר את התאמתן כמקור לדלק.
ביואינפורמטיקה תחום מחקרי הנשען על הפעלת גישות ממדעי המחשב, מתמטיקה בכלל וסטטיסטיקה בפרט בהקשר לתחום המחקר הביולוגי.
תחום מחקר חדשני שמנסה למנף את התכונות של המולקולות הביולוגיות לטובת פתרון בעיות חישוביות מורכבות בתחום ההצפנה והקידוד ועולמות תוכן דומים.
במובנים מסוימים, תחום זה הוא תמונת ראי של הביואינפורמטיקה.