טכנולוגיות ביוקונברג'נס

רמה זו כוללת מושגים המניחים את הבסיס התיאורטי והמערכתי לביוקונברג’נס. מדובר בעקרונות אינטגרטיביים המחברים בין מערכות ביולוגיות, הנדסיות, ודיגיטליות. מושגים אלה אינם טכנולוגיות כשלעצמם, אלא פרדיגמות של שילוב ונקודות מפגש בין דיסציפלינות, שמאפשרות את קיומו של התחום.

מושגי הליבה:

1. Bioelectronics: אינטגרציה של רכיבים אלקטרוניים עם מערכות ביולוגיות לצורך מדידה, שליטה או תקשורת בין מערכות חיות לטכנולוגיות חכמות³Willner, I., Katz, E., & Willner, M. (2001). Biomaterials integrated with electronic elements: en route to bioelectronics? Trends in Biotechnology, 19(6), 222-230..
2. Bioengineering: יישום עקרונות הנדסיים לתכנון ובנייה של מערכות ביולוגיות או מבוססות ביולוגיה, כולל רקמות, איברים ויישומים רפואיים⁴Mazzeo, A., Gaharwar, A. K., & Willerth, S. M. (2024). Commemorative 10th Anniversary Issue of Bioengineering: Perspectives in Bioengineering. Bioengineering, 11(4), 237..
3. Bionics for Machinery: עיצוב מערכות מכניות המשלבות תכונות ביולוגיות של אורגניזמים חיים, כולל תנועה, תגובה, והתאמה סביבתית⁵Menciassi, A., Takeuchi, S., & Kamm, R. D. (2020). Biohybrid systems: Borrowing from nature to make better machines. APL Bioengineering, 4(2), 021503..
4. Digital Twins for Biology: ייצוגים דיגיטליים מדויקים של מערכות ביולוגיות פיזיות, המשמשים למעקב, סימולציה ושיפור ביצועים בזמן אמת⁶Alsalloum, G. A., Al Sawaftah, N. M., Percival, K. M., & Husseini, G. A. (2024). Digital Twins of Biological Systems: A Narrative Review. IEEE Open Journal of Engineering in Medicine and Biology, 5, 670-677..
5. Biomanufacturing: ייצור בקנה מידה תעשייתי המתבסס על שימוש במערכות חיות ותהליכים ביולוגיים ליצירת חומרים ומוצרים⁷Zhang, Y.-H. P., Sun, J., & Ma, Y. (2017). Biomanufacturing: history and perspective. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology, 44(4-5), 773–784. .

רמה זו כוללת פלטפורמות וטכנולוגיות שבהגדרתן ובמהותן מהוות ביטוי ישיר לביוקונברג’נס – הן אינטגרטיביות באופיין, חוצות גבולות דיסציפלינריים, ומשלבות בין ידע ביולוגי, הנדסי ודיגיטלי ליצירת יישומים פורצי דרך. פלטפורמות וטכנולוגיות אלו מממשות את הפוטנציאל של ביוקונברג’נס בשטח – ברפואה, חקלאות, תעשייה וסביבה. מדובר ביכולות שפורצות את הגבולות הקיימים, מציעות פתרונות חדשים לבעיות מורכבות, ולעיתים אף יוצרות שווקים שלמים חדשים.

לפניכם פירוט מושגי הליבה מהרמה הראשונה, בפירוק לפטפורמות וטכנולוגיות המשקפות את מימושם ברמה הטכנולוגית. ראוי לציין כי מספר טכנולוגיות מופיעות ביותר ממושג ליבה אחד – לדוגמה, Bioprinting, Biohybrid Robots  ו-Metabolic Engineering, משויכות לשני מושגי ליבה. חפיפות אלו אינן טעות, אלא ממחישות את אופיו הבין-תחומי המובהק של הביוקונברג'נס, שבו טכנולוגיות מסוימות ממלאות תפקידים שונים בהתאם להקשר, יישום או דיסציפלינה.

1. Bioelectronics:

• Biosensors: התקנים המשלבים רכיב ביולוגי המאפשר זיהוי של חומרים (אנליטים), איתור סימנים ביולוגיים (כגון מרקרים ממברנליים), או מדידה של פרמטרים סביבתיים (כגון טמפרטורה, קרינה או לחץ)⁸Turner, A. P. F., Karube, I., & Wilson, G. S. (Eds.). (1987). Biosensors: Fundamentals and Applications. Oxford University Press.. האות שנקלט כתוצאה מאינטראקציה או תגובה ביולוגית, כימית או פיזיקלית מומר לאות מדיד – חשמלי, אופטי, מכני וכד' – הניתן לכימות וניתוח.

• Biocomputing: תחום העוסק בשימוש בחומרים ובמערכות ביולוגיות לצורך ביצוע חישובים, עיבוד מידע או פתרון בעיות חישוביות. כמו כן, התחום כולל יישום של שיטות חישוביות מתקדמות להבנה, ניתוח ודימוי של מערכות ביולוגיות מורכבות⁹Xu, J. (2025). Biological Computing. Springer Nature..

• Biodevices: התקנים המשלבים רכיבים ביולוגיים עם טכנולוגיה הנדסית או אלקטרונית לצורך מדידה, אבחון או השפעה על מערכות ביולוגיות. התקנים אלה פועלים בקני מידה משתנים (ממאקרו ועד מיקרו), ומשמשים לפיתוח יישומים רפואיים, סביבתיים או תעשייתיים¹⁰Mazurenko, S., Bidmanova, S., Kotlanova, M., Damborsky, J., & Prokop, Z. (2018). Sensitive operation of enzyme-based biodevices by advanced signal processing. PLOS ONE, 13(6), e0198913..

• Biochips: שבבים זעירים (micro/nano-scale) המשלבים רכיבים ביולוגיים עם מערכות אלקטרוניות או מיקרו-מכניות, ומשמשים לזיהוי, ניתוח או ניטור של תהליכים ביולוגיים¹¹Azizipour, N., Avazpour, R., Rosenzweig, D. H., Sawan, M., & Ajji, A. (2020). Evolution of biochip technology: A review from lab-on-a-chip to organ-on-a-chip. Micromachines (Basel), 11(6), 599.. טכנולוגיות אלו כוללות גם פלטפורמות מיקרופלואידיות מתקדמות, כדוגמת Lab-on-a-chip ו-Organ-on-chip, המאפשרות ביצוע תהליכים מעבדתיים מורכבים בקנה מידה זעיר.
  
  • Lab-on-a-chip: התקן מיקרופלואידי שנועד למזער תהליכים מעבדתיים מורכבים – כמו דיגום, תגובה, הפרדה וניתוח – והעברתם לפלטפורמה זעירה אחת, המאפשרת ביצוע בדיקות ביולוגיות וכימיות מדויקות בשטח, במהירות וביעילות, תוך שימוש בכמויות מזעריות של נוזלים.
  • Organ-on-chip: התקן מיקרופלואידי זעיר המחקה את המבנה, הסביבה והתפקוד של איבר אנושי או רקמה מסוימת, באמצעות תרבית תאים חיה בתוך מערכת זרימה מבוקרת, לצורכי מחקר, רפואה ופיתוח תרופות.

• Biohybrid Robots: רובוטים המשלבים רכיבים ביולוגיים עם מערכות מכניות, אלקטרוניות או חישוביות לצורך ביצוע פעולות מכניות, חישה של הסביבה או הסתגלות לתנאים משתנים¹²Webster-Wood, V. A., Guix, M., Xu, N. W., Behkam, B., Sato, H., Sarkar, D., Sanchez, S., Shimizu, M., & Parker, K. K. (2023). Biohybrid robots: recent progress, challenges, and perspectives. Bioinspiration & Biomimetics, 18(1), 015001..

2. Bioengineering:

• Bioprinting: הדפסה תלת-ממדית, המשתמשת ב"דיו ביולוגי" (תערובות של תאים חיים וחומרים ידידותיים לגוף), לצורך בנייה של רקמות או מבנים ביולוגיים למטרות טיפול, מחקר או פיתוח תרופות¹³Mobaraki, M., Ghaffari, M., Yazdanpanah, A., Luo, Y., & Mills, D. K. (2020). Bioinks and bioprinting: A focused review. Bioprinting, 18, e00080..

• Synthetic Biology: תחום שמטרתו לתכנן וליצור חלקים ומערכות ביולוגיות חדשות, או לעצב מחדש מערכות ביולוגיות קיימות, לצורך ביצוע פונקציות מסוימות – כמו ייצור תרופות, דלקים, חומרים ביולוגיים או חיישנים ביולוגיים¹⁴Roberts, M. A. J., Cranenburgh, R. M., Stevens, M. P., & Oyston, P. C. F. (2013). Synthetic biology: biology by design. Microbiology (Reading), 159(Pt 7), 1219–1220..

• Bioremediation: תהליך שבו נעשה שימוש ביצורים חיים כדי לפרק, לנטרל או להסיר מזהמים מהסביבה¹⁵Hlihor, R. M., Gavrilescu, M., Tavares, T., Favier, L., & Olivieri, G. (2017). Bioremediation: An overview on current practices, advances, and new perspectives in environmental pollution treatment [Editorial]. BioMed Research International, 2017, 6327610..

• Metabolic Engineering: הנדסת מסלולים מטבוליים במיקרואורגניזמים במטרה לשפר ולייעל ייצור של מטבוליטים רצויים, דלקים ביולוגיים, תרופות או חומרים כימיים בעלי ערך¹⁶Volk, M. J., Tran, V. G., Tan, S.-I., Mishra, S., Fatma, Z., Boob, A., Li, H., Xue, P., Martin, T. A., & Zhao, H. (2023). Metabolic engineering: Methodologies and applications. Chemical Reviews, 123(9), 5521-5570..

• Optogenetics: שיטה המאפשרת שליטה מבוססת אור בפעילות של תאים מהונדסים גנטית, לצורך ויסות מדויק ודינמי של תהליכים ביולוגיים בזמן אמת¹⁷Deisseroth, K. (2011). Optogenetics. Nature Methods, 8(1), 26–29..

3. Bionics for Machinery:

• Bioactuators: התקנים המשתמשים במערכות ביולוגיות המייצרות תנועה מכנית או כוח בתגובה לגירוי, ומשמשים להפעלת תנועות או שליטה בהן ברובוטיקה רכה, מכשירים רפואיים ומערכות הנדסיות שונות¹⁸Ricotti, L., Trimmer, B., Feinberg, A. W., Raman, R., Parker, K. K., Bashir, R., Sitti, M., Martel, S., Dario, P., & Menciassi, A. (2017). Biohybrid actuators for robotics: A review of devices actuated by living cells. Science Robotics, 2(12), eaaq0495..

• Biorobotics: מערכות רובוטיות המחקות תהליכים ביולוגיים, משתמשות ברכיבים ביולוגיים, או מתקשרות עם מערכות חיות¹⁹Blackiston, D., Kriegman, S., Bongard, J., & Levin, M. (2023). Biological robots: Perspectives on an emerging interdisciplinary field. Soft Robotics, 10(4), 674–686..

• Biomachine Interfaces: ממשקים המקשרים בין מערכות ביולוגיות לבין מכשירים או מערכות טכנולוגיות, לצורך תקשורת, בקרה או חילופי מידע ופעולה הדדית²⁰Knothe Tate, M. L., Detamore, M., Capadona, J. R., Woolley, A., & Knothe, U. (2016). Engineering and commercialization of human-device interfaces, from bone to brain. Biomaterials, 95, 35-46..

• Biohybrid Robots

• Bio-integrated soft robotics: מערכות רובוטיקה רכה המשתלבות פיזית ותפקודית עם מרכיבים ביולוגיים חיים, לצורך פעולה עדינה, חכמה ובתאימות מלאה לסביבה ביולוגית²¹Feinberg, A. W. (2015). Biological soft robotics. Annual Review of Biomedical Engineering, 17, 243-265..

• Living materials: חומרים הכוללים תאים חיים או מרכיבים ביולוגיים פעילים, המסוגלים לגדול, להגיב לסביבה, או לבצע פונקציות ביולוגיות מתקדמות²²Shang, L.; Shao, C.; Chi, J.; Zhao, Y. Living Materials for Life Healthcare. Accounts of Materials Research 2021, 2 (1), 59–70..

4. Digital Twins for Biology:

• Biocomputing

• Digital Organs: מודלים דיגיטליים מתקדמים של איברים ביולוגיים, המבוססים על שילוב של נתונים ביולוגיים, פיזיולוגיים וגנטיים עם סימולציות ממוחשבות, במטרה לייצג, לחזות ולנתח את תפקוד האיבר החי²³Hansen, J., Jain, A. R., Nenov, P., Robinson, P. N., & Iyengar, R. (2024). From transcriptomics to digital twins of organ function. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 12, 1240384..

5. Biomanufacturing:

• Cell-Free Biotechnology: שיטה להפעלת מערכות ביוכימיות בתנאים מלאכותיים מחוץ לתאים חיים. גישה זו מאפשרת שליטה מדויקת יותר על תנאי הסביבה, מהירות תגובה וגמישות בתכנון ובייצור ביולוגי²⁴r, B. J., Vögeli, B., Landwehr, G. M., Bogart, J. W., Karim, A. S., & Jewett, M. C. (2021). Toward sustainable, cell-free biomanufacturing. Current Opinion in Biotechnology, 69, 136–144..

• Bioprocess Engineering: ענף של הנדסה העוסק בתכנון, פיתוח, אופטימיזציה והפעלה של תהליכים תעשייתיים שמבוססים על אורגניזמים חיים או רכיבים ביולוגיים לטובת ייצור חומרים כמו תרופות, חלבונים, כימיקלים, דלקים ביולוגיים, מזון, משקאות ועוד²⁵Koutinas, M., Kiparissides, A., Pistikopoulos, E. N., & Mantalaris, A. (2013). Bioprocess systems engineering: Transferring traditional process engineering principles to industrial biotechnology. Computational and Structural Biotechnology Journal, 3, e201210022..

• Synthetic Biology

• Bioprinting

• Metabolic Engineering

ברמה זו נכללות טכנולוגיות בסיס שמספקות את התשתית להתרחשותו של הביוקונברג’נס, גם אם הן עצמן אינן נחשבות ביוקונברג’נס. מדובר בטכנולוגיות המאפשרות ניתוח, תכנון, עיבוד או אינטראקציה עם מערכות ביולוגיות. ללא טכנולוגיות אלה, לא ניתן היה לבנות את פלטפורמות הביוקונברג’ס עצמן – הן מהוות את אבני היסוד שעליהן נשענות מערכות מתקדמות יותר.

בדומה לרמה הקודמת, גם כאן מוצגות הטכנולוגיות התומכות לפי שיוכן למושגי הליבה מהרמה הראשונה. כמו ברמה הקודמת, גם ברמה זו חלק מהטכנולוגיות מופיעות תחת יותר ממושג ליבה אחד (למשל Carbon nanotubes). הדבר משקף את אופיו הבין-תחומי של הביוקונברג'נס ואת השילוב העמוק בין עולמות תוכן שונים.

1. Bioelectronics:

• Microfluidics: תחום העוסק בזרימה, שליטה, מניפולציה וניתוב של כמויות זעירות מאוד של נוזלים (בדרך כלל מיקרוליטרים ועד ננוליטרים) בתעלות מיקרוסקופיות²⁶Hajam, M. I., & Khan, M. M. (2024). Microfluidics: A concise review of the history, principles, design, applications, and future outlook. Biomaterials Science, 12, 211..

• Molecular recognition: תהליך ביוכימי שבו מולקולה אחת מזהה ומתקשרת באופן סלקטיבי עם מולקולה אחרת, בדרך כלל על בסיס התאמה מדויקת במבנה, גודל וכימיה²⁷Kim, D. C., & Kang, D. J. (2008). Molecular recognition and specific interactions for biosensing applications. Sensors (Basel), 8(10), 6605–6641..

• Graphene transistors: טרנזיסטורים אלקטרוניים המבוססים על גרפן (שכבה דו-ממדית של אטומי פחמן) במקום סיליקון, ומאפשרים הולכה מהירה במיוחד של אלקטרונים, צריכת אנרגיה נמוכה ותפקוד בקנה מידה ננומטרי²⁸Cai, Q., Ye, J., Jahannia, B., Wang, H., Patil, C., Redoy, R. A. F., Sidam, A., Sameer, S., Aljohani, S., Umer, M., Alsulami, A., Shibli, E., Arkook, B., Al-Hadeethi, Y., Dalir, H., & Heidari, E. (2024). Comprehensive study and design of graphene transistor. Micromachines, 15(3), 406..

• Carbon nanotubes: מבנים גליליים ננומטריים עשויים גרפן מגולגל, בעלי רגישות גבוהה לשינויים ביולוגיים, ותכונות מכניות, תרמיות ואלקטרוניות יוצאות דופן, שיכולים לשמש כחומרים לחיזוק, מוליכים, חיישנים או רכיבים אלקטרוניים²⁹Brito, C. L.; Silva, J. V.; Gonzaga, R. V.; La-Scalea, M. A.; Giarolla, J.; Ferreira, E. I. A Review on Carbon Nanotubes Family of Nanomaterials and Their Health Field. ACS Omega 2024, 9 (8), 8687-8708..

2. Bioengineering:

• Multi-omics: גישה מתקדמת במחקר ביולוגי ורפואי, המשלבת נתונים ממספר שכבות מידע לצורך הבנה מקיפה של מערכות ביולוגיות, מחלות או תפקודים תאיים³⁰Gutierrez Reyes, C. D., Alejo-Jacuinde, G., Perez Sanchez, B., Chavez Reyes, J., Onigbinde, S., Mogut, D., Hernández-Jasso, I., Calderón-Vallejo, D., Quintanar, J. L., & Mechref, Y. (2024). Multi Omics Applications in Biological Systems. Current Issues in Molecular Biology, 46(6), 5777-5793..
  • Genomics: תחום העוסק בחקר הגנום כולו – כלומר, ברצף ה-DNA של אורגניזם שלם – כולל זיהוי גנים, מבנה הגנום, תפקוד הגנים, ויחסי הגומלין ביניהם.
  • Proteomics: תחום העוסק בזיהוי, כימות וחקר של כלל החלבונים (הפרוטאום) המיוצרים בתא או באורגניזם, בזמן נתון ובתנאים מסוימים.
  • Transcriptomics: חקר כלל תוצרי התעתוק (mRNA) הנוצרים מתהליך ביטוי הגנים בתאים. מספק תמונה דינמית של אילו גנים פעילים, באילו תאים, ובאיזו מידה – ומשמש להבנת בקרת גנים, הבדלים בין רקמות, והתפתחות מחלות.
  • Metabolomics: חקר כלל המטבוליטים (מולקולות קטנות כמו סוכרים, חומצות אמינו, ליפידים וכו') בתא או אורגניזם.
  • Single-cell omics: קבוצה של שיטות מתקדמות המאפשרות למדוד מידע גנטי, אפיגנטי, תעתיקי או מטבולי ברמת תא בודד, וכך חושפות הבדלים בין תאים בודדים בתוך אוכלוסייה הומוגנית לכאורה.

• Bioinformatics: תחום העוסק בפיתוח ויישום של אלגוריתמים, כלים חישוביים ומאגרי מידע לצורך ניתוח, עיבוד ופרשנות של מידע ביולוגי³¹Luscombe NM, Greenbaum D, Gerstein M. What is bioinformatics? A proposed definition and overview of the field. Methods Inf Med. 2001;40(4):346-58. PMID: 11552348..

• Gene editing: שיטה ביולוגית המאפשרת שינוי מכוון, מדויק ומבוקר של רצפי DNA בגנום של אורגניזמים חיים, לצורך תיקון, הסרה או הוספה של מקטעים גנטיים³²Khalil, A. M. (2020). The genome editing revolution: review. Journal of Genetic Engineering and Biotechnology, 18, 68..
  • CRISPR: מערכת ביולוגית טבעית שנמצאה בחיידקים ומשמשת כיום ככלי לעריכה גנטית מדויקת. המערכת מבוססת על שימוש באנזים Cas שמכוון לרצף DNA ספציפי באמצעות מולקולת RNA מנחה.

• Microfluidics

3. Bionics for Machinery

• Biomaterials: חומרים סינתטיים או טבעיים המותאמים לפעולה בסביבה ביולוגית- לא רעילים או מזיקים לה, ולעיתים גם מסוגלים להשתלב באופן פעיל בתהליכים ביולוגיים³³Zhang, K., Ma, B., Hu, K., Yuan, B., Sun, X., Song, X., Tang, Z., Lin, H., Zhu, X., Zheng, Y., García, A. J., Mikos, A. G., Anderson, J. M., & Zhang, X. (2022). Evidence-based biomaterials research. Bioactive Materials, 15, 495–503..

• Soft Robotics: רובוטים המבוססים על חומרים רכים וגמישים כמו סיליקון, גומי, או רקמות ביולוגיות, במטרה לייצר תנועה טבעית, המסתגלת לסביבה, ובטוחה לשימוש בתחומים כמו רפואה, תעשייה וחקלאות³⁴Wang, Y., Wang, Y., Mushtaq, R. T., & Wei, Q. (2024). Advancements in soft robotics: A comprehensive review on actuation methods, materials, and applications. Polymers, 16(8), 1087..

• Carbon nanotubes

•  Graphene composites

4. Digital Twins for Biology

• IoT (Internet of Things): רשת רחבה של מכשירים וחיישנים (כולל ביולוגיים), המחוברים זה לזה ודרך מערכות מידע, שמאפשרים איסוף וניתוח נתונים מרובים בסביבה מורכבת ובקנה מידה רחב³⁵Kumar, S., Tiwari, P., & Zymbler, M. (2019). Internet of Things is a revolutionary approach for future technology enhancement: a review. Journal of Big Data, 6, Article 111..

• AI/ML: טכנולוגיות שבהן מחשבים ומערכות לומדות מנתונים ומבצעות משימות אינטליגנטיות, כולל זיהוי דפוסים, חיזוי, קבלת החלטות ואוטומציה, עם דגש על יכולת למידה עצמית ושיפור ביצועים לאורך זמן³⁶Helm, J. M., Swiergosz, A. M., Haeberle, H. S., Karnuta, J. M., Schaffer, J. L., Krebs, V. E., Spitzer, A. I., & Ramkumar, P. N. (2020). Machine learning and artificial intelligence: Definitions, applications, and future directions. Current Reviews in Musculoskeletal Medicine, 13(1), 69–76..

• Systems Biology: תחום מחקר המשלב נתונים ביולוגיים עם מודלים מתמטיים, חישוביים וביו-אינפורמטיים, במטרה להבין כיצד אינטראקציות בין רכיבים ביולוגיים (כגון גנים, חלבונים ותאים) מובילות לתפקוד הכולל ולהתנהגות הדינמית של מערכות ביולוגיות שלמות³⁷Spivey, A. (2004). Systems biology: The big picture. Environmental Health Perspectives, 112(16), A938–A943..

• Computational Modeling: שיטה מתמטית-חישובית לבניית מודלים של מערכות מורכבות, המאפשרת לדמות, לנתח ולחזות את התנהגותן בתנאים שונים. המידול מתבצע באמצעות משוואות, אלגוריתמים וסימולציות ממוחשבות, ומשמש ככלי מחקר במגוון תחומים, כולל ביולוגיה, פיזיקה, כלכלה ועוד³⁸Quinn J. M., Moody J. W. (2020). Computational modeling. In Atkinson P., Delamont S., Williams R. A., Cernat A., Sakshaug J. W. (Eds.), Sage research methods foundations. Sage Publications..

5. Biomanufacturing

• Microfluidics

• Biomolecules: מולקולות אורגניות המיוצרות על ידי אורגניזמים חיים, ומשמשות לבניית מבנים תאיים, העברת מידע גנטי, והפעלה ובקרה של תהליכים ביולוגיים³⁹Shah, D. (2023). Biomolecules: The elements that make up life. International Research Journal of Basic and Clinical Studies, 8(4), 1-3..

• Bioreactor Systems: מערכות הנדסיות המיועדות לגידול או שימור מיקרואורגניזמים או רכיבים ביולוגיים אחרים בתנאים מבוקרים, לצורך ייצור של חומרים ביולוגיים או רקמות מהונדסות. מערכות אלו מאפשרות שליטה מדויקת בפרמטרים סביבתיים כגון טמפרטורה, pH, חמצן, תזונה ותסיסה⁴⁰Palladino, F., Marcelino, P. R. F., Schlogl, A. E., José, Á. H. M., Rodrigues, R. C. L. B., Fabrino, D. L., Santos, I. J. B., & Rosa, C. A. (2024). Bioreactors: Applications and innovations for a sustainable and healthy future-A critical review. Applied Sciences, 14(20), 9346..