משחקי גיבוש

החל בעצמות שלנו וכלה במכשירים הסלולריים שבכפות ידינו – חומרים בתצורת גביש תופסים מקום מרכזי בעולמנו. עם זאת, לרוב, אין באפשרותנו לחזות איזה גביש ייווצר, אם בכלל, מחומר מסוים – ואפילו מודל ההתגבשות ה"קלאסי" מוטל כיום בספק. במחקר שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי Nature, הצליחו מדעני מכון ויצמן למדע לצפות לראשונה בהיווצרות גבישים בתלת-ממד ברמת המולקולה הבודדת, וגילו מנגנון העוזר להסביר מקרי התגבשות שאינם מתאימים למודל הקלאסי. התשובה לשאלה כיצד נוצרים גבישים תסייע להבין איך צומח בעולמנו סדר מתוך אי-סדר, ותאפשר בעתיד לפתח תרופות וחומרים גבישיים רבים אחרים לרווחת האדם. 

אולי אין זה מפתיע שתהליך ההתגבשות כה קשה לפענוח, שכן במובן מסוים הוא מנוגד להיגיון הבריא: בדרך כלל בטבע, בדיוק כמו בארון הבגדים שלנו, נדרש מאמץ מיוחד כדי להשליט סדר ב"בלגן". כיצד, אם כך, נוצרים באופן ספונטני גבישים מסודרים בתמיסה "מבולגנת"? על-פי המודל הקלאסי להיווצרות גבישים, שפותח בתחילת המאה ה-20 , מולקולות המתנגשות זו בזו באקראי בתמיסה, יוצרות לעתים קשרים ביניהן. בשלב מסוים, המולקולות מתארגנות בגרעין גבישי זעיר שגדל בהמשך לגביש גדול יותר – באמצעות הוספת מולקולות למבנהו המסודר. ב-30 השנים האחרונות, עם התקדמות המיקרוסקופיה ושיטות דימות אחרות, החלו מדענים במעבדות שונות ברחבי העולם לגלות מקרי התגבשות שאינם תואמים את המודל הקלאסי. כך למשל, במקרים מסוימים, נראו גבישים שהתחילו בתור צֶבר מולקולות שאינו גבישי (אמורפי). ממצאים אלה הצביעו על כך כי יש לשקול מחדש את המודל הקלאסי, והעלו שאלות לגבי תהליך ההתגבשות המדויק. 

הפריטין התגבש בדרך שונה לגמרי מהמודל הקלאסי: לא נוצר מיד גרעין גבישי מושלם שהלך וגדל, אלא צֶבר מולקולות המאופיין במידת סדר נמוכה ביותר. צבר זה נהפך בהדרגה לצפוף ולמסודר יותר - תחילה במרכזו, אך עם הזמן התפשט הסדר גם לקצוות"

ד"ר לותר הובן וד"ר שרון וולף מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי הציעו להשתמש בשיטת דימות המכונה טומוגרפיית קריו-STEM - שיטה שפיתחו בעבר עם פרופ' מיכאל אלבאום מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית. במסגרת שיטה זו הדגימות עוברות ויטריפיקציה (זיגוג), ומיד לאחר מכן סורקים אותן מזוויות שונות באמצעות מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת-חודרת (STEM). השיטה, בשילוב ניתוח נתונים מתמטי, אפשרה לד"ר הובן – יחד עם ד"ר וולף וד"ר חיים ויסמן מהמחלקה לכימיה אורגנית – לשחזר את המיקום במרחב של כל מולקולת חלבון ולכמת את התפתחות הסדר בדגימות. החלבון שבו השתמשו החוקרים לצורך הניסוי הוא פריטין – חלבון המאחסן ברזל ברקמות שונות בגוף. המדענים סרקו את דגימות הפריטין לאחר שזיגגו את התמיסה שבה הן התגבשו בשלבים שונים של התהליך. כאשר איתרו את מיקומן של כל אחת ממולקולות הפריטין בדגימות, הם יכלו לאמוד את המרחקים ביניהן ואת צפיפותן, ולמדוד את הסידור המרחבי שלהן בהשוואה לגביש המסודר באופן מושלם. הממצאים העלו כי הפריטין התגבש בדרך שונה לגמרי מהמודל הקלאסי: לא נוצר מיד גרעין גבישי מושלם שהלך וגדל, אלא צֶבר מולקולות המאופיין במידת סדר נמוכה ביותר. צבר זה הפריש בהדרגה מולקולות מים, כך שמולקולות החלבון שבו התקרבו זו לזו, ובהדרגה נהפכו לצפופות ולמסודרות יותר. הפריטין המתגבש היה מסודר יותר תחילה במרכז הצבר, אך עם הזמן התפשט הסדר גם לקצוות. 

ממצאים אלה מצביעים על כך שהמודל הקלאסי להתגבשות אינו בהכרח מוטעה, אך הוא מסביר רק חלק מהמקרים. "ייתכן כי קיים בטבע רצף של אפשרויות להתגבשות – מהמודל הקלאסי ועד התהליך שאינו קלאסי שראינו בפריטין", אומר פרופ' ריבצ'ינסקי. "ויכול להיות גם שהתגבשות היא תמיד תהליך הדרגתי, אך היא מתרחשת במהירויות שונות, וכאשר הסדר נוצר מהר, נדמה כאילו הוא נוצר מיד, כפי שמתואר במודל הקלאסי".

גבישים לפי הזמנה

לא כל הגבישים נולדו שווים – גם כשמדובר בגבישים מאותו חומר ממש. כך למשל, כשמייצרים גבישים בתעשיית התרופות, עשויים להיווצר תריסר מבנים שונים מאותן המולקולות, אך ייתכן שרק אחד מהם מתאים לשימוש רפואי. באופן דומה, כשמייצרים גבישים לשימוש במכשור אלקטרוני אוופטי, השליטה על מבנה הגביש חיונית להשגת התכונות הרצויות. הבנת מנגנונים אלה לעומק עשויה לעזור לתכנן גבישים לפי הזמנה. למשל, בתעשיית התרופות, יוכלו לייצר מלכתחילה רק גבישים במבנה המבוקש שיהיו בעלי התכונות הרצויות. קביעת המבנה מראש תועיל מאוד גם בייצור גבישים לתאים סולאריים, למכשירי טלפון סלולריים, למסכי טלוויזיה ולהתקנים אחרים. באופן ספציפי, התגבשות חלבונים מהותית לייצור תרופות מבוססות חלבון, כמו למשל אינסולין, והיא חשובה גם לפענוח המבנה של חלבונים באמצעות קריסטלוגרפיית קרני רנטגן.