החלבון שבקצה המינהור

כשמדברים על מינהור קוונטי, חושבים בדרך כלל על ניסויים פיסיקליים בתנאי בקרה ייחודיים, על מיזוג גרעיני בליבות כוכבים, או על מערכות עתידניות של מיחשוב קוונטי. באחרונה הצליחו מדעני מכון ויצמן למדע לצפות בתופעה קוונטית זו גם בחלבונים הנמצאים במערכות ביולוגיות שונות, ובהן גוף האדם. תצפיות חדשות אלה מעלות אפשרות שתהליך המינהור הקוונטי ממלא תפקיד נרחב יותר מכפי שחשבו עד כה בפעילותם של חלבונים. לממצאים מפתיעים אלה, שפורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי ״רשומות האקדמיה האמריקאית למדעים״ (PNAS), עשויות להיות השלכות משמעותיות על מחקר ביוכימי של תהליכים ביולוגיים מהותיים המבוססים על הולכת אלקטרונים, וכן על האפשרות של פיתוחים ביו-אלקטרוניים.

מינהור הוא תהליך קוונטי, שנצפה בדרך כלל בחומר מוצק בתנאֵי מעבדה מבוקרים, לרוב בטמפרטורות נמוכות מאוד ובממדים קטנים הרבה יותר מחלבון. בפיסיקה קלאסית, חלקיקי חומר אינם יכולים לעבור מבעד למחסומים פיסיים או אנרגטיים. בפיסיקה קוונטית, לעומת זאת, קיים סיכוי שחלקיקים יעברו מצד אחד של המחסום לצדו האחר, בתהליך המכונה "מינהור". בחלבונים קשה מאוד לצפות בתופעה זו בגלל גודלן של המולקולות החלבוניות, וכן מפני שהן גמישות ומקיימות יחסי גומלין עם סביבתן.

פרופ' דוד כאהן, מהמחלקה לחומרים ופני שטח, מספר כי המחקר נולד בעקבות תוצאות מוזרות שהתקבלו לפני כמה שנים בניסוי שנערך בשיתוף פרופ' מרדכי שבס מהמחלקה לכימיה אורגנית, ופרופ' ישראל פכט מהמחלקה לאימונולוגיה. הניסוי בדק את יכולת ההולכה החשמלית של חלבונים, והתגלה בו כי חלבונים מוליכים חשמל טוב בהרבה מכפי שניתן היה לצפות ממולקולות אלו, שכן הולכה חשמלית, כפי שאנחנו מכירים אותה ומשתמשים בה באלקטרוניקה, אינה דומה לְמה שמתחולל בתהליכים ביולוגיים. החוקרים ראו הולכת אלקטרונים בחלבונים בתנאים מגוונים מאוד, ובכלל זה בטמפרטורות שונות ובמרחקים שונים בין האלקטרודות בניסוי. "זה היה מוזר מאוד", אומר פרופ' כאהן. "כי הפיסיקה שלומדים בבית הספר התיכון מלמדת שעוצמת הזרם פוחתת עם המרחק ומשתנה בעקבות חימום (גְדֵלה במוליכים-למחצה וקטנה במתכות). לכן, קיים רק מנגנון מוּכר אחד שיכול להסביר את חוסר השפעת הטמפרטורה שראינו, וזהו מינהור קוונטי".

חלבונים אמורים להיות 'גרועים' בתופעות קוונטיות מבוקרות. חזרנו על הניסוי שוב ושוב כדי לוודא שהממצאים אכן מצביעים באופן מובהק על מינהור. בעתיד עשויים הממצאים להצמיח תובנות חדשות ביחס לפעילות בגופנו, ואף להצביע על כיוונים חדשים ליצירת ממשקים בין מערכות אלקטרוניות למערכות ביולוגיות"

במחקר הנוכחי השתתפו ד"ר ג'רי פריירו, זוכה מלגת עזריאלי לחוקרים בתר-דוקטוריאליים, וד"ר יו שי, אף הוא חוקר בתר-דוקטוריאלי, שניהם חברים בצוות המחקר בראשות הפרופסורים כאהן, שבס ופכט. השניים תיכננו ויישמו מערך ניסויי לחיפוש תופעות קוונטיות במולקולות ביולוגיות – משימה מורכבת המשלבת ביולוגיה, אלקטרוניקה, כימיה ופיסיקה. בקבוצת המחקר נכלל גם תיאורטיקאי: פרופ' חואן קרלוס קוובאס מהאוניברסיטה האוטונומית של מדריד.

המשׂוכה הראשונה שהיה עליהם לעבור הייתה התמודדות עם מולקולות חלבון "רוטטות" ושבריריות. כאן באה לעזרתם יכולתם של חלבונים להוליך אלקטרונים בכל טמפרטורה. החוקרים הבינו שהם יכולים לבצע את הניסוי בטמפרטורה נמוכה מאוד – הקפאה מהירה של החלבונים לכ-15 מעלות מעל האפס המוחלט – אשר תבטל את מרבית הרטט המולקולרי. החלבונים המקוררים נתחבו בעדינות בין שני לוחות מתכת דקים, כאשר קצה אחד של כל חלבון עוּגן היטב בקשר כימי ללוח מתכת אחד, והקצה השני נותר חופשי לנוע, אך מעט. לאחר מכן הופעל מתח חשמלי נמוך בין הלוחות. מערך הניסוי איפשר לחוקרים להוליך אלקטרונים דרך החלבון עד ללוח המתכת האחר, וכך לבחון את התנהגותם. בהתאם להשערה, המעקב אחר דפוסי התנודות במולקולות החלבון חשף חתימה ייחודית למינהור.

ממצאים חדשים – שאלות חדשות

הממצאים החדשים אינם מתיישבים עם המודלים המקובלים, הן בתחום הפיסיקה והן בתחום חקר החלבונים. "חלבונים אמורים להיות 'גרועים' בתופעות קוונטיות מבוקרות", מסביר פרופ' כאהן. אולם, נוכח הממצאים לא היה מנוס מההשערה, שמינהור מתרחש בחלק מהחלבונים כדרך התמודדות עם אלקטרונים עודפים שעלולים להזיק לחלבון. בחלבונים רבים יש קבוצות כימיות פעילות אשר עשויות לתפקד כתחנות ביניים, שאליהן ניתן להגיע באמצעות מינהור כדי "להחנות" אלקטרון עודף עד שאפשר יהיה להעביר הלאה "אורח" מסוכן אך חיוני זה. היות שמינהור נראה כדרך יעילה להולכת אלקטרונים בתוך חלבונים או מתוכם, הוא עשוי להיות מעורב בתיפקודים חיוניים המתבססים על מעבר אלקטרונים, כמו נשימה תאית ופוטוסינתזה.

"הניסוי נמשך מספר שנים, וחזרנו על הניסויים שוב ושוב כדי לוודא שהממצאים אכן מצביעים באופן מובהק על מינהור", אומר פרופ' שבס. "בשלב זה אין לנו ברירה אלא לקבל את העובדה, שהראיות הללו אכן מצביעות על כך שהולכת אלקטרונים דרך חלבונים מתרחשת באמצעות מינהור. הממצאים מצביעים על כך שהם עושים זאת גם בטמפרטורת החדר, והם מעלים יותר שאלות מתשובות. בעתיד עשויים ממצאי ניסויים אלה להצמיח תובנות חדשות ביחס לפעילות בגופנו, ואף להצביע על כיוונים חדשים ליצירת ממשקים בין מערכות אלקטרוניות למערכות ביולוגיות".