בעקבות האור

רבות מן המולקולות החשובות על פני כדור-הארץ מגיעות בשתי גרסאות – שמאלית או ימנית. מסיבות שאינן ידועות, מערכות חיות מעדיפות סוג אחד של כיווניות על פני השני. כך, למשל, די-אן-אי הוא בדרך כלל סליל ימני, בעוד חומצות אמינו – אבני הבניין של החלבונים – הן ברובן שמאליות. כלומר, יצורים חיים בררניים ביותר בנוגע לכיווניות (המכונה "כיראליות") של חומרים. יעילות תרופה, למשל, תלויה בכיווניות המולקולות שלה, ולכן אין זה מפתיע שמאמצים רבים מושקעים בפיתוח שיטות משופרות לזיהוי הכיווניות של חומרים בתערובת ולמיונם.

באחרונה הצליחו מדענים לסובב מולקולות כיראליות באמצעות אור – הישג אליו שאפו רבים לאורך שנים ללא הצלחה. פיסיקאים תיאורטיים ממכון ויצמן למדע ופיסיקאים בתחום הלייזר מאוניברסיטת קולומביה הבריטית הצליחו, באמצעות פעימות לייזר, ליצור תגובות שונות במולקולות שמאליות וימניות. גישה חדשה זו לשליטה במולקולות כיראליות עשויה בעתיד להוביל לשיטה חדשנית למיון חומרים בעלי כיווניות שונה.

"לעתים קרובות, השיטות הקיימות למיון נשענות על גיבוש סלקטיבי או על תגובות כימיות בתמיסה עם זרזים כיראליים", אומר פרופ' איליה אברבוך מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית שפיתח, עם תלמיד המחקר איליה טיוטיוניקוב, את היסודות התיאורטיים לניסוי. "לעומת זאת, הגישה שלנו, שהיא אולטרה-מהירה, יכולה לעבוד בריכוזים נמוכים בהרבה מהשיטות הכימיות, למשל, כאשר חומר המטרה מצוי רק בצורת גז דליל ביותר".

החומר שבו השתמשו המדענים במחקר הוא מולקולה אורגנית הקרויה פרופילן אוקסיד, שעלתה לכותרות בשנת 2016 כמולקולה הכיראלית הראשונה – ועד כה היחידה – שנתגלתה בחלל הבין-כוכבי. הגילוי סיפק חיזוק לתיאוריות, שלפיהן ההעדפה לכיווניות מסוימת במערכות חיות על פני כדור-הארץ קשורה באופן כלשהו לדרך שבה נוצרים כוכבים.

במחקר החדש, שפורסם בכתב-העת המדעי Physical Review Letters, הצליחו המדענים להפנות מולקולות של פרופילן אוקסיד לכיוון מסוים בעזרת טכנולוגיית לייזר מתקדמת, הקרויה צנטריפוגה אופטית. בדומה לצנטריפוגה הסוחטת בגדים במכונת כביסה, התקן זה מסחרר מולקולות באמצעות פעימות לייזר סליליות המסתובבות במהירות הולכת וגוברת. פרופ' אברבוך ועמיתיו הציעו להכניס תערובת של מולקולות כיראליות לתוך הצנטריפוגה האופטית בציפייה שהן יילכדו בשדה החשמלי בהתאם לכיווניות שלהן. ואכן, המולקולות נתפסו בשדה הצנטריפוגה והתייצבו בניצב למישור הסחרור שלה – כך שמולקולות שמאליות פנו לכיוון אחד, והימניות – לכיוון אחר. אמנם רק שיעור קטן של המולקולות שינה את מיקומו במרחב, אך היה די בכך כדי להוכיח שאפשר לשלוט בהן בעזרת אור. בעתיד אפשר אולי יהיה לפתח שיטות חדשות לא רק למיון מולקולות כיראליות, אלא אף להאצת תגובות כימיות, התלויות במיקום של מולקולה אחת ביחס לשנייה.

בראש צוות הניסוי באוניברסיטת קולומביה הבריטית עמד פרופ' ולרי מילנר, שסיים את לימודי הדוקטורט שלו במכון ויצמן למדע. הצוות כלל את ד"ר אלכסנדר מילנר, שבעבר עבד גם הוא במכון, ואת תלמידי המחקר ג'ורדן פורדיס, איאן מקפייל-ברלי וולטר וסרמן