מגמת ביוטכנולוגיה
תחום הביוטכנולוגיה
ביוטכנולוגיה מהווה ענף מדעי נרחב הכולל בתוכו מגוון תחומים: מדע, רפואה, תעשיה, חקלאות, מחשבים ועוד.
במחקר הביוטכנולוגי אנו מנצלים את הידע הביולוגי והיכולת לחקור תהליכים ביולוגיים שונים ברמת התא, הרקמה והאורגניזם תוך שימוש בשיטות מעבדתיות שונות. המחקר המעבדתי משמש לפיתוח טכנולוגיות מתקדמות וייצור מוצר מוגמר בתחומים שונים לרווחת האדם.
לפי התפיסה המדעית של המאה ה – 21, המדע היישומי הוא נדבך-על למדעי הבסיס ומהווה את חוד החנית להתפתחות התעשייה, הרפואה והחקלאות, נוסף על היותו צמת מרכזי בין מדעי הבסיס השונים.
מה המגמה מציעה
המעבדה הביוטכנולוגית במרכז הטכנולוגי מאפשרת ביצוע מחקר איכותי ברמת המחקר האוניברסיטאי תוך שימוש בשיטות ובמכשירים משוכללים, חדישים ומעודכנים לפי מיטב הסטנדרטים המחקריים המתקדמים ביותר.
מטרת העל של המגמה לביוטכנולוגיה הינה לאפשר לתלמידים להתנסות בעולם המרתק של המחקר הביולוגי תוך חשיבה והבנה כי פיתוח הטכנולוגיות המתקדמות מתאפשר על בסיס הידע שנצבר במהלך הניסויים המתבצעים במעבדה. המגמה מציעה לתלמידים התנסות מעמיקה בשיטות המשמשות בחזית המחקר הביוטכנולוגי בעולם, ביניהן עבודה עם תרביות תאים ממקורות שונים, מיקרוסקופיה, עבודה מולקולרית עם DNA, RNA וחלבונים, הנדסת רקמות וביואינפורמטיקה-העומדת לשירות הביוטכנולוגיה.
למי המגמה מיועדת
המגמה מיועדת לתלמידי תיכון מכיתה י' עד יב' בעלי זיקה לביוטכנולוגיה, אשר חפצים ללמוד ולהתנסות בעבודת המעבדה.
תלמידי מגמת ביוטכנולוגיה מחויבים להתנסות ביישומים ביוטכנולוגיים במחקר ניסויי במסגרות אקדמיות ובהדרכת אנשי מקצוע בתחומי המדע והטכנולוגי. התלמידים יבצעו את פרויקט הגמר במסגרת יחידות הלימוד של המגמה ויגישו את תוצאות הניסויים כעבודת גמר בנושא שנבחר.
פרוייקטי גמר
המגמה מציעה מספר נושאים לפרויקט גמר אשר אושרו על ידי הממונה על מגמות עתירות ידע והמפקחת המרכזת של מקצוע הביוטכנולוגיה במשרד החינוך, הגב' יהודית דסקלו.
עבודת הגמר בפרויקטים השונים כוללת:
- חשיפה לאתגרים עיקריים העומדים בפני הביוטכנולוגיה כיום
- לימוד, התנסות ושימוש בכלים מעבדתיים מתקדמים לגידול תרביות תאים חיים מסוגים שונים בתנאי מעבדה
- שימוש בשיטות לאפיון התאים הנחקרים במעבדה (צביעות, קולורימטריה ושימוש בתגובות אנזימטיות)
- שימוש בשיטות מולקולריות להפקת מולקולות תאיות (חלבונים, DNA) ובחינת פרופיל הביטוי שלהם (blot, Elisa)
- שימוש באלגוריתמים של העמדות רצפים לזיהוי מוטציות בחלבונים
- התנסות בניתוח תוצאות ניסוייות לכדי מסקנות ביולוגיות
- יישום עקרונות החקר המדעי לכתיבת עבודת גמר
התכניות מעשירות ומעמיקות את הידע וההתנסות החווייתית של התלמידים בנושאים שונים המשתלבים ומתאימים לתכנית הלימודים במערכות ביוטכנולוגיות.
אנו מקווים כי חווית המחקר תלהיב את סקרנות התלמידים ותעורר בהם שאלות מחקר חדשות לקידום המחקר המדעי.
פרויקטים מוצעים
תגובת תאים מזדקנים לתנאי עקה
תופעת הזדקנות תאים המתרחשת כחלק מתהליך הזיקנה של האורגניזם נחקרת מזה שנים רבות, תוך רצון ללמוד על התהליכים המאפיינים את התהליך ולפתח פתרונות יישומיים להארכת תוחלת החיים של האדם. מסיבה זו חברות ביוטכנולוגיה רבות משקיעות משאבים רבים במטרה להבין מהם הגורמים האחראיים לכך וכיצד אפשר להאט את תהליך ההזדקנות בגוף.
על מנת ללמוד על תהליכים המתרחשים ברמת התא, החוקרים משתמשים בתרביות תאים, כלומר תאים הגדלים בתנאי מעבדה המחקים את התנאים הקיימים בגוף. למעט תאים שעברו תהליכי התמרה סרטנית, רוב התאים בתרבית הינם בעלי יכולת חלוקת תא מוגבלת. לכן, לאחר מספר מסוים של חלוקות, התא מאבד לצמיתות את היכולת להתחלק ולהתרבות ונכנס לשלב המוגדר כ"הזדקנות תאית". תאים מזדקנים הינם תאים חיים המאופיינים בהפעלת שרשרת תגובה לנזקי דנ"א, בעלי פעילות מטבולית גבוהה ועלייה בהפרשה של גורמי דלקת.
מטרת המחקר: לבחון תגובת תאים מזדקנים ותאים צעירים לתנאי עקה שונים וללמוד על ההבדל ברגישות לעקה מסוימת בין שני סוגי התאים.
בתמונה תאים פיברובלסטים צעירים (Young) ומזדקנים (Old) לאחר צביעת פעילות האנזים בטא – גלקטוזידאז (סמן תאי של הזדקנות תאית) המתבטאת באזורים הצבועים בכחול מסביב לגרעין התא.
הפקת מוצרים טבעיים מאצות לשימוש בתעשיית המזון והקוסמטיקה
בעשור האחרון ניכרת תנופה בהקמת חוות לגידול אצות לצורכי רפואה, קוסמטיקה ומזון ברחבי העולם ובישראל. מחקרים מדעיים אודות אצות שפכו אור על התוצרים הטבעיים שהאצות מייצרות כגון פיקואריתרין ופוליסכריד רב סוכר ועל שימושיהם בתחומים השונים, וכך הקנו להם ערך רפואי וכלכלי גבוה.
במהלך פרויקט הגמר, התלמידים חוקרים את האצה Porphyridium cruentum תחת השפעת גורם סביבתי אחד (עוצמות אור, אורכי גל, ריכוז CO2, ריכוז נוטיריינטים – חנקן, גופרית, ברזל, ריכוז מליחות, מעכבי גידולי הרביצידים ואנטיביוטיקה) על המשתנים התלויים הבאים:
התרבות, ריכוז הפיגמנט פיקו-אריתרין, ריכוז כלורופיל, צמיגות פוליסכריד וביטוי החלבון Rubisco (אנזים מרכזי הפעיל בתהליך הפוטוסינתזה) בשיטת תספיג מערבי.
התלמידים נחשפים להיבטים הביולוגים של גידול האצות, לריאקטורים לגידול, לתהליך גמלון על כל היבטיו וכן לתהליך הפקת המוצרים המשמשים חומרי גלם בעל ערך גבוה בתעשיות. בדרך זו, התלמידים לומדים את המשמעות של ביוטכנולוגיה מהרעיון הביולוגי עד המוצר הביוטכנולוגי שנמצא על המדף שכן ניתן לרכוש מוצרים שונים.
מטרת המחקר: לבחון את השפעת הגורם הסביבתי אליו נחשפות האצות על תוצריהן הטבעיים על מנת להסיק מהם התנאים האופטימליים לגידולן בתעשייה.
שימוש בחומרים צמחיים כטיפול בתאי סרטן
מחלת הסרטן מהווה גורם מוות עיקרי שני ברחבי העולם וממשיכה להתפשט במדינות השונות למרות התקדמות הרפואה הקונבנציונלית.
במסגרת הטיפול הקונבנציונלי (כימותרפיה והקרנות) למחלת הסרטן, נפגעים גם התאים הנורמליים בגוף ולכן פיתוח טיפול מותאם אישית כנגד תאי הסרטן ושימוש בחומרים שיפגעו סלקטיבית בהם מבלי לגרום נזק לתאים הנורמליים הינן מטרות עיקריות בפיתוח תרופות נוגדות סרטן.
במהלך עשרות השנים האחרונות, התפתחו מספר זרמים של שיטות משלימות ואלטרנטיביות בכדי להילחם במחלת הסרטן ברחבי העולם כולו, אחת מהן היא הרפואה הסינית המסורתית אשר קיימת ברחבי אסיה אלפי שנים. חולי סרטן רבים משתמשים בצמחי מרפא סיניים כטיפול אלטרנטיבי או משלים בשל יעילותם ועצם העובדה שלרובם אין תופעות לוואי חמורות. חלק מצמחי המרפא הסיניים מראים פעילות נוגדת-סרטן במנגנונים של עיכוב התפתחות תאים סרטניים, עיכוב התרבות של תאים סרטניים, עיכוב יצירת כלי-דם חדשים בגידולים ועיכוב הופעת גרורות בחולים.
במהלך פרויקט הגמר, התלמידים יבדקו את השפעת החומרים הצמחיים על תאי סרטן הגדלים בתרבית ויבחנו את שרידות התאים ואת פרופיל הביטוי של החלבונים המעורבים במוות תא או במחזור התא.
מטרת המחקר: לבחון את תגובת התאים הסרטניים לחומרים צמחיים וללמוד על התהליכים המתרחשים ברמת התא וברמה המולקולרית עקב הוספתם לסביבת הגידול של התאים.
הפקת חלבון רקומביננטי ובדיקת פעילותו
אלפא-1-אנטיטריפסין הינו חלבון הומני המיוצר ברובו בתאי כבד (הפטוציטים) ומופרש אל מחזור הדם באופן קבוע. החלבון בעל מבנה גלובולרי הכולל במבנה שלו אתר ספציפי הנקרא Reactive center loop. באמצעות אתר זה, החלבון קושר סרין פרוטאזות (אנזימים מפרקי חלבונים) ומעכב את פעילותם האנזימטית, למשל אלפא-1-אנטיטריפסין מעכב אלסטאז המיוצר בתאי דם לבנים מסוג ניוטרופילים (Neutrophil Elastase) כמתואר באיור מספר 1. כך, אלפא-1-אנטיטריפסין מונע הרס רקמות דרך עיכוב אותן פרוטאזות. מחקרים מצאו כי מוטציה באתר התגובה הספציפי פוגעת ביכולת האלפא-1-אנטיטרפסין לקשור ולעכב פרוטאזות.
פגם גנטי מולד באלפא-1-אנטיטריפסין גורם למחלה הנקראת חוסר באלפא-1-אנטיטריפסין ומתבטאת בפגיעה בפעילות החלבון. כתוצאה מכך, קיימת פעילות יתר של הפרוטאזות המשוחררות מנויטרופילים, הגורמת להרס רקמת הריאה ולנפחת ריאות. חולים הסובלים מחוסר באלפא-1-אנטיטריפסין מטופלים אחת לשבוע בקבלת עירוי של אלפא-1-אנטיטריפסין הומני, במטרה לייצב את רמות החלבון בגוף ולמנוע הרס של הרקמה.
להבדיל מההורמון אינסולין המיוצר באופן רקומביננטי, הדרך היחידה לקבל את החלבון אלפא-1-אנטיטריפסין כשהוא מוכן להזרקה הינה הפקת החלבון מפלסמה שמקורה באדם. על אף המאגר העולמי של אלפא-1-אנטיטירפסין הומני אשר מתחדש כל הזמן, מצד שני ישנה עלייה בכמות החולים בעולם. כתוצאה מכך כמויות החלבון הקיימות לשימוש הולכות ואוזלות ועולה צורך דחוף לייצר חלבון רקומביננטי באופן מסחרי ובכמויות גדולות. לפיכך, חברות תרופות מסחריות משקיעות משאבים רבים בייצור חלבון זהה לחלבון ההומני ויתרה מכך, יעיל יותר בפעילותו.
פיתוח ייצור חלבון רקומביננטי הינו תהליך ארוך ומורכב, אשר כולל שלבים רבים ובסיומם בדיקת תפקוד החלבון בהשוואה לחלבון האנושי המקורי. במקרה של אלפא-1-אנטיטירפסין נבדקים מספר פרמטרים וביניהם: יכולת עיכוב פרוטאזות, זמן מחצית חיים, פעילות אנטי-דלקתית, גודל ומבנה החלבון, רצף חומצות האמינו ובדיקות נוספות.
במהלך פרויקט הגמר התלמידים יפיקו פלסמידים הנושאים את החלבון מתאים חיידקיים ויבצעו טרנספקציה של הפלסמידים לתוך תאים אאוקריוטים. לאחר מכן יפיקו התלמידים את החלבון מהתאים האאוקריוטים ויאפיינו את פעילות המוטנטים השונים של החלבון אלפא-1-אנטיטירפסין, יאתרו את המוטציות השונות ברצף החלבון ויבדקו מספר פרמטרים עיקריים במטרה ללמוד ולהסיק על פוטנציאל השימוש המסחרי בחלבון.
מטרת המחקר: הפקה של מוטנט של החלבון אלפא-1-אנטיטירפסין מבחינת פעילות תוך שימוש בשיטות קלאסיות של הנדסה גנטית ובדיקת פעילותו בהשוואה לחלבון מקורי (Wild Type).
למה אנחנו
המגמה הביוטכנולוגית מאפשרת לתלמידים לבצע מחקר איכותי ברמה אוניברסיטאית.
המגמה חרטה על דגלה לקדם את החינוך למחקר בסיסי ביולוגי ויישום התוצאות לפיתוח וייצור טכנולוגיות חדישות בתחום בעיר באר שבע ובמחוז הדרום.
צוות המגמה מסייע בהוראה ובלמידה של שיטות החקר השונות תוך שימת דגש על חדשנות, מקצועיות, מצוינות ובטיחות בעבודה.
צוות המגמה מלווה את התלמידים והמורים החל משלב תכנון והעלאת שאלות החקר, דרך ביצוע המחקר במעבדה ועד לסיום הפרויקט והגשת העבודה הסופית.
צוות המגמה
מדריכים מקצועיים
מדריכים חיצוניים, סטודנטים ל/בעלי תארים מתקדמים בתחומי ביוטכנולוגיה, רפואה ומדעי החיים. הכיתה מתחלקת לקבוצות של עד 5 תלמידים, ולכל קבוצה מוצמד מדריך מקצועי לליווי בביצוע פרויקט הגמר במעבדות.
כנס "ביו 7"
מאות תלמידי ומורי מגמת ביוטכנולוגיה השתתפו בכנס ביו 7 של המרכז הטכנולוגי. כנס ביו 7 הינו כנס מחוזי, חדשני וראשון מסוגו, ביוזמה של המרכז הטכנולוגי בבאר שבע בשיתוף המכללה האקדמית להנדסה ע"ש סמי שמעון
שאלות נפוצות
פרויקט הזדקנות תאית כולל 3 מפגשים במעבדה ואילו פרויקט האצות כולל סיור במפעל ו – 3 מפגשים במעבדה.
במהלך העבודה בפרויקט הזדקנות ותאים סרטניים נתנסה בעבודה עם תרביות תאים, ספירת תאים, שיטות לבדיקת ביטוי חלבונים (תספיג מערבי, ELISA), שיטות להפקת חלבונים, צביעות תאים, עבודה עם מיקרוסקופ אור ומיקרוסקופ פלואורסנטי ועוד.
במהלך העבודה בפרויקט האצות, נתנסה בשיטות לגידול וכימות האצות, הפקת חלבונים ופוליסכרידים שמיוצרים על האצות, זיהוי חלבונים בעזרת תספיג מערבי.
במהלך העבודה, התלמידים עובדים בצמוד למדריכים מקצועיים, סטודנטים לתארים מתקדמים באוניברסיטת בן גוריון. המדריכים מלווים את השלבים השונים בפרוטוקול תוך שמירה על כללי הבטיחות במעבדה.
במהלך הניסויים אשר נערוך במעבדה בפרויקט הזדקנות התאים, נאסוף נתונים מספריים ונציג אותם על גבי גרף שיורכב מהפרמטרים שנבדקו. תרביות התאים יצולמו תחת המיקרוסקופ ונוכל להציג את התמונות שהתקבלו ואף לכמת את התאים ולהציג את התוצאות בטבלה ובגרף. החלבונים ייבדקו בשיטת תספיג מערבי (Western Blot Analysis) והתוצאות יוצגו כתמונה של הממברנה.
