סימפוניה של תמונות

 

 

 

חובבי מוסיקה קלאסית יודעים לזהות יצירות שונות ומלחינים שונים, הודות לשילוב הצלילים הייחודי המאפיין אותם. באופן דומה, מדענים יודעים לזהות קרינה שבוקעת מחומרים שונים, ולקבוע על-פיה את המבנה המדויק שלהם. כדי לגרום לחומר לפלוט את הקרינה האופיינית לו, משתמשים המדענים בתהודה מגנטית גרעינית - NMR, ובדימות בתהודה מגנטית - MRI. טכניקות אלה אינן פולשניות, הן צורכות מעט אנרגיה, ולפיכך הן משמשות לטווח רחב של בדיקות ובחינות, מהמבנה הכימי של תרופות, ועד למעקב אחר התפתחות מוח העובר. תכונת המגנטיות היא הבסיס לפעילותם של ה-NMR וה-MRI. כאשר גרעיני האטומים נחשפים לשדה המגנטי שבמכשירים אלה, הם מתעוררים לחיים ומתחילים להסתובב סביב עצמם - כמו מחטים של מצפן מיקרוסקופי. כתוצאה מכך הם פולטים גלים אלקטרו-מגנטיים. גרעינים של אטומים מסוגים שונים משדרים גלים שונים, וכך נוצר דפוס קרינה אופייני לכל חומר. המדענים מנתחים את דפוסי הקרינה, ועל-פיהם הם יוצרים תמונה רב-ממדית מלאה ומדויקת של המולקולות המרכיבות את החומר.

 

השיטה זכתה לפופולריות עצומה, ונעשה בה שימוש במיגוון רחב של תחומי מחקר כמו רפואה, ביולוגיה מבנית, כימיה תרופתית, פיסיקה של חומר מעובה, ומדעי כדור-הארץ. מכשירים המבוססים על תהודה מגנטית הוכיחו את עצמם כאמצעי מחקר רב-ערך, ובעל יישומים רבים מאוד: החל מתכנון סוגים חדשים של מוליכים למחצה, חומרים קטליטיים (זרזים כימיים) ותרופות יעילות, ועד למחקר בזמן אמת של פעילות מוח האדם, ואבחון מצב בריאותו של העובר.

 

"עם זאת, אותן התכונות שעושות את המכשירים האלו שימושיים כל-כך ברפואה ובמחקר, העובדה שהם אינם פולשניים ופולטים רק רמות נמוכות ביותר של אנרגיה, ולכן אינם מזיקים, אחראיות גם לחיסרון הגדול שלהם: רמת הרגישות הנמוכה של הבדיקה", מסביר פרופ' לוסיו פרידמן, מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע. "כדי לשפר את רמת הרגישות של המדידות נאלצים המדענים להשתמש בריכוזים גבוהים של דוגמאות נבדקות, שלעיתים קשה להשיגם. אפשרות אחרת היא לפתח מגנטים חזקים יותר, שהם יקרים מאוד ויכולתם מוגבלת, בסופו של דבר. למעשה, כדי לקבל תמונה רב-ממדית - דו-ממדית, תלת-ממדית ואף ארבע-ממדית - יש לבצע שורה של מדידות נפרדות ולשלב את הנתונים העולים מהן. התהליך כולו הוא איטי, ונדרשים שעות ואף ימים עד לקבלת התוצאות הסופיות".

פרופ' פרידמן, והמדען דמיר בלזינה העובד בחברת Oxford Instruments Molecular Biotools, אשר מפתחת מיכשור ביולוגי-מולקולרי, פיתחו, במחקר משותף, שיטה המשפרת במידה ניכרת את רגישות המדידה של מכשירי התהודה המגנטית, ומאפשרת ליצור במהירות גדולה תמונה רב-ממדית של החומר, על בסיס נתוני NMR. השיטה שפיתחו משלבת שתי  טכניקות: NMR רב-ממדי אולטרה-מהיר, והיפר-קיטוב גרעיני דינמי (DNP היפר-מקוטב). השיטה תוארה באחרונה בכתב העת המדעי Nature Physics.

היפר-קיטוב היא שיטה שפותחה בעשורים האחרונים על-ידי מספר קבוצות מחקר, במטרה להתגבר על מגבלת הרגישות של מכשירי ה-NMR. הרעיון הוא "להטיל משמעת" על גרעיני האטומים המסתובבים ללא סדר. במכשירי NMR ו-MRI רגילים, מחטי המצפן של גרעיני האטומים "מאבדות את הצפון", ומצביעות באקראיות לכיוונים שונים. רק אחוז זעיר מכלל הגרעינים (אחד מכל 50,000) פועל באופן  מסודר הנדרש כדי שאפשר יהיה לקרוא אותו במכשיר NMR. תהליך ההיפר-קיטוב מסדר את מחטי  המצפן כך ש"יצביעו צפונה". ככל שיש יותר מחטים ממושמעות ומסודרות, כך עולה רגישות הקריאה ב-NMR. באמצעות שימוש בטכניקות שונות, כמו קירור של הדוגמא מטמפרטורת החדר עד קרוב לאפס המוחלט (273- מעלות צלזיוס), מאפשר ההיפר-קיטוב לסדר כ-20% מגרעיני האטומים (גרעין אחד מכל חמישה) - שיפור פי 10,000 של השיטה הנהוגה עד היום. בכך נמצא פתרון לבעיית הרגישות, אך נוצרות שתי בעיות חדשות: הטמפרטורה הנמוכה אינה מאפשרת לבדוק דוגמאות במצב נוזלי, שהוא מצב הצבירה האופייני לדוגמאות ביולוגיות. כדי להתגבר על הבעיה הזאת הפעילו המדענים את תהליך ההיפר-קיטוב על הדוגמה הקפואה, ולאחר מכן הפשירו אותה למצב נוזלי. כך התקבל חומר נוזלי ומסודר, שאיפשר רמת רגישות גבוהה של בדיקת NMR. אולם, תהליך זה הציב את החוקרים מול בעיה אחרת: את החומר המופשר לא ניתן להקפיא שנית, ולכן לא ניתן לבצע את אוסף הבדיקות החוזרות, שנדרש לשם קבלת תמונה רב-ממדית של החומר.

בנקודה זו נכנסו לתמונה פרופ' פרידמן וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה. הם פיתחו גירסה משופרת של טכניקת NMR, הקרויה "NMR רב-ממדי אולטרה-מהיר". שיטה זו מבוססת על "פריסה לפרוסות" של הדוגמה הנבדקת, המבטלת את הצורך לאסוף מספר גדול של סריקות. כך יכולים המדענים לקבל בסריקה בודדת, תוך שבריר שנייה, מערך נתונים של המבנה הרב-ממדי של החומר.

 

"שתי שיטות יעילות במידה יוצאת דופן נמצאות בהישג ידנו. אחת מגבירה את הרגישות, והשנייה מגבירה את המהירות. מה יקרה אם ננקוט את הגישה החדשה, ונאחד את שתי השיטות, במקום להמשיך בתהליך המתסכל והאיטי של שיפור המיכשור והתהליכים הקיימים?" שאל את עצמו פרופ' פרידמן. מיזוג שתי השיטות אכן הוביל לסימפוניה מוצלחת והרמונית: הנתונים שהתקבלו באמצעות השיטה של פרופ' פרידמן איפשרו להעלות את רמת הרגישות של המדידות במספר סדרי גודל, וכן ליצור תמונה רב-ממדית מדויקת בתוך פרק הזמן שנדרש בדרך כלל לסריקת NMR בודדת.

 

שיטה משולבת זו פותחת אפשרויות חדשות לפיענוח המבנה המולקולרי של חומרים רבים, והיא עשויה לסייע גם בחקר תופעות דינמיות המתחוללות בפרקי  זמן קצרים (עד כה אי-אפשר היה למדוד תופעות כאלה). בנוסף לכך, באמצעותה אפשר יהיה לחשוף תופעות חדשות שנותרו עלומות עד כה.