פרויקטי גמר שנה"ל תשע"ט - ביו הנדסה

201 Brain-Machine Interface (BMI)

ממשק מוח-מחשב

שם המנחה: פרופ' אריה וייס

אחראי אקדמי: פרופ' אריה וייס

תיאור הפרויקט ותכולתו:

Various neurological diseases may result in patients who are "shut-in", that is, unable to communicate with the outside world, even though they are fully conscious. These people would be greatly helped by even the ability to reliably indicate yes/no through a brain-machine interface.
There is a tremendous amount of work in this area, yet apparently no reliable solutions are widely available.

The goal of this project is to:
  1. Understand the state of the art in this area.
  2. To use a low cost EEG system to create a BMI that can provide at least a binary response with no voluntary movement.

The first phase of the project will be a literature search and a search of available systems.
The next phase is to select a low cost EEG system (under $1000) that is appropriate for this project.
The third phase is to develop the BMI based on the selected EEG system.

דרישות:

This project will involve using electronics and signal processing techinques.

קורות:
  1. http://www.instructables.com/id/DIY-EEG-and-ECG-Circuit/
  2. http://openbci.com/

202 Atomic force microscopy 1

מיקרוסקופ כח אטומי 1

שם המנחה: פרופ' אריה וייס

אחראי אקדמי: פרופ' אריה וייס

תיאור הפרויקט ותכולתו:

Atomic force microscopy (AFM) is an exciting technology that enables nanometer (nm) scale measurements, as well as force-distance curves of material or cell surfaces.

We want to use the AFM to image live cells in fluid. We have the required accessories to our AFM to do this, but it requires development of expertise in the use of the AFM. It is a challenging problem, but worth doing because it can enable ultra-high resolution imaging of the surfaces of live cells.

This project will provide the students with advanced AFM expertise

דרישות מקורות: 

Ability to learn new material.

מקורות:  

A set of animations that explain atomic force microscopy:
https://www.afmworkshop.com/atomic-force-microscope-animated-tutorials/

A video that describes our AFM:
https://www.afmworkshop.com/atomic-force-microscope-videos.html

203 Atomic force microscopy 2

מיקרוסקופ כח אטומי 2

שם המנחה: פרופ' אריה וייס

אחראי אקדמי: פרופ' אריה וייס

תיאור הפרויקט ותכולתו:

Atomic force microscopy (AFM) is an exciting technology that enables nanometer (nm) scale measurements, as well as force-distance curves of material or cell surfaces.

A study of solid state nuclear track detectors (SSNTD). These detectors are commonly used in radiation detection. High energy particles or ionising radiation cause latent damage which cane detected (after development) as pits or tracks in the detector. We want to use the AFM to image and characterise these features. The study is of immediate relevance to a large study related to the bing bang theory. It also is relevant to nuclear forensics and radiation safety.

This project will provide the students with advanced AFM expertise

דרישות מוקדמות:

Ability to learn new material.

מקורות:  

A set of animations that explain atomic force microscopy:
https://www.afmworkshop.com/atomic-force-microscope-animated-tutorials/

A video that describes our AFM:
https://www.afmworkshop.com/atomic-force-microscope-videos.html

204 Atomic force microscopy 3

מיקרוסקופ כח אטומי 3

שם המנחה: פרופ' אריה וייס

אחראי אקדמי: פרופ' אריה וייס

תיאור הפרויקט ותכולתו:

Atomic force microscopy (AFM) is an exciting technology that enables nanometer (nm) scale measurements, as well as force-distance curves of material or cell surfaces. A number of projects are available using this exciting technology.

Our AFM is completely open source -- hardware and software. The current software is Labview based, and has many of limitations. We are looking for someone to create a greatly improved version of the software (and some hardware improvements also). This project requires development of advanced expertise in Labview. it is appropriate for students who enjoy building things.

This project will provide the students with advanced AFM expertise

דרישות:

Ability to learn new material. Expertise in Labview

מקורות:

A set of animations that explain atomic force microscopy:
https://www.afmworkshop.com/atomic-force-microscope-animated-tutorials/

A video that describes our AFM:
https://www.afmworkshop.com/atomic-force-microscope-videos.html

205 Image Processing in microscopy

עיבוד תמונה במיקרוסקופיה

שם המנחה: פרופ' אריה וייס

אחראי אקדמי: פרופ' אריה וייס    

תיאור הפרויקט ותכולתו:

The goal of this project is to apply image processing to microscopy, with particular emphasis on segmentation and morphological analysis. There are a variety of projects that are included here. These include:

  1. Quantitative analysis of soybean plant images. This is done in collaboration with an American collaborator, with the goal of optimizing soybean production (don't laugh -- it is a 40billion dollar market...)
  2. Analysis of CR39 particle detectors. A large multinational collaboration is studying the primordial lithium problem in the big bang theory. As part of this effort, CR39 (plastic) detectors are used to detect high energy particles that are generated in experiments that simulate the nuclear reactions of the big bang. These detector are analysed using microscopy, and that is done at Bar Ilan. The goal of this project is to develop the algorithms required for this analysis, as well as to optimize the microscopy.

Besides the scientific interest in the fundamental physics, Cr-39 detectors are widely used in radiation safety (for example, to measure workplace radiation exposure), so this project may have very practical applications.

There are many other collaborative projects involving image processing and microscopy. If you are interested, speak to me about it.

דרישות:
  1. Ability to learn new subjects.
  2. Decent programming skills (preferably Python or Java).
מקורות:
  1. Optical Microscopy
    Michael W.Davidson and Mortimer Abramowitz
    The Florida State University
    www.microscopy.fsu.edu/primer/index.html
  2. Free textbook on Image processing: http://wiki.cmci.info/documents/ijcourses
  3. Introduction to python within ImageJ https://imagej.net/Jython_Scripting

206 Nuclear Forensics

פורנסיקה גרעינית

שם המנחה: פרופ' אריה וייס

אחראי אקדמי: פרופ' אריה וייס

תיאור הפרויקט ותכולתו:

We analyse the detectors used to find enriched uranium particles. This work involves:

  1. Large area, high resolution imaging of the detectors, and image processing of the large images that are generated.
  2. High resolution confocal microscopy in order to study the way that the detector operates.
  3. Atomic force microscopy of the detectors.
  4. Development of a method that will replace a microscope that costs 40000 Euro with a $500 scanner. We have some interesting preliminary results on this, and it would be very exciting to develop it further.

This work can easily support 2-3 project pairs, and it has the potential to develop into an MSc thesis.
This is part of a project that includes the International Atomic Energy Agency.

דרישות:
  • Excellence -- imagination is required.
  • Decent programming skills for the image processing. Python or Java are preferred.
מקורות:
  1. A paper on the topic:

    http://nuclearengineering.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2618470 Only the abstract is available free --contact Aryeh Weiss for the full paper

  2. Optical Microscopy
    Michael W.Davidson and Mortimer Abramowitz 
    The Florida State University
    www.microscopy.fsu.edu/primer/index.html
  3. Free textbooks on image processing: http://wiki.cmci.info/documents/ijcourses

207 Computational inference of kidney gene regulatory networks

שיטות חישוביות להבנה של רשתות גנטיות של תאי כליה

שם המנחה: דר' תומר קליסקי, דר' הלל קוגלר

אחראי אקדמי: דר' תומר קליסקידר' הלל קוגלר

תיאור הפרויקט ותכולתו:

מטרת הפרויקט להשתמש ולפתח אלגוריתמים ללמידה וסינתזה של רשתות גנטיות, תוך יישום האלגוריתמים להבנת ההתפתחות וההתנהגות של תאי כליה. מחלות כליה כרוניות נמצאות בעליה מתמדת בקרב האוכלוסייה, וכיוון שכיום הן אינן ניתנות לריפוי , החולים בהם עוברים סבל רב ופגיעה באיכות החיים, בנוסף למחיר כלכלי כבד המוטל על מערכות הבריאות. הבנה עמוקה יותר של הרשתות הגנטיות שמבקרות את תהליכי ההתפתחות וההתמיינות של תאי כליה עשויה לשמש בעתיד כלי חיוני בניסיונות לפתח שיטות טיפוליות חדשות. בפרויקט נפתח ונשתמש בכלים ואלגוריתמים שמאפשרים לבנות מודלים חישוביים של רשתות גנטיות תוך התמקדות בהבנת תהליכים התפתחותיים בכליה.

במהלך הפרויקט הסטודנטים ירכשו ידע בשיטות מידול של רשתות גנטיות, עם דגש על שימוש בשיטות אימות פורמלי וסינתזה (Formal Verification and Synthesis) ויישמו אותו על ידי שימוש באלגוריתמים לבנייה אוטומטית של מודל של רשתות גנטיות, המסוגל להסביר תוצאות ניסיוניות של ביטוי גנים (Gene Expression) של תאי כליה ולהציע ניבוי של התנהגות תאים בתנאי סביבה שונים או רקע גנטי של מוטציות רלוונטיות.

דרישות:

83691 Formal Verification and Synthesis (במקביל לפרויקט)
83670 Biological Computation (במקביל לפרויקט)

מקורות:
  1. F. Costantini and Raphael Kopan. "Patterning a complex organ: branching morphogenesis and nephron segmentation in kidney development." Developmental cell 18.5 (2010): 698-712.
  2. B. Yordanov, S-J Dunn, H Kugler, A. Smith, G. Martello and S. Emmott, S. A Method to Identify and Analyze Biological Programs through Automated Reasoning, Nature Systems Biology and Applications, 2016.
  3. Y. Shavit, B. Yordanov, S-J Dunn, C.M. Wintersteiger, T. Otani, Y. Hamadi, F.J. Livesey and H. Kugler. Automated Synthesis and Analysis of Switching Gene Regulatory Networks, BioSystems, 2016.
  4. O. Pleniceanu, O. Harari-Steinberg, B. Dekel, Concise review: Kidney stem/progenitor cells: Differentiate, sort out, or reprogram? Stem Cells. 28, 1649–1659 (2010).

208 System for genetic sequencing of antibodies from single cells

הקמת מערכת לריצוף גנטי של נוגדנים מתאים בודדים

שם המנחה: ד"ר פזית פולק, גב' אילת פרס

אחראי אקדמי: ד"ר גור יערי

תיאור הפרויקט ותכולתו:

מערכת החיסון הנרכשת פועלת באמצעות תאי דם לבנים המייצרים, בין השאר, רפרטואר עצום של נוגדנים אשר כל אחד מהם הוא ייחודי ויודע לזהות ולהילחם בסט שונה של פתוגנים. אפיון בקנה מידה גדול של רפרטואר הנוגדנים בבני אדם אפשרי כעת באמצעות טכנולוגיות מתקדמות של ריצוף גנטי. ניתוח רצפים אלה יכול לספק תובנות חדשות על מערכת החיסון הנרכשת, כמו גם להוות בסיס לפיתוח שימושים קלינים מגוונים. ניתוח רצפי נוגדנים משמש כיום למשל לזיהוי מחלת הלוקמיה, חיזוי הצלחת השתלת איברים ועוד. בנוסף, מאחר שהדנ"א המקודד ליצירת הנוגדן משתנה מתא לתא בגוף בתהליך אבולוציוני פנים גופי, קיימת האפשרות לשחזור ההיסטוריה האישית של ההתמודדות עם מחלות מנתונים אלו. בעתיד ישמשו הרצפים לצורך רפואה מותאמת אישית: היכולת להתאים את דרך הריפוי והתרופה למצב המערכת החיסונית של חולה מסוים.
המעבדה של דר' יערי עוסקת בהפקת רצפים גנטים של נוגדנים בתנאים שונים תוך שיתוף פעולה עם רופאים, ובמקביל מפתחת שיטות חישוביות וכלים סטטיסטים לעיבוד נתונים אלו לכדי ידע ביולוגי ממשי ושימושי.
אחד האתגרים הטכניים החשובים בתחום של ריצוף נוגדנים הוא, שעל מנת לקבל את מלוא המידע על כל נוגדן יש צורך לרצף כל תא בנפרד. פרויקט זה יעסוק בפיתוח מכשיר מעבדתי (ברוח הנחיות שפורסמו בספרות המדעית) שיהיה מסוגל לקבל תמיסה של תאי דם לבנים, לבודד כל תא בתוך בועית נפרדת, ולהמשיך את תהליך הפקת הדנ"א והגברתו לצורך הריצוף בתוך הבועיות הנפרדות.

דרישות:

חוש טכני, יכולת תכנות, סקרנות, שקדנות. ידע בביולוגיה מולקולרית וניסיון בעבודת מעבדה - יתרון.

מקורות:
  1. https://www.nature.com/articles/nprot.2016.024
  2. https://www.biorxiv.org/content/early/2017/05/05/134841

209 Probabilistic models for mutation processes in antibodies

ניתוח מוטציות גנטיות בנוגדנים באמצעות מודלים הסתברותיים

שם המנחה: ד"ר גור יערי, גב' אור שמש

אחראי אקדמי: ד"ר גור יערי

תיאור הפרויקט ותכולתו:

מדע הנתונים (data science) הינו תחום המתפתח במהירות בזכות טכנולוגיות מתקדמות המסוגלות לייצר כמויות עצומות של נתונים. ניתוח של הנתונים על מנת לענות על שאלות מחקר שונות דורש ידע והבנה בתחומים רבים כגון מתמטיקה, סטטיסטיקה, מדעי המחשב ועוד.

בעשור האחרון חלה התקדמות משמעותית בתחום ריצוף הגנום, וטכנולוגיות חדישות אפשרו ריצוף של כל החומר הגנטי ביעילות גבוהה ובעלות נמוכה וכך שינו את האתגר של איסוף המידע לאתגר של ניתוח נתונים רבים בזמן קצר.

המחקר במעבדה מתמקד בניתוח חישובי של רצפים גנטיים שמקורם בתאים של מערכת החיסון הנרכשת, תאי B וT. תאים אלו בעלי חשיבות רבה בהגנה על הגוף מפני מחוללי מחלה (פתוגנים) שונים ובנוסף מאפשרים זיכרון חיסוני שמתבטא בתגובה מהירה ויעילה בחשיפה חוזרת לאותו פתוגן.

היכולת לאפיין באופן חישובי את מיליוני הרצפים (רפרטואר) הנמצאים על גבי תאים אלו בגוף האדם הינה בעלת חשיבות קלינית עצומה. מספר פרויקטים שמתבצעים במעבדה לדוגמה, זיהוי מוקדם של דחיית שתל אצל מושתל כליה, מציאת תבנית (מוטיב) ברצפים של תאי B ברפרטואר של חולים שהבריאו באופן ספונטני מוירוס צהבת C שיעזור בפיתוח חיסון, בניית מודלים של למידת מכונה על מנת לזהות נטייה גנטית לפתח צליאק ועוד.

פרוייקט זה יעסוק בניתוח ואפיון כמויות גדולות של רצפים מתאי B ויכלול בניית מודלים הסתברותיים לאוסף המוטציות שעוברים הרצפים בתגובה לפתוגן, וזאת כדי ללמוד על מנגנון הביולוגי שעוברים התאים בתגובה החיסונית.

*מתאים גם למסלול עיבוד אותות.*

דרישות:

סקרנות, שקדנות, יכולת תכנות וידע בסטטיסטיקה והסתברות.

מקורות:

https://genomemedicine.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13073-015-0243-2
 

210 Characterization of Nanoparticles used for Diagnosis and Treatment in Medicine by Microscopic Tools

איפיון ננו-חלקיקים המשמשים לאבחנה וטיפול בתחום הרפואה ע"י שימוש במיקרוסקופיה

שם המנחה: חן צרור

אחראי אקדמי: פרופ' רחלה פופובצר

תיאור הפרויקט ותכולתו:

ננו-חלקיקים בעלי תאימות ביולוגית נמצאים בשימוש נרחב בתחום הרפואה, בעיקר בשל היכולת להוביל תרופות ואמצעי אבחון באופן ישיר לגידולים סרטניים. לצורך כך אנו מהנדסים חלקיקים בגודל המתאים למעבר בגוף ויוצרים מעטפת חיצונית מתאימה שתאפשר מענה על הצורך והשימוש הביולוגי. איפיון מדויק של החלקיקים הינה משימה לא פשוטה אשר דורשת שימוש במיקרוסקופים בעלי יכולות מתקדמות. בפרוייקט זה, הסטודנטים יחקרו את היכולת להשתמש באמצעים מיקרוסקופיים וסמנים פלורסנטיים מתקדמים ביותר על מנת לאפיין את החלקיקים ברמת הגודל, הציפוי ויכולת נשיאת תרופה. הסטודנטים יסייעו בפיתוח השיטות וכן בניית אלגוריתם לניתוח התוצאות באופן כמותי.

דרישות:

סטודנטים סקרנים ובעלי מוטיבציה אשר מעוניינים לבצע מחקר אשר משלב בתוכו תחומי עניין מגוונים מעולם ההנדסה, רפואה, כימיה ועיבוד מידע.

ידע בסיסי בביולוגיה- יתרון.

מקורות:

file://madrid.eng.biu.ac.il/enggrad/tzrorch/My%20Documents/9783319411286-c1.pdf

https://www.microscopyu.com/techniques/fluorescence/introduction-to-fluo...

211 Analysis and characterization of gene editing using CRISPR-nanoparticles for the treatment of cancer

אנליזה ואפיון של עריכה גנטית בשיטת קריספר עם ננו-חלקיקי זהב לטיפול בסרטן

שם המנחה: נוי אלמליח

אחראי אקדמי: פרופ' רחלה פופובצר

תיאור הפרויקט ותכולתו:

קריספר זוהי טכנולוגיה חדישה של עריכה גנטית, המאפשרת עריכה יעילה של מגוון תאים ומחלות. שיטה זו נמצאת בחזית המחקר ובעלת פוטנציאל גדול לשנות את פני הרפואה כיום. במעבדתנו, אנו מפתחים שיטה להכנסת מערכת הקריספר לתוך תאים, בשימוש עם ננו-חלקיקי זהב, על מנת לטפל בתאים סרטניים. מטרות הפרויקט עבור הסטודנטים יכללו בין היתר:
אפיון ואנליזה של ננו-חלקיקי זהב עם מערכת הקריספר, בניית אלגוריתם למדידת יעילות הכניסה של ננו-חלקיקי הזהב לתאים, אנליזה של יעילות הטיפול בתאים סרטניים ברמת העריכה הגנטית.

דרישות:

מומלץ - מבוא לביולוגיה למהנדסים

מקורות:
  1. https://www.cell.com/trends/biotechnology/fulltext/S0167-7799(17)30304-9
  2. https://www.nature.com/articles/s41467-018-04252-2
  3. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5718201/
  4. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.7b05299
     

212 Machine learning algorithms for analysis of high dimensional genomic datasets

ניתוח נתונים גנומיים באמצעות למידת מכונה

שם המנחה: תומר קליסקי

אחראי אקדמי: דר' תומר קליסקי

תיאור הפרויקט ותכולתו:

מטרת הפרוייקט היא ליישם ולפתח שיטות מבוססות למידת מכונה לצורך ניתוח נתונים גנומיים במימד גבוה.
הסטודנט יישם, יבחן, ויפתח שיטות חישוביות לניתוח מידע של ביטוי ורצפים גנומיים מרקמות וגידולים סרטניים במטרה לזהות ולאפיין אוכלוסיות נדירות של תאים ולשערך יחסי גומלין, מסלולי התפתחות, ורשתות בקרה.

דרישות:
  • שפות: R, Matlab ו Python 
  • קורסי קדם: גנומיקה, ביולוגיה חישובית וביואינפורמטיקה
מקורות:
  1. Dijk, D. van et al. MAGIC: A diffusion-based imputation method reveals gene-gene interactions in single-cell RNA-sequencing data. bioRxiv 111591 (2017). doi:10.1101/111591
  2. La Manno, G. et al. RNA velocity in single cells. bioRxiv 206052 (2017). doi:10.1101/206052
  3. Van Der Maaten, L. J. P. & Hinton, G. E. Visualizing high-dimensional data using t-SNE. J. Mach. Learn. Res. 9, 2579–2605 (2008).
  4. Eraslan, G., Simon, L. M., Mircea, M., Mueller, N. S. & Theis, F. J. Single cell RNA-seq denoising using a deep count autoencoder. bioRxiv 300681 (2018). doi:10.1101/300681
  5. Lummertz, E. et al. Reconstruction of complex single-cell trajectories. 1–13 (2018). doi:10.1038/s41467-018-03214-y

213 Development of sensor array based on SPR and fluorescence for detection of biological events

פיתוח מערך חישה מבוסס SPR ופלורוסנטי לזיהוי תהליכים ביולוגיים

שם המנחה: מריאנה ביידרמן

אחראי אקדמי: פרופ' רחלה פופובצר

תיאור הפרויקט ותכולתו:

פיתוח מערך חישה (ננו גלאי) המורכב ממשטח זהב המכוסה בננו חלקיקים וסמנים פלורוסנטיים בתצורות שונות לגילוי וזיהוי תהליכים ביולוגיים תוך שימוש במדידת זמני חיים של הפלורופור ובתְּהוּדַת פְּלַזְמוֹן (SPR).
הפרוייקט יכלול: קשירות חלקיקים על משטח זהב וזיהוי שנויים בתהודת פלסמון. קשירת צבענים פלורוסנטיים ומדידת שינויים בזמני חיים כתוצאה מניתוק או שינוי באורכי הקשירה. מדידית השפעת אורך הקשר בין פלורופור לבין החלקיק זהב במערכת הנ"ל. מדידות על משטחים עם תהודת פלסמון משתנה. כל זה יאפשר בניית חיישן עם שערים לוגיים.

דרישות:

אין דרישות מיוחדות.

מקורות:

ינתנו לפי הצורך

  • Principles of Fluorescence Spectroscopy
  • Fluorescence lifetime imaging – techniques and applications
  • SPR Biosensors: Historical Perspectives and Current Challenges

 

214  Developing a device for measuring neurons concentration

פיתוח התקן למדידת ריכוז תאי עצב

שם המנחה: פיני טנדייטניק וחן ארזי

אחראי אקדמי: פרופ' אורית שפי

תיאור הפרויקט ותכולתו:

בשנים האחרונות עם ההתקדמות הטכנולוגית ושיפור יכולות המדידה עולה הצורך בפיתוח חישנים ואלקטרודות בעלי ממשק לסביבה ביולוגית. פרויקט זה עוסק בפיתוח ויצור של אלקטרודות למדידת אימפדנס של אלקטרוליט ומדיום ביולוגי [1,2].

במסגרת הפרויקט התלמידים יתכננו יצור של אלקטרודות אשר תבאנה במגע עם תמיסות אלקטרוליטיות בעלות מיגוון של ריכוזים, של חומרים כימיים וסוגי תאים שונים.לאחר יצור האלקטרודות, תיבחן יעילותן בניסויים. 

תכולת הפרויקט:

  1. יצור התקן בשיטות של מיקרו-אלקטרוניקה ואיפיון חשמלי של ההתקן
  2. עבודה עם תאי עצב ומדידת הצימוד בין ההתקן לתאים
דרישות:

הפרויקט הוא מולטי דיסציפלינארי ומחייב לימוד מגוון נושאים הנדסיים וביולוגיים

מקורות:
  1. Stett, A., Egert, U., Guenther, E. et al. , " Biological application of microelectrode arrays in drug discovery and basic research ", Anal Bioanal Chem (2003) 377: 486.
  2. Yoon, Gilwon. "Dielectric Properties of Body Fluids with Various Hematocrit Levels." World Acad. Sci. Eng. Technol 5 (2011): 1646-1649.‏
  3. www.comsol.com