חלבונים, קוונטים וזרמים חשמליים

בקיצור
 
השאלה: כיצד חלבונים מוליכים חשמל?
 
הממצאים: בניסויים שבוצעו על החלבון "אזורין" זיהו מדעני המכון תופעות כמו מינהור ופיצוי, שאיפשרו לחלבון להתנהג יותר כמוליך חשמלי מיוחד, ופחות כמו חומר ביולוגי.

מדענים ממכון ויצמן למדע הראו באחרונה, כי למרות שחלבונים הם מולקולות גדולות יחסית, נראה כי בכל הנוגע לתהליכי הולכת זרמי החשמל מתחוללות בהם תופעות קוונטיות. המחקר, שפורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Advanced Science, בוצע במסגרת שיתוף-פעולה רב-תחומי בין פרופ' דוד כאהן מהמחלקה לחומרים ופני שטח, פרופ' מרדכי (מודי) שבס מהמחלקה לכימיה אורגנית, פרופ' ישראל פכט מהמחלקה לאימונולוגיה, החוקר הבתר- דוקטוריאלי ד"ר נדב אמדורסקי, ותלמיד המחקר (אז) ד"ר ליאור ספונרו, כולם ממכון ויצמן למדע.
 
קבוצת המחקר הראתה בעבר, תוך שימוש יצירתי בתהליכים כימיים, שחלבונים רבים מסוגלים לשמש כמוליכים חשמליים, ואף להוליך זרם בעוצמה גדולה מהצפוי, הדומה לעוצמת הזרם במוליכים למחצה, דוגמת אלה המשמשים בתעשיית המחשבים או בהתקנים חשמליים אחרים. בין יתר החלבונים חקרו המדענים חלבון הקרוי "אזורין", המכיל נחושת באתרו הפעיל, אותו בודדו מחיידקים, בהם הוא משמש כנשא אלקטרונים במחזור המרת האנרגיה של התא. במחקריו הקודמים של פרופ' פכט נמצא, כי אלקטרונים מסוגלים לנוע בתוך חלבון זה למרחקים של עד כשלושה ננומטרים; דהיינו, מרבית אורכו של החלבון.
 
המדענים הפרידו את האזורין מסביבתו הטבעית, כלומר מתמיסה מימית, ומדדו את מוליכותו במערכת "יבשה", כאשר החלבון נמצא בין שני מגעים חשמליים. הם בדקו כיצד משפיעים שינויי טמפרטורה בסדר גודל של מאות מעלות או הוצאת יון הנחושת, החלפתו ביונים מתכתיים אחרים, או אף החלפת מולקולות המים הקשורות למעטפתו החיצונית במולקולות מים "כבדים", על הולכת הזרמים החשמליים על-ידי החלבון. בצורתו הטבעית (כלומר כאשר הוא מכיל את יון הנחושת), אזורין מוליך טוב בהרבה מכל תצורה אחרת. אך מעל לכל, ולהפתעתם, גילו המדענים כי חשיפת החלבון הטבעי לתחום רחב של טמפרטורות לא גרמה לשינוי ביכולתו להוליך זרמים. במילים אחרות, האזורין התנהג יותר כמו מוליכים חשמליים מיוחדים מאשר כחומר ביולוגי.
 
פרופ' כאהן סבור, כי העדר תלות המוליכות בטמפרטורה עשויה להיות תוצאה של תופעה קוונטית הקרויה "מינהור". באמצעות מינהור קוונטי יכול אלקטרון לעבור מחסום, שלפי חוקי הפיסיקה הקלאסיים הוא אינו מסוגל לעוברו. תופעות קוונטיות כמו מינהור נצפות, בדרך כלל, בחלקיקים קטנים, או במערכות שכוללות אטומים ספורים. חלבונים, לעומת זאת, הם מולקולות גדולות, המכילות אלפי אטומים. משום כך סברו מדענים רבים, כי בחלבונים, כמערכת, לא סביר שיתחוללו תופעות קוונטיות בכל הקשור למעבר אלקטרונים. הגילוי שתופעות קוונטיות מתחוללות בחלבונים ובמערכות ביולוגיות עשוי לסייע בפיתוח תחום מחקר חדש זה בביופיסיקה ובביוטכנולוגיה. 
 
יתרה מזאת, המדענים גילו כי רמת המוליכות של אזורין מעידה על תופעה המכונה "פיצוי": כלומר, אם אלקטרון נתקל במחסום אנרגיה, נפתחות לפניו אפשרויות נוספות שיסייעו לו לעבור את המחסום. תופעה זו מוּכרת יותר בחומרים מוליכים למחצה "רגילים", כמו תחמוצות מתכתיות. "נקודת הפיצוי" – הטמפרטורה שבה כל גרסאות החלבון מוליכות אלקטרונים באותה היעילות – התרחשה כאשר החלבון הטבעי הגיע לטמפרטורה שבה הוא מאבד את המבנה התלת-ממדי שלו, ולכן מפסיק לתפקד. נמצא, כי גם האזורין פועל על-פי עקרונות הפיצוי, והזרם בנקודת הפיצוי עבור כל גרסאות החלבון יהיה זהה לזה של החלבון הטבעי. לכן, רמת הזרם של החלבון במצבו הטבעי הופכת להיות הזרם הגבוה ביותר שיכול לעבור בכל הגרסאות של החלבון. "נראה כמעט כאילו הטבע מספק לנו רמזים לדרך שבה מתפקדים חלבונים כמו אזורין", אומר פרופ' כאהן. "אחד הדברים שלמדנו הוא, שנראה כי המבנה הטבעי שבו מקופל החלבון – והאופן שבו קשור יון הנחושת – חיוניים לפעילותו, וליכולתו להוליך זרם חשמלי. ייתכן כי הקיפול יוצר מסגרת אידאלית, שמייעלת את המוליכות".
 
המדענים מקווים, כי תוצאות מחקר זה אכן יעוררו רעיונות חדשים באשר לדרכי פעולתם של חלבונים כמכונות ביולוגיות זעירות. "האבולוציה העניקה לנו חלבונים, שנמצא כי מסיבות שעדיין איננו מבינים לעומקן, הם מסוגלים להוליך חשמל ביעילות מפתיעה", אומר פרופ' פכט. "הקסם, המשיכה והיתרונות בשימוש בחלבונים נובעים מכך שביכולתנו לשנות אותם במיגוון רחב ביותר של דרכים, ולהתאימם בכך למיגוון הרחב של רעיונותינו וצרכינו".