מיסתורי המולקולה

מדעני המכון פיתחו מולקולות שעשויות לשמש להצפנת מידע ופיענוחו. מלבד הצפנה, מולקולות אלה יוכלו לשמש גם בתחומי הרפואה, למשל לצורך דיווח על תהליכים שמתחוללים בתוך תאים חיים.

חובבי ספרי ריגול ומיסתורין מכירים כמובן סיפורים על מכתבים שנכתבו בדיו בלתי-נראית, וכן שיטות מתקדמות יותר להצפנת מידע. מדעני מכון ויצמן למדע פיתחו באחרונה שיטה אשר משלבת את שני אלה – במולקולה בודדת. ד"ר דוד מרגוליס, מהמחלקה לכימיה אורגנית במכון, אשר עמד בראש צוות המחקר, אומר שהממצאים עשויים לאפשר דרכים לא שגרתיות לאבטחת מידע מצד אחד, ול"ריגול" אחרי תאים חיים, מצד שני. ממצאי המחקר פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Communications.

בתרחיש שד"ר מרגוליס וצוותו רואים בעיני רוחם יוכל הנמען של הודעה מוצפנת, המכילה רשימה של מספרים אקראיים לכאורה, לפענח את המסר באמצעות חומרים כימיים פשוטים ונגישים, ובעזרת "מכונת צופן" בגודל של מולקולה – שאפשר להסתירה בקלות, למשל, בנקודה זעירה בשולי מכתב, או בעמוד בספר. כדי לחשוף את המסר, הנמען צריך רק לחתוך את הריבוע הקטנטן שבו הוסתרה המולקולה, למקם אותו בספקטרומטר ולהוסיף חומר, למשל משקה קל, בירה או נוזל ניקוי. החומר המסוים יכול להיות, בעיקרון, כל חומר כימי מוסכם מראש, אשר ידוע רק לנמען ולשולח. "מפענחים כימיים" אלו עשויים גם הם להיות מוסתרים על הנייר - ולהישלח בדואר.

כאשר החומר המפענח בא במגע עם מולקולת-הצופן, מופק פלט מספרים ייחודי – לפי עוצמת הקרינה בכל אורך גל – והוא שישמש מפתח לפיענוח. חיסור המפתח המספרי הזה מההודעה המוצפנת יפיק סדרה חדשה של מספרים שתתאים לאלו שבטבלה, כשכל אחד מוקצה לאות אחת באלף-בית.

"שימוש בדיו בלתי-נראית לשליחת הודעות יכול כעקרון למנוע מעקב אלקטרוני, אבל דיו סתרים פשוטה (כגון מיץ לימון וסוגים נוספים), אשר שימשה בעבר להסתרת הודעות, אפשר לגלות בקלות. המולקולה שלנו, כמו דיו בלתי-נראית, מגינה על המידע באמצעות חומרים פשוטים ונגישים, ובכל זאת נותנת הגנה טובה".

המולקולות שעיצבו ד"ר מרגוליס וחברי קבוצתו, טנמיי סרקר, קרות'פנדי סלווקומאר וליילה מוטיעי, מהוות סוג מתקדם של חישנים פלואורסצנטיים. מולקולות אלו, ש"נדלקות" כאשר הן נתקלות בחומר מסוים, משמשות לעיתים קרובות במחקר כימי או ביולוגי, לשם איבחון נוכחות או זיהוי רמות של מולקולות מסוימות. אבל בעוד חישנים רגילים קושרים, בדרך כלל, מולקולה אחת ומאירים בצבע אחד, מולקולת הצופן החדשה יכולה לקשור כמות גדולה של חומרים שונים ולפלוט בתגובה אור בשלל צבעים - גוון שונה בתגובה לכל חומר שהיא פוגשת, כולל יונים של מתכות, חומצות, בסיסים, ממיסים, חלבונים וסוכרים.

"עקרונות פעולה דומים", אומר ד"ר מרגוליס, "נמצאים ביסוד פעילותם של קולטנים חלבוניים במערכת חוש הריח שלנו, אשר יכולים לקשור מולקולות של חומרי ריח רבים ושונים ולחוש בהם".

יצירת מפתח ההצפנה היא היפוכו של תהליך הפיענוח: השולח והנמען משתמשים באותה מולקולה ובאותה טבלה, ובאותו חומר מפענח, אשר אפשר להחליפו מדי יום או אפילו מדי שעה, לפי הצורך. המדענים השתמשו בהצלחה בשיטת ההצפנה המולקולרית עם מספר חומרים – מתכות, מולקולות ביולוגיות וממיסים, ואפילו משקאות קלים. יכולתן של המולקולות להגיב לחומרים רבים כל כך מסכלת, מבחינה מעשית, ניסיונות לנחש את זהות החומר המפענח. למעשה, המדענים פיתחו גם שיטה להגנה על מפתח הפיענוח באמצעות סיסמה, אשר מורכבת משלושה חומרים שונים שיש להוסיפם בסדר הנכון.

למעשה, מולקולות אלה יוכלו לשמש גם בתחומי הרפואה. מולקולות חישן מסוג זה עשויות להיכנס לתאים חיים, לבדוק כמויות ורמות של מיגוון חומרים, ולדווח על הממצאים לחוקרים ולרופאים. סוג כזה של דיווח יוכל אולי, בעתיד, לתת תמונה מלאה יותר של פעילות או מחלה.