סקירה: ביולוגיה סינתטית בשירות הביטחון

* מתוך מו"פ ביטחוני בעולם (לקט עיתונות) דצמבר 2020-ינואר 2021 המנהל לפיתוח אמל"ח ותשתית טכנולוגית, משרד הביטחון

תחום הביולוגיה מאגד תחתיו את כלל ענפי המחקר העוסקים ביצורים החיים - מחיידק ועד אדם - ביחסי הגומלין ביניהם, בהרכבם ובאופן פעולתם. יתרונותיו המרכזיים הם: חישה ומודיעין; גישה לאתר מבלי להיות בו; שבירה של תקרות זכוכית והפתעה טכנולוגית; טיפול באדם והעצמתו; חיבוריות רשתית. מערכות ביולוגיות ניתנות לרתימה לצרכים בסיסיים שונים של המערכת האזרחית ושל מערכת הביטחון, בהם איסוף מידע וניטור של הסביבה, לצד ייצור חומרים ומערכות עם ביצועים אולטרה־גבוהים. ביולוגיה סינתטית היא דיסציפלינה חדשה יחסית. על־פי ה־NIH (National Institutes of Health): "מדובר בתחום מדעי בו מעצבים מחדש אורגניזמים למטרות מועילות על־ידי הנדסה של תכונות חדשות עבורם". יש המרחיבים הגדרה זו גם לתת־מרכיביהם של האורגניזמים: חלבונים, תאים סינתטיים, מעגלים לוגיים גנטיים ועוד. ברמה המולקולרית, העושר הפונקציונלי, המגוון והמורכבות של אבני הבניין הביולוגיות מגיעים לביצועים מתוחכמים העולים בהרבה על הטכנולוגיות ההנדסיות הקיימות. חוקרים וחברות ביולוגיה סינתטית ברחבי העולם רותמים את הכוח של הטבע לפתרון בעיות ברפואה, בייצור ובחקלאות. קהילת החדשנות המרכזית בתחום, synbiobeta, מגדירה את הביולוגיה הסינתטית גישה הנדסית לביולוגיה. לדבריה, המטרה היא ליצור ולהשתמש בכלים המאפשרים לתכנן ולבנות פונקציות בתוך תאים. אין ספק כי השווקים המרכזיים בהם יפעלו טכנולוגיות הביולוגיה הסינתטית הם הרפואה והחקלאות, אך למערכת הביטחון צרכים ייחודיים משלה שהטכנולוגיות הביולוגיות החדשות יכולות לספק להם מענה, ואין סיבה שארגוני הביטחון לא ימנפו את הפריצות האזרחיות לטובתם, או לחילופין לא ייזהרו מהאיומים המתלווים לכל פיתוח של טכנולוגיה חדשה. במרבית ארגוני המו"פ הביטחוני, באופן טבעי, רב הנסתר על הגלוי. עם זאת, ניתן להבחין במספר מגמות ברורות.

בינואר 2015 פורסמה בארצות־הברית הערכה טכנולוגית לביולוגיה סינתטית על ידי המשרד למודיעין טכנולוגי, הפועל תחת תת־מזכיר ההגנה לנושאי מחקר והנדסה. במסגרת העבודה נבחנו ההתפתחויות הפוטנציאליות מול צורכי מערכת הביטחון האמריקנית, תוך התחשבות בשיקולי תקצוב מגופים אזרחיים וממשלתיים אחרים. זאת, לצד חידוד הצרכים הייחודיים של מערכת הביטחון שאליהם ניתן למנף את הפיתוחים האזרחיים. בסקירה זוהו כמה תחומים מובילים ובהם חומרים מתקדמים בייצור ביולוגי, חישה ביולוגית (ביו־סנסורים) והגנה מטרור ביולוגי. בראיית כותבי המסמך יש יישומים רבים גם בתחומי הרפואה הצבאית וההעצמה האנושית, אך שם החידוד של הצורך הביטחוני מול האזרחי פחות מובהק וכמות ההשקעות צריכה להיות פחותה מאשר בתחומים האחרים. כמו כן, זוהה פער בכוח אדם מתאים בתוך מערכת הביטחון, בפרט בהתחשב בתקופת הלמידה הארוכה יחסית הנדרשת. לפיכך, הומלץ על הכשרה מיידית של מסה קריטית של כוח אדם על־מנת שיוכלו לתת מענה לצרכים העתידיים ולנהל את תוכניות המו"פ שיצמחו. ההכשרה יכולה להיות דרך גיוס מומחים בתחום לתוך מערכת הביטחון ולימוד הצרכים ושיטות העבודה בה, או באמצעות הכשרת אנשי מערכת הביטחון לתחומי מדעי החיים, דרך האקדמיות הצבאיות.

אף שהפוטנציאל הטכנולוגי מהווה בפני עצמו סיבה להגברה משמעותית של הפעילות בתחום, מחקר עומק הראה ש־43% מכספי ההשקעות בחברות סטארט־אפ בתחומי הביוטכנולוגיה בארצות־הברית מגיעים מסין, וכך גם מאמר שהתייחס למרוץ בתחום בין סין וארצות־הברית בקהילת synbiobeta. התגובה האמריקנית לתובנות הללו לא איחרה לבוא, וההשקעות בתחומי מדעי החיים עלו ברמת העדיפות הלאומית וקיבלו תשומת לב מיוחדת בכל האמור לפיקוח על השקעות מהמזרח במסגרת התוכנית האמריקנית להתמודדות עם ההתעצמות הסינית Made in China 2025. דגש נוסף בנושא מופיע בדוח אסטרטגי שפורסם בינואר האחרון על־ידי האקדמיה הלאומית למדעים, הנדסה ורפואה, במימון של המשרד למודיעין טכנולוגי - אותו המשרד שפרסם את עבודת המטה שהוזכרה לעיל, והובילה לשינוי פרדיגמה בהשקעות מחלקת ההגנה האמריקנית בÎ2015. אחת ההשקעות הראשונות של DARPA, ארגון המו"פ הגדול ביותר בארצות־הברית בתחומי הביולוגיה הסינתטית הייתה דווקא בישראל בתחילת המילניום. התקציב הגיע לקבוצת מחקר באוניברסיטה העברית שעסקה בהנדסה גנטית של חיידקים לגילוי של מזהמים במים, לצד קבוצות מאוניברסיטת תל־אביב ואוניברסיטת בן־גוריון שעסקו בתחומים משלימים. מאז התפתחו כלים חדשים רבים, והפעילות הוסבה לגילוי חומרי נפץ. המחקר פורץ הדרך של האוניברסיטה העברית בהובלתו של פרופ' שמשון בלקין ובשיתוף המעבדות של פרופ' אהרון אגרנט ופרופ' עמוס נוסינוביץ' פורסם בשנת 2017 בכתב העת היוקרתי Nature biotechnology, והניב מערכת לזיהוי של TNT באמצעות חיידקים. החיידקים הונדסו להגיב בייצור חלבון פלואורוסנטי שהגיע במקור ממדוזות, בכל פעם שהם חשו בנוכחות של חומר הנפץ בסביבתם. האות הפלואורוסנטי הנפלט מהחיידקים ניתן למדידה מרחוק באמצעים אלקטרואופטיים, ובכך להעניק פתרון רגיש מאי פעם לכמויות מזעריות של חומר נפץ.

עד 2014 היו ל־DARPA חמישה משרדים טכנולוגיים:Defense sciences office, Information innovation office, Microsystems technology office, Strategic technology office & Tactical technology office. באפריל 2014, עשור לאחר ההשקעה במחקר הישראלי, הוקם המשרד השישי (והאחרון עד כה) – Biological technologies office) BTO). המשרד הפך במהרה לאחד הגדולים ביותר, עם תקציב של מאות מיליוני דולרים בשנה למו"פ בסיסי בתחומי הטכנולוגיות הביולוגיות. מאז ועד היום הותנעו במשרד זה 41 תוכניות פיתוח שונות (ייתכן שיש תוכניות נוספות שקיומן לא פורסם בציבור הרחב) העוסקות בתחומי הרפואה, החישה, מדעי המוח, הנדסה גנטית, ייצור ביולוגי, מדעי הים, ייצור די־אן־איי, אנטומולוגיה, מדעי הצמח, דיאגנוסטיקה ועוד. תוכניות אלו תרמו רבות להתפתחות הביוטכנולוגיה בביטחון ובשוק האזרחי. לדוגמה, בתוכנית P3 (Pandemic Prevention Platform) קודמו במשך שנים רבות טכנולוגיות להתמודדות עם מגיפות מתפרצות ואיומים ביולוגיים. מטרת התוכנית המוצהרת הייתה לשלב יכולות ביו־אינפורמטיקה, ביולוגיה סינתטית ועוד, על־מנת להגיע למצב שבו תוך 60 יום מרגע הופעת גורם מחלה חדש נוכל לעצור את התפשטות המגיפה. אף־על־פי שהמטרה עדיין לא הושגה, במסגרת משבר הקורונה ראינו כיצד חברת "מודרנה" הובילה את המרוץ לחיסון, לא מעט בזכות השקעות רבות שקיבלו מ־DARPA בשנים קודמות שתרמו לפיתוח והבשלת הטכנולוגיה לחיסוני RNA. גם חברת אסטרה־זניקה מעורבת בתוכנית הנ"ל, וחברות רבות אחרות בתחומי הדיאגנוסטיקה והתרופות.

בתוכנית "המפעלים החיים" הושקעו תקציבי עתק של מעל 100 מיליון דולר בהגברת יכולת הייצור הביולוגית של חומרים בעלי יישום ביטחוני. באוקטובר האחרון פרסמו DARPA וה־Navy במשותף על ניסוי מוצלח בדלק טילים בצפיפות גבוהה ועלות נמוכה שיוצר בשיטות ביו־סינתטיות. לפרסום קדמו מאמצים כבירים – בשלב הראשון של התוכנית, יעילות הייצור של מגוון חומרי מטרה שהוגדרו על־ידי משרד ההגנה הוגברה פי 7 והוזלה פי 4 ביחס לשיטות הקיימות. ב־2019 הושגה מטרת העל של ייצור מעל 1,000 מולקולות עניין ביטחוניות באמצעי ייצור ביולוגיים. גם נושא הבטיחות של הטכנולוגיות החדשות העסיק את הארגון רבות. במסגרת שתי תוכניות ענק - Control Systems and Biology ו־Safe Gene - קודמו טכנולוגיות מגוונות המבטיחות שליטה בתוצרי ההנדסה הגנטית כך שיהיו בטוחים לשימוש ויהיו כפופים לשליטה ובקרה מדויקת. כך התאפשר למשל ליזום את תוכנית (Advanced Plant Technologies) APT, השואפת לפתח צמחים שיבצעו איסוף מודיעין וחישה של חומרי עניין, קרינה ואף אותות אלקטרו־מגנטיים באופן רציף ותמים למראה. בתוכנית אחרת ליצירת ביו־סנסורים חדשניים מעורבת תעשיית הביטחון הענקית ריית'און, שנכנסה בנוסף לתוכנית זאת לפרויקטים נוספים בתחומי הטכנולוגיות הביולוגיות.

חברה נוספת שקיבלה מימון מ־DARPA ב־2017 במסגרת תוכנית Biological Robustness In Complex Settings) BRICS) היא חברת Phylagen, העוסקת בפענוח נקודת המוצא של כל חפץ והמסלול שאותו עבר, באמצעות חתימה ייחודית של אוכלוסיית המיקרו־אורגניזמים שהצטברו באבק שנמצא על־גבי החפץ (חיידקים, פטריות, וירוסים וכדומה). במהלך הפרויקט הדגימה החברה כיצד ניתן להתחקות אחר מסלול השיט של ספינה בנמל באותה דרך. גם בארגון האחות לענייני מודיעין - IARPA - לא שוקטים על השמרים. בינואר 2020 הוכרז פרויקט MIST במימון של 48 מיליון דולר לשני צוותי מחקר, שמטרתו אחסון וקריאה של מידע מדי־אן־איי סינתטי. מדוע מעוניין ארגון ביטחון לאחסן מידע על די־אן־איי? מכיוון שמולקולת ה-די־אן־איי היא אמצעי האחסון הדחוס ביותר הידוע לאדם כיום. אם יקודד לתוך מולקולת די־אן־איי ארוכה - ניתן יהיה לאחסן את כל המידע בעולם בחלל בגודל שנע בין כפית לחדר (יש מחלוקת בין המומחים, אבל זהו סדר הגודל עליו מדברים). יכולת כזאת יכולה להיות מהפיכה רבתי באופן שבו אנו מנהלים את כמויות המידע האדירות הנוצרות מדי יום ביומו. גם פרויקט FELIX של IARPA עלה לאחרונה למודעות בשל מטרתו שהפכה רלוונטית מתמיד בעידן הקורונה - איתור מחוללי מחלה (פתוגנים) מהונדסים גנטית. לעתים שיטות הנדסה גנטית שונות מותירות סימנים שניתן לדמות ל"צלקות" על גבי רצף די־אן־איי. מומחים לגנטיקה מולקולרית וביולוגיה סינתטית יכולים להשתמש בכלים חישוביים על־מנת לזהות את אותן "צלקות" המעידות על מניפולציה שנעשתה בגנום של הפתוגן, ולחקור את מקורותיה ומטרותיה מתוך קריאת הרצף הגנטי. לאחרונה הופעלו הקבוצות השונות הלוקחות חלק בפרויקט, כדי לנסות לענות על שאלת ההנדסה הגנטית של וירוס הקורונה. למרות שהתוצאות המפורטות לא פורסמו, באתר IARPA מופיעה תוצאה המראה שהנגיף אינו מכיל מקטעים גנטיים של מינים אחרים ובכך נשללה אחת האפשרויות להנדסה. כמו כן ניתן להסיק מעצם קיום התוכנית, שגופי ביטחון אמריקנים גדולים כגון IARPA, DARPA ואחרים מאמינים שמעבר לפוטנציאל החיובי האדיר של הביולוגיה הסינתטית יש בצידה פוטנציאל נזק גדול ויש לפתח כלים להתמודד עמו. סך הכול קיימות היום ב־IARPA לא פחות מ־6 תוכניות שונות בתחומי הביולוגיה המהוות 19% מתוך 32 התוכניות שמקדם הארגון. החל מ־2017 פועלת תוכנית בתחומי הביולוגיה הסינתטית בהיקף של 45 מיליון דולר, המשותפת לשלושת הזרועות הגדולות של הצבא האמריקני: Army, Air Force, Navy. בתוכנית זאת מועסקים מעל 100 מדענים המקדמים את תחומי החישה, ייצור החומרים וההעצמה האנושית. תוצרי התוכנית מכילים בין היתר סט של אורגניזמים שהותאמו ליישומי ביולוגיה סינתטית לצורכי הזרועות השונות, ואינם זני המעבדה המקובלים המוגבלים לסביבות מעבדה בלבד. יתרה מכך, חלק מהעבודה עסקה בפיתוח כלים להנדסת המיקרוביום האנושי (אוכלוסיית המיקרואורגניזמים החיים על גופנו ובתוכו) ככלי להעצמת הלוחם. בהקשר זה חשוב להסביר כי על כל תא אנושי בגופנו יש בין 3-1 תאים של מיקרו־אורגניזמים שניזונים מהמזון שלנו, מפרישים חומרים שונים המשפיעים על גופנו לרבות מצב הרוח, התיאבון ועוד. חברה ישראלית מוכרת בתחום היא DayTwo העוסקת בתזונה מותאמת אישית לפי חיידקי המעי של הלקוח המאופיינים באמצעות ריצוף גנטי.

במאמר מ־2019 צוטט הדובר של ה־Army שהכריז: "הביולוגיה הסינתטית הפכה להיות בין עשרת התחומים בראש סדר העדיפויות של מעבדות המחקר ARL". ה־Army אף פרסמו מאמר המתייחס לפוטנציאל של הביולוגיה הסינתטית, והתייחסו בין היתר לעבודה מרשימה מניו־זילנד על חומרים בעלי יכולות תיקון עצמי כאשר הצליחו לגרום לחיידקים רדומים שהם הכניסו לתערובת בטון לפעול בכל פעם שהם נחשפים למים ולסתום את הסדק. בהמשך יוכלו לפתח תיקון עצמי גם לחומרי המבנה של כלים תעופתיים, יבשתיים וימיים שנשחקים ועוברים בלאי ובכך לצמצם את הסיכוי לתאונות ולהוזיל את עלויות התחזוקה. לעתים שילוב של רכיבים ביולוגיים בלבד, ללא הצורך בתא חי, יכול לשפר מאוד את התכונות של חומרים. למשל, הודגמו חומרים בעלי תכונות חוזק ואלסטיות מרשימות כאשר שולבו בתוכם שברי אחוזים מחלבון קורי העכביש. נוסף על כך, צוות חוקרים של ה־Army בשיתוף פעולה עם מעבדה ב־MIT פיתחו כלים להנדסה של חיידקי קרקע שונים, מתוך ראייה עתידית של הנדסת חיידקים הנמצאים בשטח, שיהוו חיישנים המסייעים למשימות הצבא. בהמשך למדיניות לעודד הכשרת כוח אדם מתאים, האקדמיה של חיל האוויר האמריקני מקדמת תוכנית לימודים מלאה להכשרת מדענים צבאיים בתחומי הביולוגיה הסינתטית USBEP.[9] במסגרת התוכנית נלמדים לעומק קורסים בביולוגיה סינתטית ומולקולרית שיאפשרו להם לעבוד על פרויקטים עצמאיים בהמשך הדרך. כמו כן נבחרת האקדמיה של חיל האוויר משתתפת בתחרות הבין־לאומית לביולוגיה סינתטית iGEM על־מנת לעודד יוזמות מעשיות. השנה, אגב, זכה בתחרות צוות מהטכניון שפיתח ג'ל ללכידת נגיפי קורונה.

סוכנות המו"פ הביטחונית הבריטית DSTL משקיעה בתחומי הביולוגיה הסינתטית מזה כעשור, ובשנים האחרונות הגדילו את היקפי כוח האדם והתקציבים באופן משמעותי ומנסים, בשיתוף פעולה עם המאיץ הביטחוני DASA, לקדם יוזמות יצירתיות בתחום. ב־2016 כבר הושקעו 18 מיליון פאונד בקידום התחום, ובתחילת 2017 יזמו תחרות עם תקציבים של עד 750 אלף פאונד לפרויקט בנושא מיגון שקוף בטכנולוגיות ביולוגיה סינתטית. בסוף אותה שנה כבר פורסם על תוצאות ראשוניות המצביעות על ירידה של 35% במשקל המיגון. ב־2019 התחום מופיע בתוכנית העבודה הגלויה של הארגון כאחד התחומים המובילים, אך לא מפורטות הפעילויות השונות שבמסגרת התוכנית. ברמה האקדמית, צרפת ידועה כאחת המובילות בעולם בתחומי מדעי החיים, ויש לה מסורת ארוכת שנים של עשייה מדעית משמעותית בתחום. מבחינה ביטחונית, ארגון המו"פ והרכש של משרד ההגנה הצרפתי DGA פרסם דוח אסטרטגי בנושא הביולוגיה הסינתטית כבר ב־2011, ובו מצוינת ההחלטה על התחום כאחד מתחומי העדיפות הלאומיים כחלק מתוכנית "השקעות לעתיד" הממשלתית. מאז ככל הנראה חלה התקדמות משמעותית, וב־2016 אף פורסם על שיתוף פעולה עם DSTL להכשרת מדענים בתחום. בסוף 2018 פורסם דוח של הצבא הגרמני, המתמקד באיומים בתחום הביולוגיה הסינתטית ומדגיש שאסור לעשות את אותה טעות כמו בסייבר, ויש להשקיע בתחום על מנת לא להישאר מאחור. בדוח מעמיק של ברית נאט"ו על תחומים טכנולוגיים מבטיחים לשנים 2040-2020 צוינו בסך הכול 8 תחומים ובהם תחום הביו־טכנולוגיה. הדוח מזכיר פעמים רבות את השילוב עם טכנולוגיות אחרות כגון הבינה המלאכותית, מידע עתק וכדומה כמנועי צמיחה משמעותיים. תחומי הביו־אינפורמטיקה, ביו־סנסורים, העצמה אנושית ועוד הוזכרו כבעלי פוטנציאל משמעותי לחדשנות משבשת, תוך הזכרת דוגמאות כגון ננו־חיישנים ביולוגיים המוטמעים בתוך מדי הלוחם לזיהוי חומרים מסוכנים.

סיכום

הארגונים המובילים בעולם הגדילו באופן משמעותי את ההשקעות שלהם בתחום הביולוגיה הסינתטית בשנים האחרונות, בדגש על מספר תחומי יישום ובהם: חישה ואיסוף מודיעין, התגוננות מפתוגנים, אחסון מידע וייצור חומרים מתקדמים. במסגרת ההשקעות נבנות אבני בניין טכנולוגיות המאפשרות שליטה טובה יותר בפעולת המערכות הביולוגיות, איסוף ועיבוד מידע ביולוגי ויכולת שרידות של המערכות בשטח. על ההשקעות הביטחוניות נוספות השקעות עתק בתחומים האזרחיים, התורמים לפיתוח מהיר של התחום ולמציאת פתרונות למגוון רחב מאוד של בעיות בשלל תחומים. הביולוגיה הסינתטית יכולה וצריכה לתפוס מקום משמעותי יותר במו"פ הביטחוני. עולם המודיעין הוא ככל הנראה הנהנה המיידי: אנו מוקפים כל העת בעולם הטבע, ומשאירים עליו את חותמנו, במודע ולא במודע. מכאן שהטבע הוא מקור מידע בלתי נדלה גם אם לא נעשה בו כל מניפולציה, ורק נקרא את המידע שכעת אנו מסוגלים לקרוא. נוסף על כך, הכלים המתקדמים מתחומי מדעי החיים מאפשרים לשדרג את הכלים העתיקים שבהם השתמשו ציידים לקטים עוד בימי קדם כדי לאתר טרף או טורף, לכלים מודרניים ועוצמתיים המאפשרים מודיעין מדויק ורציף במרחב הפיזי. היכן עוד יוכלו הטכנולוגיות החדשות לתת מענה לצרכים ביטחוניים? מה הכישורים שיידרשו מכוח אדם צבאי־ביטחוני על־מנת ליישם את הפיתוחים? כמה זמן ייקח עד שנורגל בשימוש בהן? ישראל היא אחת המובילות העולמיות בתחומי מדעי החיים מצד אחד ובמו"פ ביטחוני מצד אחר. כאשר ייפגשו שתי נקודות הכוח הללו - ניתן לצפות להפתעות מרגשות.