האם אפשר לחשוב על ההיסטוריה האנושית כעל גרם מדרגות העולה מהעבר אל העתיד, כי אז נראה שכל אחת מהמדרגות במבנה הזה תהיה עשויה מחומר אחר, המאפיין את חייהם של בני-האדם באותה תקופה. מדרגת אבן לתקופת האבן,מדרגת ברונזה לתקופת הברונזה, מדרגת סיליקון לתקופת המיחשוב, ומדרגה של חומרים מרוכבים, או פולרנים,לתקופה הנוכחית. "החומר המאפיין את התקופה,מלמד על האדם", אומר ד"ר שריאל שלו מאוניברסיטת חיפה, המבצע מחקרים במסגרת המרכז לארכיאולוגיה על-שם קימל שבמכון ויצמן למדע,בראשות פרופ' סטיב ויינר. "קחו, למשל,את המתכות הקדומות. הן עשויות ללמד אותנו הרבה מאוד על אורח חייהם של בני-האדם הקדומים, אבל משום מה, מעט מאוד מחקרים מדעיים מכוונים לחשוף את צפונותיהם. נראה שהארכיאולוגים לא שאלו את המדענים את השאלות הנכונות,והמדענים השיבו תשובות שאינן רלוונטיות לארכיאולוגיה".

 

מסלול הכשרתו של ד"ר שלו נראה כאילו תוכנן על-ידי מישהו שביקש לבנות גשר בין הארכיאולוגיה לבין מדעי הטבע. הוא קיבל תואר ראשון בארכיאולוגיה מקראית, תואר שני בארכיאולוגיה, ואת הדוקטורט עשה בהנדסת חומרים ארכיאולוגיים. "יש בארץ כמות גדולה מאוד של חפצים שמסודרים לפי חומרים או תקופות", הוא אומר, "אבל מעט מאוד תשומת לב מדעית הופנתה להרכב המדויק של החומרים שמהם עשויים הכלים העתיקים. לדוגמה, כאשר ארכיאולוג מוצא כלי מסוים בחפירות, ו'מחליט' שזהו סיר בישול, הוא, בעצם, מניח הנחה. כדי לקבוע בוודאות שאכן מדובר בכלי בישול, יש לבצע אנליזה של החומרים הדבוקים לדפנותיו. אם יימצאו שם ליפידים (חומרים דמויי שומן המרכיבים, בין היתר, את קרומיהם של תאים חיים), אפשר יהיה לקבוע בוודאות שלפנינו כלי ששימש לבישול. דוגמה נוספת: ארכיאולוג מוצא בחפירות פגיון. כיצד הוא יכול לדעת אם מדובר בכלי ששימש להריגת בעלי-חיים או לקילוף ירקות?

 

"האבולוציה של הארכיאולוגיה מתקדמת בדילוגים, ונראה שאנחנו מצויים כיום בנקודה המתאימה לקפיצת מדרגה אל ארכיאולוגיה שהיא יותר מדעית מאשר תיאורית, דבר שאני מקווה שלא יגרע מהרומנטיקה שבחקר העבר". 

 

"אני לוקח את הממצא הארכיאולוגי ומשחזר את תולדות חייו. הוא התחיל את 'חייו' כחומר גלם, מינרל, שעבר פעילות תרמית. כך נוצר ממנו חומר חדש בעל תכונות מכניות ותרמיות אחרות, שבני-האדם הקדומים יצרו ממנו כלי מתכת.לאחר מספר שנות שימוש הוא הלך לאיבוד או הוטמן באדמה. מאז מקיים הכלי יחסי גומלין עם הסביבה במשך אלפי שנים,כשהוא 'מנסה בכל כוחו לשוב ולהיות מינרל'. כתוצאה מכך,חלק גדול ממנו,אם לא כולו,משתנה. אני שואף לגלות, על פי מה שנשאר מהחומר,את מסלול 'חייו', כולל התחנה שעשה בעת ששימש כלי בידיהם של בני-האדם הקדומים.

 

"השאלות הן שאלות ארכיאולוגיות והכלים שבאמצעותם אנו מנסים לענות עליהן הן מדעיים. כך אפשר לקבוע כיצד יצרו את החפץ, מאיזה חומר עשו אותו, ובאיזה תהליך ייצור בדיוק. הבנת דרך הכנתם של החפצים הקדומים עשויה ללמד על המערכת החברתית-כלכלית שבה חיו בני האדם שהכינו את החפצים האלה. כך אפשר להשתמש באנליזה של מתכות כבחלון שמבעדו אפשר 'להשקיף' על המעבר מהאלף הרביעי לשלישי לפני הספירה, תקופה שבה החל בארץ תהליך של עיור על בסיס חקלאי. חשיפת מאפייני החומר שממנו עשויים הכלים הקדומים חושפת את השינויים שהתחוללו באותה תקופה במבנה הכלכלי. לדוגמא, במוזיאון הבריטי מוצגת חרב שאורכה יותר ממטר שנמצאה בחפירות בית דג'ן. החרב הזאת מפורסמת בכינוי 'החרב הפלישתית', והיא נחשבת לדוגמא הארכיאולוגית היחידה לנשק של גויי הים, דוגמא לחרב שבה השתמש גוליית הפלישתי בקרב מול דוד. אבל, כאן רכשתי לי את המוניטין של 'משבית שמחות'. במחקרים קודמים שביצעתי הראיתי, שבתקופה שבה חיו באזורנו הפלישתים (ראשית תקופת הברזל ), היו החרבות והפגיונות עשויים מנחושת שהכילה בדיל, החל מרמה של אי-ניקיון גרידא, ועד לתוספת מכוונת של יותר מעשרה אחוזים. זה דפוס החומר האופייני לתקופה, מעין 'תעודת זהות' שלה. ובכן, בדקנו את 'החרב הפלשתית', מהמוזיאון הבריטי, וגילינו שבנוסף לנחושת היא מכילה ארסן ולא בדיל - 'תעודת זהות' של תקופה אחרת לחלוטין: ראשית תקופת הברונזה התיכונה. כך הופרכה ההשערה שהחרב הזו שייכת לבני דורו של גוליית הפלישתי". 

 

בתהליכי פיתוח שיטות המחקר המתקדמות והתאמתן לשימוש במחקרי ארכיאולוגיה, משתף ד"ר שלו פעולה עם מדענים מתחומי מחקר אחרים. יחד עם ד"ר עודד הבר מהמחלקה לפיסיקה של חלקיקים, למשל, הוא מנסה למצוא דרך להשתמש במחקרים אלה במאיץ החלקיקים של המכון לביצוע אנליזות של חומרים המצויים בממצאים ארכיאולוגיים.

 

 

השנים חולפות, שנה עוברת, אבל התהודה המגנטית הגרעינית לעולם נשארת. הנה, למשל, פרופ' שלמה אלכסנדר ושאול מיבום בנו במכון, בשנות ה-50, את אחד הספקטרומטרים לתהודה מגנטית גרעינית (NMR, תמ"ג) בכושר הפרדה גבוה,מהראשונים בעולם. בינתיים חלפו שנים והתהודה המגנטית הגרעינית נעשתה אחת מהטכנולוגיות הנפוצות ביותר בתחומים רבים, מרפואה ועד חקר חומרים, ובכל זאת,היא עדיין מהווה - בעת ובעונה אחת –נושא למחקר וכלי מרכזי לביצוע מחקרים בחזית המדע העולמית.

 

התהודה המגנטית גרעינית "רואה את העולם" מבעד למשקפיים מגנטיים. כלומר,מבחינתה, כמעט כל אטום הוא בבחינת מגנט זעיר שאפשר למדוד את כיוונו ואת עוצמת השדה המגנטי שלו; וכל מולקולה היא אוסף של מגנטים זעירים (אטומים). מדענים המשתמשים בתמ"ג לחקר המבנה והתכונות של מולקולות שונות, מתבססים על מדידת התכונות המגנטיות של האטומים המרכיבים אותן, ועל חישוב יחסי הגומלין ביניהם. לשם כך הם חייבים לבנות מערכות תמ"ג ייחודיות וליצור תוכנות שמסייעות להם בסידור וארגון "ים הנתונים" שהמערכת אוספת על המולקולה ומרכיביה.זה בדיוק מה שעושה פרופ' לוסיו פרידמן, שהצטרף באחרונה למחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע, כפרופ' מן המניין.

 

פרופ' פרידמן נולד בארגנטינה, וקיבל תואר דוקטור מאוניברסיטת בואנוס איירס. בתקופת לימודיו ביצע חלק ממטלותיו במכון ויצמן למדע, במעבדתו של פרופ' שמעון וגה. לאחר שביצע מחקר בתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, הצטרף כפרופסור לאוניברסיטת אילינוי בשיקאגו. בשנת 1998 שהה במכון בשנת שבתון, ולפני חודשים אחדים עלה עם משפחתו לארץ והשתקע במכון. פרופ' פרידמן משתמש בתמ"ג לפיתוח ספקטרו-סקופיה למדידת המבנה הגיאומטרי של ביומולקולות דוגמת DNA, RNA ופולימרים בעלי ביצועים גבוהים(חוזק עמידה בחום וכו'). הכרה מדויקת של מבנה הביומולקולות מסוג זה דרושה לפיתוח רפואה מתקדמת. הבנת המבנה והחוקים השולטים בעולמם של ביופולימרים ופולימרים בכלל, עשויה גם להוביל לפיתוחים מדעיים ותעשייתיים רבים ולשיפור ניכר של חומרים אלה.

 

מחקריו של פרופ' פרידמן מתמקדים בניסיון למפות במדויק את האתרים על מולקולות הפולימר ועל פולינוקליאוטידים,שאליהם נקשרים יוני מתכת (סודיום,אשלגן, ליתיום, קובלט, מגנזיום). המחקר מבוצע בפועל על מולקולות RNA המורכבות מרצף של ארבעה סוגי נוקליאוטידים, וגם על קבוצות שונות של מערכות סינתטיות.מערכות התמ"ג המחקריות שבונה פרופ' פרידמן בוחנות בעת ובעונה אחת את הפולימר, למשל RNA, את יון המתכת הנקשר למולקולה, ואת יחסי הגומלין המגנטיים והחשמליים שביניהם, המשפיעים על המרחק המדויק שביניהם.

 

בימים אלה עוסק פרופ' פרידמן בשיפור המערכת, במטרה להגביר את יכולתה לפעול בדייקנות, כך שתהיה מסוגלת להבחין בין האותות שבין אטומים צמודים, ולזהות מרכיבים של קבוצות של אטומים. במסלול אחר הוא מקווה להשתמש במערכת זאת להבנת ההשפעה של מיקום האתרים קושרי המתכות על תפקודיהם של אנזימים וקטליזטורים שונים. הבנות אלה עשויות לפתוח דרכים חדשות, הן בעולם הביוכימיה המתקדמת, והן בתחומי תעשייה שונים.

 

 

חלק ניכר מהאנרגיה שאנו מפיקים בתאי גופנו משמש לשמירת "יכולת ההגדרה העצמית" של התאים החיים המרכיבים את הגוף, כלומר, להגדרת הגבולות שבין תוכם של התאים החיים לבין סביבתם החיצונית,זו שמעברו החיצוני של קרום התא.למטרה זו מקפידים התאים על שיעורי ההפרשים שבין ריכוזיהם של חומרים שונים משני עברי קרום התא. לדוגמה, הם מקפידים שריכוז הנתרן שמחוץ לתא יהיה תמיד גבוה מריכוז הנתרן שבתוכם. בדרך כלל,ריכוז החומרים בתוך התא נמוך מזה שמחוצה לו.יוצא מהכלל הזה הוא, למשל,האשלגן,שריכוזו בתוך התא רב מריכוזו בתווך הבין-תאי. הבדל נוסף בין פנים התא למרווח הבין-תאי מתבטא בכך,שצדו הפנימי של קרום התא טעון במטען חשמלי שלילי,ואילו צדו החיצוני טעון מטען חשמלי חיובי.המתח שנוצר משני עברי קרום התא בשל הפרשי הריכוזים והמטענים החשמליים האלה יוצר "מפלי אנרגיה", שהם המקור העיקרי לאנרגיה הזמינה לתפקוד התא ולהזנת תהליכי החיים השונים.

 

בסך הכל קיימים פחות מעשרה יונים המשתתפים באופן קבוע במשחק הזה של שינוי הריכוזים. החשובים והנפוצים שבהם הם נתרן, סידן, אשלגן, וכלוריד.החומרים המעטים האלה מאפשרים לתא לבצע רפרטואר גדול מאוד של תגובות ופעולות.שאלה: כיצד מפלי אנרגיה מעטים כל כך יוצרים כמה אלפי תגובות תאיות שונות? תשובה: התגובות התאיות נוצרות כתוצאה ממערכות תקשורת שבאמצעותן מתבצעות תגובות גומלין רבות ושונות בין החומרים שמצויים מחוץ לתא, לבין אלה שמצויים בתוכו. למעשה, קיימות שתי מערכות תקשורת כאלה.המערכת היותר ידועה היא זו המבוססת על קולטנים חלבוניים המוצגים על קרום התא, ושאליהם נקשרים "שליחים כימיים" שונים המגיעים מחוץ לתא. מערכת התקשורת השנייה, הפחות ידועה,מבוססת על "תעלות יוניות". גם ה"תעלה" היא,למעשה,מולקולה חלבונית הממוקמת על קרום התא,כשקצה האחד בולט מצדו החיצוני של קרום התא, ואילו הקצה האחר נמצא בתוך התא.מדובר במעין צינור,שבתנאים מסוימים עשוי לאפשר מעבר שליונים שונים מתוך התא החוצה, או בכיוון ההפוך: מהמרווח הבין-תאי אל תוך התא,פנימה. רוב התעלות מותאמות למעבר סוג אחד של יונים בלבד.

 

התעלות עשויות ליצור תקשורת בין-תאית מיידית.דוגמה בולטת לתופעה הזאת מתחוללת בלב, שמיליוני התאים המרכיבים אותו מתכווצים ומתרפים בעת ובעונה אחת, לפי אות מוסכם.פקודות ההתכווצות וההרפיה,והשמירה על אחידות הקצב שלפעולת התאים השונים, נתונה לאחריות ה"תעלות". הפרשי המתח והריכוז שולטים בתעלות,ומהווים גם את המקור העיקרי לאותות החשמליים והכימיים המועברים במערכת העצבים. היכולת לזהות ולהבין את הכללים השולטים בפעולתן של התעלות עשויה לפיכך לתרום רבות להבנת מנגנוני החיים הבסיסיים ביותר, ולהקנות יכולת לבצע מניפולציות והתערבויות טיפוליות רפואיות שונות. ד"ר איתן ראובני, מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, ממקד את מחקריו בהבנת מנגנוני הפתיחה, הסגירה והמוליכות שלתעלות המעבירות יוני אשלגן.

 

כאשר משתנה המבנה שיוצרות ארבע יחידות המשנה המרכיבות את פתח התעלה, התעלה נפתחת. כאן נכנס לפעולה מרכיב נוסף של התעלה, שמזהה וקושר יוני אשלגן בלבד. כך הוא מסנן את יוני האשלגן מתוך התמיסה הבין-תאית,ומאפשר אך ורק ליונים האלה להיכנס לתעלה ולעבור דרכה. תהליך הסינון מתבצע במהירות עצומה: מיליוני יונים מזוהים וממשיכים בדרכם דרך התעלה מדי שנייה. אבל כיצד פועל המנגנון הפותח את התעלה ומאפשר לכמות גדולה כל כך שליונים לעבור בה? אילו חלקים של התעלה אחראים למנגנונים אלו? כדי לענות על השאלות הללו משלב ד"ר איתן ראובני שיטות של הנדסה גנטית עם טכנולוגיה המאפשרת למדוד ולבחון פעילות של תעלה בודדת אחת.שיטה זו, שפותחה על ידי ברט זקמן וארווין נהר ממכוני מקס פלנק בגרמניה, ואשר זיכתה אותם בפרס נובל לרפואה לשנה1991,מבוססת על שימוש בצינוריות זכוכית מיקרוסקופיות שקוטר פיהן כאלפית המילימטר.באמצעות הצינוריות שואבים המדענים ולוכדים קטע זעיר מקרום התא שעליו מצויה תעלה אחת בלבד. בשלב זה הם יכולים לבצע מדידות של הזרם הזעיר שנוצר כתוצאה ממעבר היונים בתוך התעלה.

 

 

ד"ר ראובני התמקד, כאמור, בתעלות אשלגן הנפתחות כתוצאה מקשירה של מולקולות תוך-תאיות (חלבוני G), המופעלות על ידי קולטנים הממוקמים בקרום התא,והקושרים מולקולות של מתווך עצבי (נוירוטרנסמיטר) מסוים. חלבוני G מורכבים משלוש תת-יחידות משנה: אלפא,ביתא וגאמה. כך,קשירת מולקולת המתווך העצבי לקולטן גורמת להתפרקות חלבון ה-G כאשר יחידת האלפא נפרדת מיחידת הביתא והגאמה הנותרות קשורות זו לזו. מבנה זה של שתי היחידות ביתא וגאמה הוא האחראי להפעלת התעלה. אבל מה בדיוק קורה מהשלב שבו נקשרות יחידות הביתא והגאמה לתעלה ועד לפתיחתה? כדי לענות על השאלה הזאת החליט ד"ר ראובני לבחון מרכיבים תת-מולקולריים של התעלה, ואת התפקיד המדויק שכל אחד מהם ממלא בתהליכי פתיחת התעלה וסגירתה. ד"ר ראובני ותלמידי המחקר רונה סדג'ה, קרין סמדג'ה ונוגה אלג'ם פיתחו מערכת המאפשרת לסרוק ביעילות עשרות אלפי מוטציות גנטיות של תעלת האשלגן,הנפתחות כתוצאה מפירוק חלבוני ה-G. בדרך זו זיהו החוקרים חומצות אמיניות בודדות המשמשות כ"מפתח" לפתיחת התעלה.

 

כך התברר, שהמפתח לפתיחת תעלת האשלגן נמצא באזור ייחודי של התעלה,בחלק שמקיים קשרי גומלין חזקים עם קרום התא. בהמשך התברר שה"מפתחות" האחראיים לפתיחת התעלה ממלאים תפקיד חשוב נוסף, בייצוב התעלה כשהיא פתוחה. הבנה בסיסית זו של מנגנוני פתיחת תעלת האשלגן וסגירתה עשויה לקדם את הבנת המנגנונים השולטים בתעלות יוניות נוספות,דבר שעשוי לאפשר - בעתיד-את פיתוחן של דרכים ושיטות חדשות לביצוע טיפולים רפואיים מדויקים במגוון מחלות,החל מהפרעות בסדירות קצב הלב וכלה בחיזוק או החלשת תקשורת עצבית במוח.

 

 

 

 

האטומים של רוב היסודות הקיימים ביקום ניחנים בתכונה מפתיעה: הם נקשרים אלה לאלה - בסוגים שונים של קשרים-וכך הם יוצרים שלל עצום ורב של מולקולות. אילמלא התכונה הזאת,היה העולם נראה שונה לחלוטין מכפי שהוא נראה היום. דוגמה אחת מני רבות לשוני הזה עולה מהעובדה שהיווצרות תרכובות שונות היא השלב הראשון וההכרחי בדרך להתפתחות חיים.

 

ובכן, שפר עלינו גורלנו, הטבע העניק לאטומי היסודות את הנטייה להיקשר אלה לאלה וליצור תרכובות שהובילו ליצירת חיים, שהתפתחו עד לרמה של חיים תבוניים,שיצרו את המדע, שבמסגרתו, בחדר צנוע במכון ויצמן למדע, שוקד פרופ' דוד טנור על מציאת דרכים לפירוק ולשבירת קשרים בין אטומים. נפלאות דרכי הבורא.

 

מתברר, ששבירת קשר, או קשרים בין אטומים שמרכיבים מולקולה מסוימת,עשויה להוות דרך יעילה ל"חילוץ" מולקולה רצויה כלשהי מתוך מולקולה גדולה ומורכבת יותר. הדרכים הנפוצות לשבירת קשרים הן חימום התרכובת שאותה מנסים לפרק, או שימוש באנזימים, שהם מעין "מכונות מולקולריות" השוברות קשרים בין-אטומיים מסוימים, או מעודדות את היווצרותם שלקשרים אחרים.אבל דרכי הפעולה ה"קלאסיות" האלה אינן ניתנות ליישום בכל מקרה, לא תמיד הן מסוגלות לבצע פעולות עדינות ומדויקות מספיק, ולא תמיד שיטת הפעולה הזו יעילה, נוחה וזולה מספיק כדי שאפשר יהיה לנצל אותה בתהליכים תעשייתיים שונים.

 

פרופ' טנור בוחן את האפשרות לנתק באופן בררני סוגים שונים של קשרים כימיים בין אטומים במוקולות, באמצעות קרני לייזר.קרן לייזר נוצרת כאשר אטומים מעוררים(באמצעות קרינת אור או באמצעות זרם חשמלי), וכתוצאה מכך האלקטרונים שלהם עוברים לרמת אנרגיה גבוהה יותר, ואז "נופלים בחזרה" תוך שהם פולטים את האנרגיה שנאגרה בהם בתהליך העירור בצורת פוטונים, שהם חלקיקי אור. האור הבוקע מאטומי החומר המעוררים מתאפיין בשתי תכונות בולטות. התכונה הראשונה היא אורך גל, הנקבע על ידי תכונותיו הפיסיקליות של האטום הפולט (כל חומר פולט גלי אור בטווח ייחודי משלו). התכונה הנוספת מתבטאת בעובדה שגלי האור הנפלטים בדרך זו הם מקבילים זה לזה.כך נוצרת קרן לייזר, העשויה לשמש למטרות תעשייתיות ורפואיות.

 

השאלה המעסיקה את פרופ' טנור היא,כיצד אפשר להשתמש בקרני לייזר כדי לפרק באופן בררני קשרים בין אטומים מסוימים במולקולה מסוימת, מבלי לפגוע בקשרים כימיים אחרים. כדי לענות על השאלה הזאת הציע פרופ' טנור ליצור "מפתח של אור" ייחודי המתאים אך ורק לשבירתו של קשר כימי מוגדר,שאינו פוגע בקשרים האחרים."מפתח האור" נוצר כאשר משתמשים בלייזר שדה-חזק בעל עוצמה מתכווננת, אורך גל הניתן לשינוי ומופע גל משתנה. מספר השילובים האפשריים בין שלושת הגורמים האלה מאפשר, למעשה, יצירה של אין-סוף "מפתחות אור" שונים. הרוב המוחלט של"מפתחות האור" האלה הם חסרי שימוש בעולמה של הכימיה, אבל כמה מהם אכן "פותחים" מולקולות מסוימות ומבצעים בהן חיתוכים וניתוקי קשרים עדינים, כך שאחד,או יותר, מתוצרי הפירוק האלה הוא מולקולה של חומר מבוקש.

 

הבעיה היא שמספר "מפתחות האור" האפשריים הוא כאמור אין-סופי, וניסיון להתאים "מפתח אור" מסוים לתהליך תעשייתי כלשהו, בדרך של ניסוי וטעייה,עלול להיות ארוך, מייגע, יקר ובלתי יעיל.כדי להתגבר על הבעיה הזאת, פרופ' טנור מפעיל ומפתח שיטות לחישוב קוואנטי, העשויות לקשור ולהתאים שילובים שונים של תכונות לייזר ("מפתח אור"), לביצוע ניתוק בררני של קשרים כימיים. לצורך זה השתמש פרופ' טנור בכלים מתחום תורת האופטימיזציה (כלים דומים משמשים,בין היתר, לתכנון רובוטים, הנדסת אווירונאוטיקה ועוד).

 

בדרך זו מקווה פרופ' טנור ליצור, ברבות הימים, מעין "אטלס של מפתחות אור".תעשיינים ומדענים שיבקשו לבצע תהליכים כימיים שונים, הדרושים לייצור תעשייתי שלחומרים שונים, לרבות תרופות, יוכלו פשוט לפתוח את ה"אטלס" הזה לקבל מרשם מדויק לביצוע תהליך הייצור באמצעות קרני לייזר, באופן יעיל, נקי, ידידותי לסביבה וזול יחסית .