תרגילי סדר מולקולריים

איך בדיוק בנויה מולקולה גדולה מסוימת? כיצד מעוצב מבנה מולקולרי מורכב? התשובות לשאלות האלה עשויות להוביל להמצאות טכנולוגיות, לפיתוח שיטות מתקדמות לטיפול רפואי ועוד. גודלם הזעיר של הגופים האלה מאתגר את המדענים. בשנת 1912 העלה מקס פון לאואה רעיון, שלפיו הקרנה של גביש שבנוי ממולקולות בקרני X ("רנטגן") ומדידת התפזרות הקרינה לאחר שפגעה ו"עקפה" את המבנים הנבדקים (בגביש) עשויות ללמד על המבנה המרחבי של הגופים הנחקרים. על עבודה זו זכה פון לאואה בפרס נובל בפיסיקה לשנת 1914.

כמעט 100 שנים מאוחר יותר הצליחה פרופ' עדה יונת ממכון ויצמן למדע לגבש גבישים של ריבוזומים ובאמצעותם עלה בידה לפענח את המבנה של הריבוזום, וזכתה, יחד עם תומאס סטייץ, ונקטרמן רמאקרישנן, בפרס נובל בכימיה לשנת 2009. הצורך לגבש גבישים גדולים עדיין מהווה אתגר משמעותי לקביעת המבנה של מולקולות ביולוגיות רבות.

בשנה שעברה, הוענק פרס נובל בכימיה לז'ק דבושה, יואכים פרנק וריצ'רד הנדרסון על פיתוח מיקרוסקופיה אלקטרונית-קריוגנית, שמשפרת במידה רבה את הדימות של מולקולות ביולוגיות דוגמת חלבונים. מיקרוסקופ מסוג זה הותקן באחרונה במכון ויצמן למדע, והוא מרחיב במידה משמעותית את יכולתם של מדענים לחקור את המבנה של מולקולות ביולוגיות ואת תפקודן.

השלב הבא במסע החקר הזה עשוי להיות הקרנה של מולקולות בודדות (כלומר, שאינן מסודרות בגביש), בהבזקים קצרים מאוד של קרני X ומדידת הקרינה העוקפת אותן ומתפזרת מהן. בדרך זו אפשר יהיה – עקרונית – ללמוד על מבנה של מולקולה או מערכת מולקולרית, ללא צורך בגיבוש שהוא, במקרים רבים, קשה ומורכב.

תנאי הכרחי למימוש החזון העתידי הזה הוא שהמולקולות הנחקרות "יועמדו" באותו כיוון ("אוריינטציה"). דרך אחת לעשות זאת מבוססת על שימוש בהבזקי אור לייזר קצרים מאוד ומהירים יותר מכל התנודות והסיבובים של המולקולות הנבדקות. במאמר שפורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Communications מראים פרופ' איליה אברבוך, פרופ' יחיעם פריאור ותלמיד המחקר איליה טיוטיוניקוב מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון, יחד עם שותפיהם מאוניברסיטת ECNU בשנגחאי בקבוצתו של פרופ' ג'אן ואו, כיצד אפשר להשתמש בהבזקים של אור לייזר שיגרמו, באופן בררני, למולקולות המצויות בדוגמה הנבדקת להתייצב באותו כיוון. דבר זה יאפשר, בהמשך, לבחון את המבנה המרחבי של המולקולות האלה באמצעות הבזקים מהירים מאוד של קרינת X שישגרו אותם לייזרים עצמם.

המדענים הדגימו את השיטה החדשה על מולקולות של תחמוצת גופרית המורכבות משני אטומי חמצן ואטום אחד של גופרית. למולקולות אלה יש ציר שנקבע על-ידי אטומי החמצן, ובמאונך לו ממוקם אטום הגופרית.

"בשלב הראשון", אומר פרופ' פריאור, "שיגרנו הבזקי אור לייזר שכוונו אל אטומי החמצן – וייצבו את הצירים של המולקולות באותו כיוון. באמצעות שימוש בהבזקים של לייזר נוסף, הנובע מן הראשון ומתואם איתו, ותוך שליטה עדינה באורך ההבזקים ובעוצמתם, גרמנו לכך שגם אטומי הגופרית במולקולות שבניסוי יתייצבו בכיוון הרצוי". כך, תוך שימוש בשני הבזקים מתואמים, התייצבו מולקולות תחמוצת הגופרית שבדוגמה הנחקרת באותה "אוריינטציה".

שיטה זו מעלה אפשרות לפיתוח עתידי של שיטות לחקירת המבנה המרחבי של מולקולות, באמצעות הבזקים מהירים מאוד של קרינת X וללא צורך בגבישים גדולים. בעתיד, תוכל אולי השיטה להביא לידי הכרה מדויקת יותר של מבנים מולקולריים ולפתח אפשרויות לחקר התנהגותן התלויה בזמן של מולקולות אלה.