פרס ישראל 2016

כיצד ומדוע נוצרים גושי כולסטרול העלולים לחסום את כלי הדם? מהם השלבים הראשונים בהפיכתם של המים לשכבת קרח? מה אפשר לעשות כדי למנוע היווצרות של אבנים במרה, או גבישים שגורמים למחלת גאוט? כל השאלות הללו מתמקדות למעשה באחד מהתהליכים החשובים בטבע: היווצרות גבישים. פרופ' מאיר להב ופרופ' לסלי ליזרוביץ מהמחלה לחומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, בחנו ביחד ולחוד במשך שנים, את התהליכים האלה. הם הצליחו לפענח חלק ניכר מחוקי הטבע השולטים בהם, בין היתר, באמצעות השגת תובנה עמוקה של תופעת הכיראליות (הכיווניות) במבנים מולקולריים ובגבישים). על מחקריהם אלה זכו פרופ' ליזרוביץ ופרופ' להב בפרס ישראל לחקר הכימיה והפיסיקה לשנת 2016.

העובדה שחומרים יכולים להתגבש בדרכים רבות ושונות, הציבה אתגר של ממש בפני מדענים רבים. פרופ' לסלי ליזרוביץ במחקריו הראשונים בתחום זה, בחן את הקשר בין מבנה המולקולות לבין הדרך שבה הן מסתדרות בגבישים השונים. באותה עת, עסק פרופ' להב בפיתוח שיטות לקבלת גבישים בעלי מבנה ותכונות כימיות מוגדרות. במחקרים אלה עלתה שאלת הכיראליות: כיווניות המולקולות השונות בגבישים נתונים. בטבע הדומם, קיימות כמויות דומות של מולקולות בעלות כיווניות ימנית ושמאלית (המקביל להבדל שבין כף יד ימין לכף יד שמאל, שאחת מהן מהווה תמונת ראי של האחרת). בעולם החי, לעומת זאת, קיימת העדפה כיוונית ברורה. למשל, רוב הסוכרים מפותלים בכיוון אחד, ורוב החומצות האמיניות מפותלות בכיוון אחר.

כיצד מערכת חסרת העדפה כיוונית (בחומר דומם) הופכת למערכת בעלת העדפה כיוונית מובהקת, כמו במערכות ביולוגיות? זו אחת משאלות המרכזיות בחקר התפתחות החיים. פרופ' להב ופרופ' ליזרוביץ ניצלו את הידע הרב שרכשו לאורך השנים במחקריהם כדי לפתח תהליכים המוכיחים ייתכנות של מעברים כאלה. הם מצאו גם שבתהליך הגיבוש, מספיקה כמות זעירה של מולקולות כיראליות (בעלות כיווניות מסוימת), כדי לגרום לשאר המולקולות (הלא כיראליות) להתגבש באופן כיראלי אחיד. מחקר זה הוביל לגילוי "כלל ההיפוך", שאיפשר למדענים לפתור שאלה שהייתה פתוחה במשך שנים רבות, באשר לקשר שבין המבנה הכיראלי המוחלט של מולקולה, לבין המבנה הסימטרי של גביש שבנוי מהמולקולות האלה. פתרון זה הוא אחד מהישגיהם הבולטים של השניים.

הבנת כלל ההיפוך הובילה, בנוסף, לפיתוח שיטות חדשות להפרדת תערובות של חומרים על-פי כיווניותם; לתכנן שינויים צורניים מבוקרים בגבישים ולקבלת גבישים בעלי מבנה שונה הנוצרים מאותו חומר (פולימורפיזם). ההבנה המשופרת שהושגה בדרך זו הביאה גם לשינוי תפיסתי באשר לסימטריה ולתכונות החדשות של גבישים המורכבים מיותר ממרכיב מולקולרי אחד. שיטות אלה מיושמות בתעשיית התרופות במקומות שונים בעולם.

במחקר פורץ דרך נוסף, פיתחו ליזרוביץ ולהב, בשיתוף פעולה עם מדענים דניים, שיטה קריסטלוגרפית חדשה, בה השתמשו באלומת קרני X ("רנטגן") רבת עוצמה שמקורה בסינכרוטרון, והצליחו לקבוע באמצעותה את המבנה המולקולרי של צברים קטנים הנוצרים על-פני המים. מבנים אלו מהווים גרעיניי התגבשות. פיענוח הרכבם איפשר שליטה בתהליך היווצרות הגבישים מראשית תהליך ההתגרענות; לזיהוי "נבטי קיפאון"; ובהבנת מנגנונים בהיווצרות גבישי כולסטרול ובגבישים הנוצרים במחלת המלריה.