ההבדל בין אדם לפרעוש קטן בהרבה מהדמיון ביניהם. האמירה הזאת, העלולה, אולי, לקומם משהו בשמיעה ראשונה, מתבררת במלוא נכונותה כאשר מצרפים לאדם ולפרעוש, למשל, אבן. בין השלישיה אדם, פרעוש ואבן, ברור שהאבן היא יוצאת הדופן, ואילו האדם והפרעוש חולקים ביניהם את תופעת החיים, המוגדרת כיכולת לשיכפול עצמי. היכולת המופלאה הזאת נובעת, בראש ובראשונה, מתכונותיהן של מולקולות הדי-אן-אי, החומר הגנטי המצוי בגרעיני התאים של כל היצורים החיים על פני כדור הארץ, לרבות צמחים ובני אדם. התכונות הכימיות של הדי-אן-אי ידועות זה זמן רב, אך מהן תכונותיו הפיסיקליות של החומר המופלא הזה העומד בבסיס תופעת החיים? מתי הדי-אן-אי מתקפל? מה גורם לתחילת "התבטאות" של גן (תהליך שבו המידע המקודד בגן "מתממש" ביצירת חלבון)? פרופ' יואל סטבנס מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון, היוצא בימים אלה למסע מחקר חדש במטרה לחשוף את התכונות הפיסיקליות של הדי-אן-אי, אומר שהתשובות לשאלות האלה עשויות לחשוף לפנינו פנים לא מוכרות של תופעת החיים. ייתכן שהבנה כזאת עשויה להוביל לפיתוח יכולות חדשות לשלוט בהיבטים שונים של תופעת החיים, לתועלת האדם.

 

כדי שגן יתחיל להתבטא, צריך להתחבר אליו אנזים הקרוי אר-אן-אי פולימרז. אנזים זה הוא מעין "מכונה" המתפקדת בעת ובעונה אחת כמנוע, מחשב ומדפסת. ה"מכונה" הזאת נוסעת על פני הגן, קוראת את הרצף הגנטי שלו, ועל-פיו היא מפיקה "תדפיס" של רצף גנטי משלים. ה"תדפיס" הזה הוא, למעשה, מולקולה חד-גדילית הקרויה אר-אן-אי. האר-אן-אי נושא את המידע הגנטי, דרך חלל התא אל אברון תוך-תאי הקרוי ריבוזום, הקורא את המידע האצור בו, ומייצר על-פיו את החלבון.

 

כמו בכל תחום, אחר בחיים, יש מי שמסייע לאנזים האר-אן-אי פולימרז, ויש מי שמנסה להפריע לו במלאכתו. אלה הם חלבונים אחרים - הקרויים גורמי שיעתוק - שנצמדים לדי-אן-אי ומשפיעים עליו (מעודדים אותו להתבטא, או מעבים אותו מלעשות כן). לעתים גורמי השיעתוק נצמדים לדי-אן-אי באזור מרוחק למדי מהאזור שעל התבטאותו הם מבקשים להשפיע. במקרים כאלה, גדיל הדי-אן-אי מתקפל ויוצר לולאה, המקרבת את גורם השיעתוק לאתר הגנטי שאותו הוא מבקש להפעיל.

 

מכיוון שאי-אפשר לצפות בלולאות גנטיות כאלה באופן ישיר ובלתי אמצעי, מצמידים המדענים לקצהו האחד של מקטע הדי-אן-אי חרוז פלסטיק זעיר שקוטרו כמחצית המיקרון (מיקרון הוא אלפית המילימטר), שאפשר לראותו; ואילו את קצהו האחר של מקטע הדי-אן-אי מחברים למשטח. כאשר המרחק בין המשטח לחרוז מתקצר, מעיד הדבר על היווצרותה של לולאה בגדיל המולקולרי של הדי-אן-אי. במחקרים אלה משתף פרופ' סטבנס פעולה עם ד"ר עופר גלעדי מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית. כדי ליצור לולאות בגדילי הדי-אן-אי, משלבים החוקרים בשני אתרים מרוחקים על פני הדי-אן-אי מקטעים גנטיים קצרים המזוהים על ידי גורם שיעתוק המצמיד אותם זה לזה כך שנוצרת לולאה. סטבנס וגלעדי מנסים - בימים אלה ממש - לברר מהם הגורמים, הפיסיקליים והאחרים, המחזקים או המחלישים את התהליך הזה.

 

במחקר אחר בודק פרופ' סטבנס כיצד מגיב חלבון לכוח שמופעל עליו. כדי לעשות זאת הוא משתמש בחלבון המזרז תגובה כימית שמניבה תוצרים זוהרים (הנראים היטב). את צדו האחר של החלבון הוא מחבר למשטח, ולצדו האחר הוא "קושר" גדיל של די-אן-אי שבסופו מחובר חרוז פלסטיק זעיר. את חרוז הפלסטיק שקוטרו כמחצית המיקרון, הוא מושך באמצעות "מצבטיים" העשויים קרני לייזר, ובדרך זו הוא מפעיל כוח על החלבון. החלבון, שהוא מערכת מורכבת, מסוגל לפעול ברמות פעילות שונות. המדענים מקווים לפתח דרך לשליטה ברמות הפעילות של החלבון, דבר שיסייע להבנת הקשר שבין מבנה החלבון לפעילותו.

 

כיצד משפיעים חלבונים וסוכרים המצויים בקרום התא, על תכונותיו של הקרום עצמו? כידוע, הקרום של כל תא חי מורכב משכבה כפולה של חומרים הקרויים ליפידים, שבה משובצים, בין היתר חלבונים שונים. מולקולות הליפידים בנויות כך שצדן האחד "אוהב" מים ואילו צדן השני "שונא" מים. מכיוון שכך, כשהמולקולות האלה מצויות במים, הן מתארגנות ביריעות דו-שכבתיות, כך שהחלקים "שונאי" המים מוחבאים בפנים היריעה. התכונות המכניות של הקרום משפיעות על אופי תהליכי חילוף החומרים של התא עם סביבתו, וכן על יכולתו של התא לנוע בסביבה. וכאן אנו חוזרים אל השאלה שבה פתחנו: כיצד משפיעים חומרים שונים המצויים בתוך הקרום, על תכונותיו של הקרום, ובדרך זו גם על פעילותו של התא החי?

 

הפיסיקאי פרופ' סטבנס חוקר במעבדתו מערכות של קרום פשוט, יחסית, המורכב ממולקולות של ליפיד מסוג אחד בלבד. כאשר מוסיפים למערכת מולקולות ארוכות בעלות חלקים "שונאי" מים, הן נצמדות לקרום. אפשר לדמות את התופעה הזאת ליצור רב-רגליים התוחב את רגליו לתוך היריעה, דבר שמשפיע על תכונותיה הפיסיקליות.

 

במעבדה מודדים המדענים את השינויים הגיאומטריים והמכניים המתחוללים במערכת הקרום כתוצאה מהשפעתו של החומר "רב-הרגליים". מחקרים אלה הראו שקיים קשר בין הצורה הגיאומטרית של הקרום לבין מידת ה"תשוקה" של "רב-רגליים" להיצמד לקרום.

 

על אף פשטותה היחסית, המערכת מציגה התנהגות עשירה של צורות המתפתחות בזמן, אשר נראות דומות להפליא לתהליכים המתרחשים בתא חי.

 

 

 

יש ביקושים שלעולם לא יפגשו היצעים כערכם. הביקוש לזיכרונות ממוחשבים הוא דוגמה בולטת לכך. מדענים ויזמים מכל העולם מפתחים ללא הרף דרכים לייצור זיכרונות ממוחשבים יותר יעילים, יותר קטנים - והביקוש לזיכרונות עוד יותר קטנים ועוד יותר יעילים ממשיך לגאות. זיכרון ממוחשב בנוי ממספר רב של "מתגים" המסוגלים להימצא באחד משני מצבים שאפשר לכנותם "מופעל" ו"מופסק". המתגים ברוב הזיכרונות הממוחשבים בנויים מגושי חומר מגנטיים, ששינוי הקוטב המגנטי שלהם מסמל מעבר. ממצב "מופעל" למצב "מופסק" (או להיפך, לפי החלטתם השרירותית לחלוטין של מפתחי המתקן).

 

כדי להגדיל עד כמה שניתן את כמות המידע שאפשר לאגור בזיכרון בעל נפח פיסי נתון, מבקשים המדענים להקטין עד כמה שאפשר את גודלו של כל מתג. עד כמה אפשר? עד אשר כל מתג יתבסס על מולקולה אחת ויחידה של חומר. במקומות שונים בעולם - לרבות מכון ויצמן למדע - כבר יצרו מולקולות-מתגים מסוגים שונים, אלא שהניסיונות ליישם אותם בבניית זיכרונות ממוחשבים מרובי מתגים העלו קשיים חדשים. המתג המגנטי האידאלי חייב להתאפיין בעוצמה מגנטית מעטה (דבר שיאפשר לשנות את כיוון הקוטב המגנטי שלו בקלות), וביציבות, כלומר, שמירה לאורך זמן על כיוון הקוטב המגנטי (דבר שיאפשר לאגור מידע באמינות למשך זמן רב). במלים אחרות, המדענים שמנסים לפתח מתגים מגנטיים מולקולריים כאלה מחפשים חומר מוגדר היטב מבחינה כימית (כלומר: חומר טהור, המכיל סוג אחד של מולקולות ללא שום זיהום); המאורגן במרחב במבנה רב-מולקולרי מוגדר, המתאפיין בתכונות מגנטיות מוגדרות; ובאותה עת הוא גם אדיש ככל האפשר להשפעות הסביבה (שדות חשמליים, שינויי טמפרטורה וכו'). לרוע המזל, בצירוף הדרישות האלה טמון מלכוד: מולקולות בודדות שמהוות מתגים מולקולריים ממוקמות בקירבה רבה זו לזו, כך ששינוי כיוון הקוטב המגנטי של אחת מהן (בין היתר כתוצאה משינויי טמפרטורה), עלול לגרום שינוי בכיוון הקוטב המגנטי של המתג המולקולרי השכן. משמעות הדבר, שיבוש יכולתו של מאגר הזיכרון הממוחשב לאגור מידע באמינות למשך זמן רב.

 

הצעה אחת להתגבר על מצב העניינים הזה יצאה באחרונה ממעבדתו של פרופ' רשף טנא מהמחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע. פרופ' טנא ותלמיד המחקר ירון רוזנפלד-הכהן הצליחו ליצור שכבה חד-מולקולרית ממולקולות של ניקל-כלוריד. מולקולות אלו מתאפיינות בתכונות מגנטיות מוגדרות (שעדיין נלמדות), מצד אחד, וב"אדישות" יחסית לתנאי הסביבה המשתנים, מצד שני, ולפיכך מסוגלות להוות מתגי זיכרון מגנטיים בעלי אמינות רבה. ממצאים אלה מתפרסמים בימים אלה בכתב העת הבין-לאומי היוקרתי "נייצ'ר".

 

בהמשך הצליחו פרופ' טנא וירון רוזנפלד-הכהן ליצור ממולקולות הניקל-כלוריד מעין "צינורות מולקולריים" זעירים. (פרופ' רשף טנא היה הראשון שהראה, שאפשר לבנות "צינורות מולקולריים" כאלה מחומרים אי-אורגניים). ה"צינורות" האלה עשויים לשרת מספר רב יחסית של יישומים תעשייתיים. בין היתר הם יכולים לשמש כלים ל"כתיבת" מידע מגנטי על דיסקים של מחשבים, וכן ל"קריאת" המידע האגור בדיסקים האלה. תכונותיו הייחודיות של הניקל-כלוריד עשויות לאפשר לו "קריאה" ו"כתיבה" של מידע מגנטי, אופטי וחשמלי כאחד. שימוש אפשרי נוסף של ה"צינורות המולקולריים" החדשים הוא לבקרת ייצור של שבבי מחשב. וייתכן גם, כפי שקרה להמצאות רבות, שהיישומים הגדולים והחשובים של ה"צינורות המולקולריים" האי-אורגניים הראשונים יבואו מכיוונים לא צפויים.

 

פרופ' גרי הודס ופרופ' ישראל רובינשטיין מהמחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון הצליחו בשורת מחקרים לפתח שיטה לשליטה בגודלם ובתכונותיהם של "חלקיקים קוואנטים" העשויים מוליכים-למחצה שגולם קטן ממיליונית המילימטר. מתברר, שכאשר משקעים (אלקטרוכימית) שכבה של חלקיקים על משטח מתכת מתפקד המשטח כמעין תבנית הקובעת את גודלם ואת כיוונם של הגבישים.

 

במה שקשור למוליכים-למחצה, הגודל קובע, בין היתר, את רוחבה של השכבה המפרידה בין רצועת ההולכה ובין רצועת הערכיות שבה יכולים אלקטרונים לנוע. הודס ורובינשטיין, יחד עם ד"ר סידני כהן מהמחלקה לשירותים כימיים ותלמיד המחקר בועז אלפרסון, שיפרו את יכולת המדידה של מיקרוסקופ כוח אטומי (באמצעות ציפוי מחט הגישוש שלו בשכבת מתכת מוליכת חשמל). באמצעות המיקרוסקופ הם הצליחו למדוד את רוחבן של שכבות ההפרדה בחלקיקים הקוואנטיים של המוליכים-למחצה שיצרו. מדידות אלה הראו, שרוחב רצועת ההפרדה תלוי בגודל החלקיק הקוואנטי, כך שככל שהחלקיק קטן יותר, רצועת ההפרדה הקיימת בו רחבה יותר. לממצא זה עשויה להיות חשיבות רבה בפיתוחם של התקנים אלקטרו-אופטיים עתידיים.

 

נראה, שבאמצעות מיקרוסקופ הכוח האטומי המשופר הצליחו הודס ורובינשטיין למדוד חלקיקים קוואנטיים בודדים. במדידות אלה, הראשונות מסוגן שבוצעו בטמפרטורת החדר, נראה שהחוקרים גם הצליחו לעקוב אחר מעבר של אלקטרונים בודדים בחלקיק הקוואנטי המוליך-למחצה. מחקרים אלה מהווים צעד חשוב לקראת פיתוחו של הטרנזיסטור הזעיר ביותר שאפשר לחשוב עליו כיום - טרנזיסטור של אלקטרון בודד.

 

 

בשנים האחרונות מתרבים המקרים שבהם חיידקים גורמי מחלות מפתחים יכולת התנגדות לתרופות אנטיביוטיות. תופעה זו נחשבת לאחד מהאתגרים היותר מורכבים שיעמדו לפני הרפואה בעתיד. דרך מקורית ויעילה להתמודד בהצלחה עם האתגר הזה פותחה באחרונה בידי פרופ' יחיאל שי מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע.

 

את הרעיון העומד בבסיס השיטה החדשה, נטלו המדענים מהטבע. בשלב הראשון חקרו המדענים את דרך פעולתם של פפטידים או חלקי חלבונים המופקים בגופם של בעלי-חיים ובני-אדם, ומשמשים "קו הגנה ראשון" כנגד חיידקים גורמי מחלות. מחקר זה המשיך למעשה, מחקרים שהחלו במכון בשנות החמישים, על ידי פרופ' אפרים קציר ואחרים. המדענים גילו להפתעתם, כי הפפטידים האלה פועלים כמעין תכשירי ניקוי (כמו סבון ודטרגנטים אחרים): הם נצמדים לחיידק ומפרקים, או ממיסים, חלק מהקרום החיצוני שלו, העשוי חומר שומני. כתוצאה מניקוב הקרום נשפכים מרכיבי החיידק החוצה, והוא מת.

 

מצוידים בידע הזה, ניגשו חברי צוות המחקר של פרופ' שי לפיתוח משפחה חדשה של פפטידים מהונדסים בעלי תכונות ייחודיות, שאינן קיימות בפפטידים הטבעיים. הפפטידים המהונדסים האלה עשויים לשמש בסיס לתרופות יעילות ורבות עוצמה נגד חיידקים גורמי מחלות.

 

פשטות מנגנון הפעולה שלהם היא אחד מהיתרונות הבולטים של הפפטידים החדשים על פני החומרים האנטיביוטיים. כדי לפגוע בחיידק חייבים החומרים האנטיביוטיים לחדור אל תוך תא החיידק ולהתערב באופן פעילותו. הפפטידים החדשים, לעומתם, צריכים רק להיצמד אל קרומו החיצוני של החיידק. מדעני מכון ויצמן גילו שהיצמדות כזאת מתבססת על ההרכב הכימי של הפפטיד עצמו, ואינה מחייבת התאמה מבנית מיוחדת בין מולקולת הפפטיד לאחד מחלבוני הקרום. פשטות זו עשויה להקל במידה רבה על יצירתם של פפטידים מסוגים שונים, שיותאמו לפגיעה בסוגים שונים של חיידקים.

 

שלא כמו חומרים אנטיביוטיים ואחרים, הפוגעים בתאים באופן לא בררני, הפפטידים האנטי-חיידקיים החדשים לא יזיקו לתאי גוף האדם. יכולת ההבחנה הזאת של הפפטידים נובעת מהעובדה שהם נצמדים רק לקרומים הטעונים במטען חשמלי שלילי, דוגמת קרומיהם של חיידקים. לעומת זאת הם מתעלמים מקרומים נייטרליים מבחינה חשמלית, דוגמת תאי גוף האדם.

 

החומרים החדשים הוכיחו כבר את יכולתם לפעול ביעילות במבחנה. בשלב הבא הם ייבחנו בניסויים בבעלי-חיים. כדי לפתח פפטידים כאלה לשימוש רפואי בבני-אדם הוקמה חברת סטארט אפ חדשה, BALM, בשיתוף בין קרן ההון הפרטית פמו"ט, וחברת ידע, העוסקת בקידום יישומים תעשייתיים של מחקרים המבוצעים במכון ויצמן למדע.