כרטיס כניסה מגנטי לראשית החיים בכדור-הארץ

מחקר עם תובנות חדשות על מקור החיים התחיל, איך לא, בסעודת ליל שבת. "אנחנו משתדלים לא לדבר על מדע בארוחות משפחתיות, אבל לרוב זה לא מצליח", נזכרת פרופ' מיכל שרון ממכון ויצמן למדע. שניים משלושת אחיה ואחיותיה עוסקים במדע, ובהם האח פרופ' יוסי פלטיאל, פיזיקאי ודיקן הפקולטה למתמטיקה ומדעי הטבע באוניברסיטה העברית בירושלים.

באותו ערב סיפר פרופ' פלטיאל על המחקר שלו בתחום הפרדת מולקולות לפי מבנה. השיחה הולידה שיתוף פעולה בין האח לאחות שהוביל אותם לתחום חדש לשניהם: מוצא החיים בכדור-הארץ. המחקר המשותף, שהתפרסם לאחרונה בכתב-העת המדעי Chem, מציג חוליה אפשרית חסרה בתיאוריה שעל פיה ראשית החיים בקרקעיות אגמים רדודים העשירים בחומרים מגנטיים.

חלבון שמאלי, די-אן-אי ימני

המבנה של חומרים מן החי טומן בחובו תעלומה קשה לפיצוח. מולקולות ביולוגיות רבות קיימות בשתי צורות המהוות תמונות ראי האחת של השנייה, כמו יד שמאל ויד ימין. הכימאים קוראים לתכונה הזאת "כיראליות". בתיאוריה היו אמורות להיות בטבע כמויות שוות של שתי הצורות, ימין ושמאל, אך יצורים חיים מעדיפים אחת מהן באופן מובהק. חומצות אמינו, אבני הבניין של חלבונים, הן כמעט כולן שמאליות, בעוד שמולקולות די-אן-אי ואר-אן-אי מעדיפות להתפתל בכיוון ההפוך.

חוסר הסימטריה הזה אינו עניין של מה בכך. תגובות ביולוגיות תלויות במבנה מולקולרי מדויק; בהיעדר כיראליות נכונה התגובה עלולה להיכשל כליל. מסיבה זו, הכיראליות של מולוקולות ביולוגיות נחשבת לטביעת אצבע חיונית של החיים בכדור-הארץ.

""תמיד חשבתי שיוסי ואני עובדים בתחומים שונים לחלוטין. בניסיון להתחקות אחר מקור החיים גילינו מכנה משותף"

באותה ארוחה משפחתית תיאר פרופ' פלטיאל את עבודתו המשותפת רבת השנים עם פרופסור אחר ממכון ויצמן, פרופ' רון נעמן, על הפרדת מולקולות לפי הכיראליות שלהן בעזרת מגנטיות. מולקולות כיראליות כשלעצמן אינן מגנטיות, אך משטחים ממוגנטים יכולים למשוך באופן סלקטיבי כיראליות מסוג מסוים על פני הכיראליות ההופכית. תכונה זו יכולה לשמש כדי להפריד מולקולות וגבישים לפי הכיראליות שלהם –  הפרדה חיונית בייצור תרופות, קוטלי חרקים וכימיקלים רבים אחרים. בהיעדר הפרדה זו חומרים תעשייתיים אלה יהיו חסרי תועלת במקרה הטוב או מסוכנים במקרה הרע.

כאשר תיאר פרופ' פלטיאל את נושא המחקר שלו, הבינה לפתע פרופ' שרון שהמומחיות שלה עשויה לסייע. היא מתמחה בספקטרומטריית מאסות, שיטה המזהה מולקולות באמצעות מדידת המאסה שלהן. היא הציעה להשתמש בשיטה זו כדי לנתח ולעקוב אחר תהליך הפרדת המולקולות לפי הכיראליות שלהן.

את הניסוי שתוכנן על-ידי שתי המעבדות הובילה אופק ורדי, תלמידת דוקטורט ממעבדתו של פרופ' פלטיאל. צוות המחקר השתמש בגרסאות שמאליות וימניות של מתיונין – חומצת אמינו חיונית ליצור חלבונים בתא – והעביר תמיסה שלהן דרך מסננת נייר שבה הוטמנו חלקיקים מגנטיים בגודל כמה מיקרונים.

כדי לעקוב אחר חומצת האמינו, השתמשו המדענים במולקולות מתיונין המכילות אטומי פחמן משני סוגים הקרויים איזוטופים – אטומים בעלי משקל שונה של אותו יסוד כימי. בחלק מהניסויים, המולקולות הימניות הכילו את האיזוטופ הנפוץ והקל יותר, פחמן-12, בעוד השמאליות הכילו את פחמן-13 הכבד יותר; בשאר הניסויים הפכו המדענים את השימוש באיזוטופים. יותר מכך, המדענים הפכו גם בחזרות שונות של הניסוי את כיוון המגנטים. לאחר כל חזרה, השתמשו החוקרים בספקטרומטריית מאסות כדי למדוד את היחס בין האיזוטופים וכך לנטר את ההפרדה שהתרחשה בין המולקולות שעברו מבעד למסננת.

התוצאות היו מפתיעות. נראה היה שהמסננת המגנטית מפרידה את מולקולות המתיונין לא רק לפי הכיראליות שלהן אלא גם לפי האיזוטופים שהן מכילות. המולקולות עם הפחמן הכבד יותר – השמאליות כמו הימניות – נמשכו יותר לחלקיקים המגנטיים הפונים לכיוון אחד על פני הכיוון השני.

המדענים הלכו עוד צעד קדימה. "השתמשנו במולקולות שמאליות של מתיונין שנבדלו זו מזו רק בתכולת האיזוטופים שלהן", מסבירה ורדי. "לתדהמתנו, המסננת המגנטית הראתה עדיפות שיטתית להרכב איזוטופי אחד על פני השני". במלים אחרות, המגנטיות ידעה להבדיל לא רק בין כיראליות ימנית או שמאלית אלא גם בין איזוטופים.

"זה היה הממצא הכי חשוב והכי מפתיע של המחקר", קובע פרופ' פלטיאל. הוא מסביר שההפרדה המגנטית של מולקולות כיראליות נובעת מתכונה קוונטית של אלקטרונים הנקראת ספין – תכונה מגנטית זעירה השונה בין צורות שהן תמונת ראי זו של זו. גם איזוטופים יכולים להיות שונים בתכונת הספין שלהם, אבל לא של האלקטרונים אלא של גרעיני האטומים. עם זאת, השפעת תכונה זו היא בדרך כלל זעירה עוד יותר מזו של הספין האלקטרוני. החוקרים שיערו כי המבנה התלת־ממדי של מולקולות כיראליות עשוי להגביר את האינטראקציות בין שני סוגי הספין הללו – ובכך לחבר בין משיכה מגנטית לבין הרכב איזוטופי בדרכים שלא היו מוכרות בעבר.

טביעת אצבע כפולה

כיראליות אינה טביעת האצבע הכימית היחידה של החיים. יצורים חיים נבדלים, באופן מינורי אמנם אך עקבי, מעצמים דוממים גם לפי יחס האיזוטופים שלהם. החיים נוטים להעדיף איזוטופים קלים יותר – למשל, צמחים וכן בעלי-חיים מכילים מעט פחות פחמן-13 מאשר הסביבה המקיפה אותם. מדענים מנצלים הבדל זה לזיהוי עקבות של פעילות ביולוגית קדומה. דפוסים איזוטופיים כאלה יכולים להשתמר בסלעים במשך מיליארדי שנים, ולהציע רמזים לחיים הראשונים על פני כדור-הארץ.

הממצאים החדשים מצביעים לראשונה על קשר בין שתי טביעות האצבע האלה – כיראליות ויחס איזוטופים. אם תגובות ביוכימיות מוקדמות התרחשו על משטחים מגנטיים, ייתכן שלמגנטיות הייתה השפעה מתמשכת על שתי התכונות.

רעיון זה משתלב עם ההשערה, שהוצעה לראשונה על ידי קבוצתו של פרופ' דימיטר סאסלוב מאוניברסיטת הרווארד, ולפיה החיים על פני כדור-הארץ נוצרו על פני משטחים מגנטיים טבעיים, כגון קרקעיות אגמים קדומים עשירים במינרלים. לאורך זמן, תגובות כימיות המערבות מינרלים של ברזל היו עשויות ליצור משקעים ממוגנטים במים החמים והרדודים – סביבות שעשויות היו להתאים להיווצרות החיים. אם כך, ייתכן שקרקעות ממוגנטות אלה יצרו עדיפות למולקולות בעלות כיראליות מסוימת, ובמקביל השפיעו על ההרכב האיזוטופי שלהן.

"אם החיים אכן החלו על משטחים מגנטיים, התוצאות שלנו מספקות הוכחה ניסויית לכך שמגנטיות עשויה הייתה להיות אחראית הן לכיראליות המסוימת של מולקולות ביולוגיות והן ליחס האיזוטופים בחומר חי", אומר פרופ' פלטיאל.

מקור החיים והסקרנות

מעבר לתובנות אפשריות על מקור החיים, למחקר עשויות להיות גם השלכות יישומיות. הוא עשוי להוביל לטכנולוגיות חדשות המשלבות השפעות מגנטיות עם ספקטרומטריית מאסות כדי להפריד מולקולות הן לפי הכיראליות שלהן והן לפי יחס האיזוטופים.

עבור הפרופסורים שרון ופלטיאל, לפרויקט יש גם ממד אישי. אביהם, ד"ר צבי פלטיאל, פיזיקאי בגמלאות ממכון ויצמן למדע, הקדיש חלק ניכר מהקריירה שלו לחינוך מדעי. "הוא עודד אותנו לחקור מגיל צעיר, ושיתף אותנו בהתפעלות שלו מהטבע – למה השקיעה אדומה, איך נוצר גשם ולמה לעיתים הוא נופל באלכסון", נזכרת פרופ' שרון.

שני האחים אמנם כבר שיתפו פעולה בעבר – הודות לסטודנט של פרופ' פלטיאל. "הסטודנט אמר לי שהוא מבקש מאוד שנשקול לשתף פעולה עם פרופסורית במכון ויצמן שכן היא מומחית בעלת שם עולמי לספקטרומטריית מאסות ושאל אם יש לי התנגדות", מספר פרופ' פלטיאל. "עניתי לו שהיא אחותי". עם זאת, עד לפרויקט הנוכחי סברה פרופ' שרון שתחומי המחקר שלהם רחוקים זה מזה.

"תמיד חשבתי שיוסי ואני עובדים בתחומים שונים לחלוטין", היא אומרת. "עכשיו בניסיון להתחקות אחר מקור החיים גילינו מכנה משותף."

במחקר השתתפו גם ניר יורן וד"ר שירה יוכליס ממעבדתו של פרופ' פלטיאל; ד"ר גילי בן-ניסן במעבדתה של פרופ' שרון במחלקה למדעים ביומולקולריים של המכון; וד"ר אלה יעקוב מהמכון לכימיה של האוניברסיטה העברית בירושלים.