מספר סביבונים שמסתובבים בסמיכות מקום יתנגשו זה בזה תוך זמן קצר ויפסיקו להסתובב. אבל לפי חוקי הפיסיקה, אם סביבונים רבים מסתובבים יחד, באותו האופן בדיוק, ובמהירות גבוהה ביותר, תתרחש, בשלב הראשון, תופעה אחרת: הם עשויים להיכנס לתנועה סיבובית משותפת ואחידה סביב נקודה מרכזית. הניסיון לחולל את התופעה הזאת באמצעות סביבונים אינו מעשי, אולם מחקר של מדענים ממכון ויצמן למדע מראה כי אפשר לעשות זאת כאשר את מקום הסביבונים ממלאות מולקולות גז. לזרם סיבובי שכזה של מולקולות – מעין מערבולת של גז – עשויים להיות מספר יישומים בביו-רפואה ובמדעי הננו.

לעצמים מסתובבים יש תכונההנקראת תנע זוויתי, אשר מודדת את נטייתם להמשיך להסתובב. לפני מספר שנים הציעו פרופ' איליה אברבוך ופרופ' יחיעם פריאור, וחברי קבוצותיהם מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, כי אפשר להשפיע על התנע הזוויתי של מולקולות באמצעות דחפים (פולסים) קצרים ביותר של קרני לייזר. במעבדתו של פרופ' פריאור משתמשים בלייזרים ה"יורים" דחפים שאורכם אינו עולה על 50 פמטו-שניות (פמטו שנייה היא מיליונית מיליארדית השניה). דחפי לייזר קצרים אלה גורמים לקבוצות של מולקולות להסתובב בכיוון אחד.

 

תלמיד המחקר אורי שטייניץ, מקבוצתו של פרופ' אברבוך, ביקש לדעת מה קורה לאחר מכן, כשהתנועה הסיבובית נמשכת: האם המולקולות מתנגשות זו בזו, כמו סביבונים, ואם כן, כיצד זה משפיע על הסיבוב שלהן? חוקי הפיסיקה קובעים, כי התנע הזוויתי נשמר תמיד במערכת. כאשר מולקולות המסתובבות מתנגשות זו בזו, מהירות הסיבוב שלהן קטנה, וציר הסיבוב נעשה אקראי. ובכל זאת, התנע הזוויתי הכולל של כולן אמור להישמר. השאלה היא: היכן בדיוק?

 

כדי לגלות את התשובה לכך, השתמשו המדענים במערכת של גז דחוס, שבה כל המולקולות מסתובבות בכיוון אחד, וחישבו מה קורה כאשר המולקולות חוזרות ומתנגשות זו בזו.

 

כך התברר, שלאחר מספר מסוים של התנגשויות, התנע הזוויתי של מולקולות בודדות "הלך לאיבוד", אולם הוא "הופיע מחדש" במערכת, בקנה-מידה גדול יותר: מולקולות הגז שבמערכת החלו להסתובב ביחד במערבולת סביב נקודה מרכזית. גודלה של המערבולת עשוי לעלות פי מיליון על זה של מולקולה בודדת, והקצב שלה עשוי להגיע, באופן תיאורטי, לעשרות ואף למאות אלפי סיבובים בשנייה. בעוד שהתנע הזוויתי הלך והתפוגג בתוך המערכת, הרי שדחפים חוזרים של קרני לייזר הצליחו לשמור את תנועת הערבול של הגז.

 

ממצאים אלה ממחישים עיקרון שנצפה, בדרך כלל, במערכות גדולות הרבה יותר: סערות עזות, כמו לדוגמה ציקלונים, המתחילות כסדרה של מערבולות קטנות, מתנגשות זו בזו, ומצטברות לכדי מערבולת גדולה ואחידה.

 

מערבולות מולקולריות עשויות להיות שימושיות כאמצעי לשליטה בחלקיקים שונים. כאשר מערבולת מסתובבת, התנע שלה מושך מולקולות סמוכות אל תוך הנתיב שלה. אפשר אולי להשתמש בתכונה זו כבמכשיר להזזת חלקיקים קטנים (כמו למשל מולקולות ביולוגיות, שהזזה ישירה שלהן באמצעות קרן לייזר עשויה להזיק להן), מבלי לגעת בהן באופן ישיר. בנוסף לכך, בעתיד ייתכן שאפשר יהיה להפעיל התקנים מיקרו-נוזליים, המשמשים במחקר הביו-רפואי ובתעשיית התרופות.    

 

 

 

 

החלבונים הם אבני הבניין של עולם החי. למעשה, כל הפעילויות המתרחשות בתאים החיים תלויות בחלבונים: התנועה, הנשימה, פעילות מערכת החיסון והמערכת ההורמונלית, פעילות אנזימתית – אלה הן רק דוגמאות בודדות לטווח הפעילות העצום שלהם.

 

החלבון מתחיל את חייו כשרשרת ארוכה, עשויה מ"חרוזים" של חומצות אמינו. רצף החרוזים הוא שקובע את המבנה הראשוני של החלבון. אבל, כדי שירכוש את יכולת הפעילות שלו, על החלבון "להתבגר", כלומר להתקפל למבנה תלת-ממדי פעיל. המבנה התלת-ממדי של החלבון מספק תובנות חשובות בנוגע לפעילותו. מסיבה זאת, במשך עשרות רבות של שנים עוסקים מדענים בפיתוח כלים ושיטות כדי לפענח את המבנה התלת-ממדי של חלבונים.

 

אך לעיתים הדרך – או התהליך – חשובים לא פחות מהתוצאה הסופית: כיצד נעשה המעבר מהמצב הראשוני, הלא מקופל, של החלבון, אל המבנה המקופל הסופי? הבנת המנגנון השולט בהתקפלותם של החלבונים חשובה לא רק לצורך המחקר הביולוגי הבסיסי, אלא עשויה לעזור גם בחקר מחלות, וזאת בשל העובדה שמספר מחלות – וביניהן אלצהיימר – מתאפיינות בקיפול מוטעה של חלבונים. ניתוח מנגנון ההתקפלות של חלבונים קטנים הוא פשוט יחסית, שכן המעבר מהצורה הלא מקופלת לצורה המקופלת נעשה בצעד אחד. אך מה באשר לחלבונים גדולים ומורכבים?

 

 

לפני שניגשו לעבודה, נאלצו המדענים להתמודד עם בעיות נוספת: מולקולות החלבון נודדות בחופשיות, כך שקשה לעקוב אחריהן במשך זמן ממושך דיו לצורך ניתוח שלהן. כדי להתגבר על הבעיה יצר פרופ' הרן מעין מלכודת: כל מולקולת חלבון הוכנסה לשלפוחית שקופה אשר נקשרה למשטח זכוכית. מתקן זה מנע ממולקולות החלבון לנוע, וכך אפשר היה לבצע את המדידות. בעיה נוספת התגלתה בסמני הצבע הפלואורוסנטיים, אשר איבדו את צבעם תוך מספר שניות – פרק זמן קצר מכדי לעקוב אחר תהליך הקיפול במלואו. המדענים פתרו את הבעיה בדומה לפסיכולוג המנסה לפענח את מצבו הנפשי הנוכחי של אדם באמצעות חיבור פיסות אירועים המתגלות לו בסדר אקראי: הם השתמשו באלפי מולקולות חלבון, וניתחו מקטעים קצרים של תהליכי קיפול – שכל אחד מהם מתחיל בנקודה אחרת בזמן. לאחר מכן השתמשו בניתוח סטטיסטי שפיתחו כדי "להדביק" זה לזה את הרצפים הקצרים של ארועי הקיפול, לפי הסדר הכרונולוגי הנכון.

 

 

יחסים מוצלחים בין מולקולות - ממש כמו יחסים אנושיים - דורשים מספר תנאים בסיסיים: תחילה המולקולות צריכות להיתקל זו בזו, ולאחר המפגש יש לספק להן פרק זמן מינימלי להתרחשות תגובה כימית. אלה הן שתי בעיות איתן מתמודד ד"ר אדוארדס נרייביצ'יוס, מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה. ד"ר נרייביצ'יוס מתעניין בתופעות הקוונטיות שבאות לידי ביטוי בתגובות כימיות, כאשר הן מתרחשות בטמפרטורות נמוכות מאוד - קרוב לאפס המוחלט. כדי לחקור תופעות אלה, שאינן באות לידי ביטוי בטמפרטורות גבוהות יותר, הוא מפתח שיטות המאפשרות לקרר את המולקולות, ובתוך כך גם מספקות את התנאים הנדרשים לצורך מפגש ואינטרקציה ביניהן. "בניגוד לקירור של אטומים, שהוא פשוט יחסית, קירור מולקולות לטמפרטורה קרובה לאפס המוחלט הוא מסובך", הוא אומר. "במולקולות יש הרבה רמות אנרגיה וגם סוגים שונים של תנועה - כמו ויברציות ורוטציות - אשר מקשים על הקירור".

כיצד מקררים מולקולות? השיטה הנפוצה ביותר פותחה לפני כמחצית המאה, וזיכתה את ממציאיה - דדלי הרשבך ויואן לי - בפרס נובל בכימיה לשנת 1986. בשיטה זו, הקרויה supersonic beam, יוצרים אלומה של המולקולות אותן מעוניינים לקרר, כשהן נישאות בתוך גז קר. כאשר מאפשרים לגז להשתחרר בלחץ גבוה לתוך ריק - הוא מתקרר (מאותה סיבה גורם שחרור של גז בישול להתקררותו של צינור הגז ולהצטברות של קרח על גבי הצינור). שיטה זו היא פשוטה, קל וזול לתפעל אותה, ואפשר, באמצעותה, לקרר חומר המצוי בטמפרטורת החדר (כ-300 מעלות קלווין) לטמפרטורה של עשירית המעלה מעל האפס המוחלט. באמצעות הרצת שתי אלומות זו מול זו אפשר לחקור את התגובה הכימית בין שתי מולקולות, המתרחשת בנקודת המפגש של האלומות. אולם לשיטה זו יש חיסרון משמעותי, שמקורו בעובדה שאנרגיה אינה הולכת אף פעם לאיבוד: האנרגיה שהשתחררה מהמערכת בתהליך הקירור הופכת לאנרגיה של תנועה, והאלומה מאיצה למהירות שעשויה להגיע עד שני ק"מ בשנייה. בגלל המהירות הגבוהה, משך המפגש בין שתי האלומות הוא קצר ביותר - מה שמקשה על היווצרותה של תגובה כימית, מסבך את המעקב אחריה, ואף משפיע על תוצרי התגובה.

 

"המטרה שלנו היא לקחת את המולקולות המקוררות שבאלומה, ולבטל את אפקט ההאצה - וכך ליהנות מיתרונות השיטה, ולבטל את חסרונותיה", אומר ד"ר נרייביצ'יוס. שיטתו לעצירת מולקולות ולכידתן - אותה התחיל לפתח במהלך מחקרו הבתר-דוקטוריאלי בקבוצתו של מארק רייזן באוניברסיטת טקסס באוסטין - דומה לפיתוח של ג'ראר מאייר הקיים זה עשור, הקרוי Stark decelerator. אך בעוד ששיטתו של מאייר מאטה את המולקולות בהדרגה באמצעות פולסים של שדה חשמלי, מבוססת שיטתו של ד"ר נרייביצ'יוס על פולסים של שדה מגנטי. השדה המגנטי, כך גילה, יעיל עבור טווח גדול יותר של חומרים - כל מולקולה או אטום בעלי מומנט מגנטי קבוע. אך גם לשיטה זו חסרונות משלה: במהלך ההאטה נגרמים הפסדים גדולים של חומר, והמולקולות מתפזרות ומתרחקות זו מזו. המולקולות הבודדות הללו - בדומה למולקולות המהירות - מתקשות "להכיר" מולקולות אחרות, ולפתח יחסים משמעותיים אשר יובילו לתגובה כימית.

כדי לנסות להתגבר על הבעיה הזו, מפתח ד"ר נרייביצ'יוס מלכודת מגנטית - מעין ספל אשר מחזיק את המולקולות בתוכו לכל אורך התהליך. המלכודת בנויה משני סלילים מגנטיים שבתוכם עובר זרם בכיוונים מנוגדים. באופן זה נוצר "בור" אשר מגביל את תנועת המולקולות, ואינו מאפשר להן לצאת. כדי שהמלכודת תתפקד כראוי - כפי שיודע כל מי שניסה לרוץ כשהוא אוחז בספל קפה - ההאטה צריכה להתרחש באופן הדרגתי, שכן בלימה פתאומית תגרום למולקולות להישפך מתוך המלכודת. לצורך כך פיתח ד"ר נרייביצ'יוס רצף של למעלה מ-200 מלכודות חופפות, המופעלות בהדרגה, בזו אחר זו, כאשר מהירותה של מרכז המלכודת מואטת בהדרגה פי 100. ממצאים ראשוניים שהתקבלו במעבדתו מראים, כי באופן זה אפשר להגיע לתאוטה של עשרת אלפים g) g הוא תאוצת הכוח על פני כדור-הארץ), ולהגיע לניצולת של כ-30% מהחומר - לעומת מספר עשיריות האחוז שהתקבלו עד כה.

כעת, משהצליח ליצור מלכודת ובה מולקולות מקוררות ואיטיות, מתכנן ד"ר נרייביצ'יוס להשתמש באמצעי שפיתח כדי ללמוד על היחסים הנרקמים ביניהן. במיוחד מעניינות אותו תגובות בעירה - בהן מעורבות מולקולות חמצן, וכן התנגשויות "עצמיות" של מולקולות מאותו סוג. בנוסף, ברצונו למצוא דרכים להתקרב עוד יותר לנקודת האפס המוחלט, ולקרר את המולקולות במלכודת שיצר - שהטמפרטורה שלהן כיום עומדת על 100 אלפיות המעלה מעל האפס המוחלט - לאלפית המעלה בלבד, או אף פחות מכך.