רואים את האור

שמש שמש באה בימים
יש חלום אחד שלא חולמים
יש מקום אחד אליו גם לא הולכים לבד
אחד אחד

 

 

"אין חכם כבעל ניסיון", ולכן, בכל הנוגע לתכנון ולבניית תאים סולריים יעילים, יצורים זעירים מסוימים נהנים מיתרון עצום על בני-האדם. מדובר באורגניזמים המבצעים פוטוסינתזה, כגון צמחים, אצות וסוגים שונים של חיידקים. יצורים אלה טיפחו ושיכללו את יכולותיהם במשך מיליוני שנות אבולוציה, וכך הצליחו לעצב באופן אופטימלי מנגנון לקליטת אור. מנגנון משוכלל זה מאפשר ליצורים הפוטוסינתטיים (המבצעים פוטוסינתזה) להשתמש באור השמש, ובחומרים פשוטים -  מים ופחמן דו-חמצני - לצורך יצירת סוכרים וחומרים עתירי אנרגיה אחרים, אשר מתדלקים את פעילותם הביולוגית.

ד"ר דרור נוי, מהמחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן למדע, שואב השראה מהיצורים הפוטוסינתטיים במטרה לפתח מקורות אנרגיה נקייה ובת-קיימא, שתחליף את השימוש בדלקים מאובנים. הקו המנחה את עבודתו הוא תכנון וייצור מערכת להמרת אנרגיית השמש, המתבססת על העקרונות הביולוגיים של הפוטוסינתיזה הטבעית, תוך שימוש באבני בניין ביולוגיות. אבני הבניין בהן מתכנן ד"ר נוי להשתמש הן מבנים קטנים ועמידים הקרויים "חלבוני דגם" (protein maquettes) אותם פיתחה קבוצת מדענים באוניברסיטת פנסילבניה, פילדלפיה, שם ביצע ד"ר נוי את מחקרו הבתר-דוקטוריאלי. חלבוני דגם, כמו חלבונים טבעיים, מורכבים מחומצות אמיניות, אך הם מופיעים ברצף שאינו קשור לשום חלבון טבעי מוכר. במחקריו הנוכחיים, במכון ויצמן למדע, מתכנן ד"ר נוי לבצע מניפולציות שונות בחלבוני הדגם, ולשבץ בתוכם פיגמנטים וחומרים נוספים הנדרשים ליצירת מערך פוטוסינתטי.

תהליך הפוטוסינתזה מתחולל בשני שלבים עיקריים. בשלב הראשון, "שלב האור", קולטת מולקולת פיגמנט את אור השמש, ומעבירה את אנרגיית האור למרכז ריאקציה סמוך. העלייה ברמת האנרגיה במרכז הריאקציה גורמת לשחרור אלקטרונים, אשר מועברים בשרשרת של תגובות - תהליך המוביל להמרת אנרגיית האור באנרגיה כימית. את האלקטרונים שעוזבים את מרכז הריאקציה מחליפים אלקטרונים אחרים, אשר נקרעים ממולקולות מים, ומותירים מולקולות חמצן ופרוטונים. האנרגיה הכימית שנוצרת ב"שלב האור" מועברת לשלב השני - "שלב החושך" - בו מוביל מעגל נוסף של תהליכים ליצירת התוצר הסופי - סוכרים.

"תהליך הפוטוסינתזה הוא אמנם יעיל מאוד בשביל היצורים הפוטוסינתטיים שמבצעים אותו, אולם אכסון האנרגיה המומרת נעשה בצורה שאינה נגישה לבני-אדם", אומר ד"ר נוי. "אם לא די בכך, תהליכי הברירה הטבעית שעיצבו את היצורים הפוטוסינתטיים פועלים כ'כרטיס בכיוון אחד'. כתוצאה מכך, היצורים עשויים לפתח כישורים, לאבד כישורים אחרים, או אפילו לפתח כפילות - מספר כישורים המשמשים להשגת אותה מטרה". כדי להתגבר על הקשיים האלה מתמקד ד"ר נוי ב"שלב האור" של הפוטוסינתזה, ומנסה לברור את הבר מן המוץ ולזהות את הדרישות המינימליות והחיוניות להתרחשותו. זאת, במטרה ליצור חלבוני דגם אשר אוגרים את תוצרי הפוטוסינתזה בשלב בו הם עדיין נגישים לאדם.

מערכים פוטוסינתטיים נחקרו בעבר היטב, כך שהמדענים יודעים כיצד הם מאורגנים. המרחק בין הפיגמנטים נמדד עד לרמת דיוק אטומית, והדינמיקה של תהליכי העברת האלקטרונים ידועה עד חלקיקי שנייה מזעריים - פחות ממיליונית של מיליונית השנייה. אולם למעשה, קשה לבצע מניפולציות במבנים כה זעירים.  בעיה נוספת היא, שארגונם התלת-ממדי של הפיגמנטים הוא קריטי לתהליכים הפוטוסינתטיים. השלד של המערכת עשוי מחלבונים, אשר שומרים על ארגון נכון במרחב של כל הרכיבים. מבנה השלד החלבוני נקבע על-פי רצף החומצות האמיניות המרכיבות אותו. לכן, כדי לתכנן שלד מוצלח למערכת פוטוסינתטית יש לבחור את רצף החומצות האמיניות המתאים לכל חלבון. מאחר שקיימים מיליוני צירופים אפשריים, מדובר באתגר עצום.

ממצאים ראשונים מתחילים להיאסף במעבדתו של ד"ר נוי. קבוצתו משתמשת בטכנולוגיות הנדסה גנטית ל "תיכנות" חיידקי E. coli כדי לייצר חלבונים שעוצבו על-ידם. רצף החומצות האמיניות של חלבונים אלה תוכנן במיוחד כך שיוכלו לאסוף פיגמנטים ורכיבים נוספים, וליצור אנלוגים קטנים ופשוטים של חלבוני הפוטוסיתזה הטבעיים. בדיקות חוזרות ונשנות של החלבונים שיצרו, ותכנון מחודש שלהם, מאפשר לחוקרים להתחיל להבין כיצד מיתרגם רצף חומצות אמיניות למבנה התלת-ממדי הרצוי. עד כה הצליחו החוקרים ליצור אב-טיפוס המכיל מספר פיגמנטים קולטי אור, אשר מסוגלים לחולל ריאקציות. בהמשך הם מתכננים לשפר את יעילות המבנה באמצעות הוספת פיגמנטים רבים נוספים. כיוון נוסף שנחקר הוא זיהוי "צמתים" בתהליך הפוטוסיתזה שעליהם  אפשר להשפיע כדי להסיט את אנרגיית האור כך שאפשר יהיה להפיק באמצעותה את מולקולות המימן, עוד לפני ניצול האנרגיה לריאקציות אחרות. במימן שיתקבל בדרך זו אפשר יהיה להשתמש כבמקור לדלק אלטרנטיבי נקי, יעיל וידידותי לסביבה.

ד"ר נוי: "אני מקווה כי מחקרים אלה יפתחו את הדרך לעיצוב מתקנים להמרת אנרגיית אור, כמו, למשל, תאים סולריים עשויים חלבון, העושים שימוש ברכיבים ביולוגיים - בתוך מערכת לא-ביולוגית. התובנות שנשיג ממחקר זה יקדמו גם את הבנתנו ביחס לדרך בה צמחים קולטים ומאכסנים את אנרגיית האור. תובנות אלה יאפשרו לנו להשתמש בחלבונים מותאמים במיוחד שיוחדרו לצמחים בשיטות של הנדסה גנטית, יגדילו את היקף הייצור של דלקים צמחיים - כמו ביו-דיזל או אתנול - וגם יאפשרו ייצור של דלקים אי-אורגניים - כמו מימן - באמצעות צמחים".

 

דרור נוי נולד בתל-אביב בשנת 1967. את שירותו הצבאי עשה בחיל האוויר, והשתחרר בדרגת סגן. לאחר לימודי תואר ראשון בכימיה באוניברסיטת תל-אביב המשיך ללימודי תואר שני ושלישי במכון ויצמן למדע, בהדרכת פרופ' אביגדור שרץ. לאחר מכן יצא למחקר בתר-דוקטוריאלי במעבדתו של פרופ' לזלי דטון באוניברסיטת פנסילבניה. עם חזרתו לישראל, בשנת 2004, עבד כחוקר בתר-דוקטוריאלי - ולאחר מכן כעמית מחקר - במעבדתה של פרופ' אירית שגיא במחלקה לביולוגיה מבנית במכון. בשנת 2007 הצטרף כחוקר בכיר למחלקה למדעי הצמח. "על-אף שבכל שלב של לימודי התמקדתי בהיבט אחר, הרפרטואר המקיף של ידע מדעי וטכני שצברתי איפשר לי לשלב את כל ההיבטים האלה לקו חדש של מחקר". ד"ר נוי נשוי לרחל ואב לארבעה ילדים: עומר בן עשר, יובל בן שבע, עידו ואיתי, תאומים בני כארבע.