מסנן הספינים: מולקולות די-אן-אי מסוגלות להבחין בין כיוונים שונים של ספין

עקרונותיה של תורת הקוונטים קובעים את התנהגותם של חלקיקי החומר המיקרוסקופיים: אטומים, מולקולות קטנות וחלקיקים תת-אטומיים. אבל האם הם מתבטאים גם במערכות ביולוגיות? פרופ' רון נעמן מהמחלקה לפיסיקה כימית בפקולטה לכימיה של מכון ויצמן למדע, ביחד עם פרופ' זאב וגר ותלמיד המחקר טל מרקוס ומדענים מגרמניה, בחנו את השאלה הזאת. תוצאות מחקרם מראות שמולקולות של החומר הגנטי, די-אן-אי, מסוגלות להבחין בין כיוונים שונים של ספין, שהוא מעין תקיפת סחרור המאפיינת אטומים או חלקיקי חומר תת-אטומיים. ממצאים אלה פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Science.

כדי לחקור תופעות קוונטיות בחלקיקי חומר זעירים, נוהגים המדענים לקרר אותם לטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט. פרופ' נעמן: "אבל כאשר מערכת כזאת גדלה אל מעבר לסף מסוים, או שהטמפרטורה של החומר עולה אל מעבר לנקודה מסוימת, קשה לגלות את התכונות הקוונטיות שלה, והפיסיקה הקלאסית של היום-יום משתלטת. מולקולות ביולוגיות דוגמת הדי-אן-אי הן גדולות מאוד, והן פועלות בטמפרטורות גבוהות בהרבה מאלה שבהן אנו מבצעים את רוב הניסויים בתחום הפיסיקה הקוונטית. אפשר היה לצפות שספין, תופעה קוונטית שקיימת בשני מצבים מנוגדים (שנהוג לכנותם "למעלה" ו"למטה"), אינו מתבטא באופן מובהק במולקולות האלה, ולפיכך קשה היה להניח שיש לו השפעה כלשהי על תיפקודן".

אבל המולקולות הביולוגיות הן בעלות תכונה נוספת: כיראליות. תכונה זו מתבטאת בקיומן של מולקולות בעלות הרכב כימי זהה, אשר נבדלות זו מזו במבנה המרחבי שלהן, כך שמולקולה אחת מהווה מעין "תמונת מראה" של המולקולה האחרת (הדבר מזכיר את הדמיון וההבדל שקיימים בין כף יד ימין לכף יד שמאל). לפיכך, על אף הזהות הכימית ביניהן, אי-אפשר להציב את המולקולות האלה כך שיחפפו זו את זו (כפי שאי-אפשר להציב בחפיפה את כף יד ימין עם כף יד שמאל).

במחקריהם הקודמים למדו מדעני המכון שמולקולות כיראליות אחדות מסוגלות לקיים יחסי גומלין שונים עם כיווני ספין שונים. יחד עם פרופ' הלמוט זכריאס וצוות המחקר שלו באוניברסיטת מינסטר שבגרמניה, הם בדקו אם הדי-אן-אי, שהיא מולקולה ביולוגית כיראלית, יכולה גם היא להבחין בין מצבי ספין שונים.

המדענים יצרו שכבות מסודרות של די-אן-אי דו-גדילי בעובי של מולקולה אחת, שהתארגנו באופן עצמאי ונקשרו למשטח זהב. לאחר מכן, הם חשפו את הדי-אן-אי לקבוצות של אלקטרונים שהתאפיינו בשני מצבי הספין. כך הבחינו שמולקולות הדי-אן-אי יוצרות יחסי גומלין בולטים עם אלקטרונים שהתאפיינו בכיוון ספין אחד מסוים, ומתעלמות מהיתר. ככל שהמולקולה הייתה ארוכה יותר, היא הייתה יעילה יותר בבחירת האלקטרונים בעלי הספין הרצוי. ממצא זה מעניין במיוחד לנוכח העובדה שגדילים יחידים ושכבות לא מסודרות של המולקולות לא פעלו כך. המדענים סבורים שהיכולת לבחור אלקטרונים בעלי ספין ספציפי נובעת מהצורה הכיראלית של מולקולת הדי-אן-אי.

"למעשה", אומר פרופ' נעמן, "נראה שהדי-אן-אי הוא 'מסנן ספינים' מעולה. מחקרנו מראה שהדי-אן-אי נפגע רק מספינים בכיוון אחד. יתכן שבעתיד נוכל להקטין את שיעור הפגיעה של מערכות ביולוגיות מקרינה אלקטרו-מגנטית ולעצב מכשירים רפואיים בהתאם. מצד השני, בעתיד יכול להיות שדי-אן-אי ומולקולות ביולוגיות אחרות יהפכו לרכיבים מרכזיים בהתקנים ספינטרוניים, שיפעלו בדרך של גילוי כיוון הספין במקום באמצעות מדידת מטען חשמלי, כמו המכשירים האלקטרוניים הקיימים כיום".