אישיות כימית כפולה

01.06.2001
 
מימין לשמאל: ד"ר גרשום מרטין ופרו' דוד מילשטיין. עיצוב מולקולות לפי הזמנה
 
 
אישיות כפולה אינה בהכרח עניין נפשי. לעתים היא עשויה להתגלות כתכונה חומרית לחלוטין. כזו היא, למשל, תרכובת כימית חדשה, בעלת "אישיות כפולה", שעיצבו והכינו לאחרונה מדעני המחלקה לכימיה אורגנית במכון ויצמן למדע. תרכובת זו, העשויה משילוב של פחמן, מימן, חמצן ומתכת הקרויה רותניום, עשויה להוות בסיס לשורה של יישומים תעשייתיים חדשים, ובהם תרופות וחומרים בעלי תכונות ייחודיות. הבסיס לתרכובת החדשה הוא מבנה המכונה "קינון", המורכב כטבעת משושה המכילה ששה אטומי פחמן ששניים מהם קשורים לאטומי חמצן. תרכובות מסוג ה"קינון" משתתפות בתהליכי נשימה ופוטוסינתזה בתאים, ומשמשות פיגמנטים במערכות ביולוגיות שונות. בתעשייה ידועים חומרים אלה כפיגמנטים וכחומרי מוצא בריאקציות כימיות שונות. תרכובות אחרות בעלות מבנה מסוג ה"קינון" מעכבות ביו-סינתזה של DNA ו- RNA, תהליכים שבלעדיהם לא מתאפשר שיכפול של חומר גנטי, דבר שמסכל התחלקות והתרבות של תאים. תכונה זו היא העומדת בבסיס השימוש ב"קינון" בתרופות אנטי-סרטניות ואנטיביוטיות קיימות. אחת מתכונותיו העיקריות של ה"קינון" היא יכולתו להשתתף בתהליכי העברת אלקטרונים. יישום ושליטה בתכונתו זו של ה"קינון" עשויים להוות צעד חשוב בדרך לפיתוחן של תרופות חדשות שיבלמו את ההתרבות הלא מבוקרת של תאים סרטניים, וכן את התפשטותם של חיידקים גורמי מחלות.
 
האפשרויות לעיצוב תרופות חדשות על בסיס ה"קינון" התרחבו באחרונה במידה משמעותית, כאשר פרופ' דוד מילשטיין וד"ר גרשום מרטין מהמחלקה לכימיה אורגנית במכון ויצמן למדע הצליחו, זו הפעם הראשונה בעולם, להחליף את אחד מאטומי החמצן של ה"קינון" באטום מתכת (רותניום). הרותניום, המשתייך לקבוצת מתכות המעבר, מצטיין גם הוא בתכונת העברת האלקטרונים, כך שהתרכובת החדשה שתיכננו, עיצבו והרכיבו מילשטיין ומרטין ("קינון מתכתי"), משלבת יחד שני גורמים המצטיינים בהעברת אלקטרונים.
 
למעשה, ה"קינון המתכתי" מסוגל להעביר אלקטרונים באופן דו-סיטרי. כאשר אטום חמצן מעביר זוג אלקטרונים למתכת הרותניום, התרכובת מקבלת אופי מחזר. לעומת זאת, כאשר מתכת הרותניום מעבירה זוג אלקטרונים לאטום החמצן, מקבלת התרכובת אופי מחמצן. כך, למעשה, מתפקד ה"קינון המכתכתי" כחומר בעל אישיות כפולה: הוא מסוגל לתפקד הן כמחמצן והן כמחזר. מעברי אלקטרון אלה בתוך המולקולה מלווים בשינויים גדולים בקוטביות שלה ובצבעה, תופעה שעשויה להוביל לפיתוח חומרים חדשים בעלי שימושים אופטיים.
 
השליטה בתכונותיו של ה"קינון המתכתי", והיכולת לקבוע אם יתפקד כמחמצן או מחזר, נתונה לחלוטין בידיהם של המדענים. מתברר, שכאשר ה"קינון המתכתי" מצוי בתמיסה קוטבית, הוא מתפקד כמחמצן, ואילו כשהוא נתון בתמיסה לא קוטבית, הוא פועל כמחזר. כך, כאשר מבקשים להשתמש באחת מתכונותיו של ה"קינון המתכתי", אפשר לעשות זאת בקלות יחסית, באמצעות שינוי הסביבה (כלומר, שינוי הקוטביות של התמיסה) שבה הוא נתון.
 
תהליך הפיתוח של התרכובת החדשה בעלת "האישיות הכפולה" התבסס על שיתוף פעולה הדוק בין ניסיונאי (פרופ' מילשטיין) לבין תיאורטיקאי (ד"ר מרטין). בראשיתו של התהליך ביקשו הניסיונאים לדעת אם תרכובת מסוגו של ה"קינון המתכתי" עשויה בכלל להתקיים. הם הציעו להרכיב מולקולה, שבה אחד מאטומי החמצן הכלולים במבנה של ה"קינון" יוחלף במתכת רותניום, שתוחזק במקומה באמצעות שתי "זרועות". כאן נכנס לתמונה ד"ר מרטין, העוסק בבניית מודלים מתמטיים לחישוב תכונותיהן הקוואנטיות של מולקולות שונות. חישוביו של מרטין קבעו שלתרכובת כזאת צפוי להיות אופי של "קינון מתכתי", וסיפקו חיזוי מדויק של תכונותיה הספקטרליות, החשובות לאיפיון החומר. לאחר שהתרכובת הוכנה במעבדה, היא נבחנה באמצעות ספקטרוסקופיות קרינה אולטרה סגולה (UV) ואינפרא אדומה (IR), וכן באמצעות תהודה מגנטית גרעינית (NMR) ופיזור קרני X ("רנטגן"). כך התברר שחילוף התכונות של ה"קינון המתכתי" (כלומר הקביעה אם יתפקד כמחזר או מחמצן) תלויה בקוטביות התמיסה שבה הוא נתון.
 
עכשיו שואפים המדענים להלחליף את מתכת הרותניום הכלולה ב"קינון המתכתי" במתכות מסוגים שונים. הצלחת המחקר הזה עשויה להביא לפיתוחם של קטליזטורים מעוצבים חדשים, דבר שעשוי לפתוח פתח לשורה ארוכה של יישומים תעשייתיים שונים. קטליזה (שהיא עידוד והמרצה של ריאקציות כימיות שונות), היא תכונה מרכזית בתעשייה הכימית המודרנית. אם זוכרים שכרבע מהתוצר הלאומי הגולמי של ארה"ב מבוסס על תהליכי קטליזה, קל להבין מה הפוטנציאל הגלום בפיתוחם של קטליזטורים מעוצבים חדשים ויעילים יותר מאלה העומדים לרשותנו כיום.
 
כיוון אחר של ניצול תכונות "האישיות הכפולה" של ה"קינון המתכתי" מבוסס על ניצול תכונות העברת האלקטרון שלו לפיתוח יישומים רפואיים שונים, ולקבלת חומרים בעלי תכונות אופטיות מיוחדות.
ה"קינון" המתכתי
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם