הינך נמצא כאן

פיצוץ, בין ימין ושמאל

23.02.2014

 
מימין: פרופ' דירק שוואלם, פרופ' זאב וגר וד"ר עודד הבר. השלכות עתידיות
 
 
 
לפעמים, כדי להבין השלכות עתידיות של תגלית עכשווית, יש להפליג אל העבר. במקרה של המחקר שביצעו באחרונה מדענים מישראל ומגרמניה, התחנה הראשונה במסע הייתה צרפת, בשנת 1847 – השנה בה גילה לואי פסטר שמולקולות של חומרים מסוימים עשויות להתקיים בשתי צורות שונות, המהוות מעין תמונת-מראה זו של זו. כמו כפות ידיים, הן קיימות בגרסאות "ימין" ו"שמאל", שאינן חופפות זו לזו (כפי שכפפת יד ימין לא תתאים ליד שמאל, ולהיפך). מכאן נגזר שמה של התופעה – "כיראליות" (כיראל ביוונית – כף יד). במשך השנים התברר, שמולקולות ימניות ושמאליות של אותו חומר עצמו מתנהגות ופועלות בדרכים שונות בתכלית, תופעה שגרמה ועדיין גורמת קשיים לא מבוטלים בתעשיית התרופות ובתעשייה הכימית. מדענים בתחום הסטריאוכימיה (חקר הכימיה של מולקולות כיראליות) הגיעו אמנם להישגים מרשימים בכל האמור בניקוי תערובות של מולקולות כיראליות כך שיכילו רק אחת משתי הצורות, אולם במקרים רבים ההבחנה ביניהן קשה.
 
התחנה הבאה במסע הייתה לפני כשלושה עשורים, במעבדות מכון ויצמן למדע. פרופ' זאב וגר, במחלקה לפיסיקה גרעינית (כיום המחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה), ופרופ' רון נעמן, מהמחלה לפיסיקה כימית במכון, פיתחו, ביחד עם מדענים במעבדה הלאומית בארגון, אילינוי, שיטה חדשנית לקביעת המבנה של מולקולות. השיטה, הקרויה "פיצוץ קולומבי", מבוססת על האצת מולקולות גז מיוננות למהירויות גבוהות ביותר, עד שהן מתנגשות בקרום דק של פחמן. כאשר המולקולות עוברות דרך הקרום, האלקטרונים נקרעים מעליהן, ואילו הגרעינים הטעונים חיובית – אשר נדחים זה מזה ומתרחקים תוך שמירת מבנה מרחבי מוגדר – נקלטים בגלאים. הגלאים רושמים לא רק את מיקומי הגרעינים, אלא גם את זמן הגעתם. שילוב המידע זה מאפשר לשחזר במדויק את המבנה התלת-ממדי של המולקולה המקורית.
 
 
זיהוי מולקולות אוקסירן באמצעות פיצוץ קולומבי. המולקולות המואצות עוברות דרך קרם דק אשר גורם לקריעת האלקטרונים מהמולקולה. הגרעינים הטעונים חיובית נדחים זה מזה במבנה מוגדר אשר נקלט בגלאי. נתוני המיקום וזמן הפגיעה בגלאי מאפשרים לקבוע את מיבנה המולקולה
 
 
פרופ' וגר המשיך לעבוד על פיתוח שיטת הפיצוץ הקולומבי במשך שנים רבות נוספות במאיץ הפלטרון במכון ויצמן למדע, בסיועם של ד"ר עודד הבר ופרופ' דניאל זייפמן. במקביל, ביחד עם פרופ' דניאל זייפמן, הכניס את השיטה לשימוש במכון מקס פלאנק לפיסיקה גרעינית בהיידלברג, גרמניה, כאשר שהה שם בשנת שבתון באמצע שנות ה-90 של המאה ה-20, בשיתוף פעולה עם פרופ' דירק שוואלם ופרופ' אנדראס וולף מהיידלברג. כך התגלה, כי השיטה יעילה ביותר לקביעת המבנה של מולקולות קטנות ופשוטות. אך בשלב מסוים חשב פרופ' וגר, כי אפשר יהיה להשתמש בה גם כדי להגדיר באופן מוחלט מולקולות כיראליות מסוג "ימין" ו"שמאל", וזאת על אף שמולקולות כיראליות נוטות להיות גדולות ומורכבות יותר. בעודו מחפש מולקולות מועמדות לבדיקה, פנה אליו מדען ממכון ויצמן למדע, פרופ' עמנואל גיל-אב, שמחקריו עסקו בהיבטים שונים של כיראליות, והציע לו לבחון את הרעיון באמצעות מולקולה כיראלית הקרויה אוקסירן. פרופ' וגר התחיל לשקול את הרעיון ביחד עם פרופ' פולקר שוריג (חוקר בתר-דוקטוריאלי לשעבר במעבדתו של פרופ' גיל-אב), ועם אוליבר טראפ, אחד מתלמידיו של פרופ' שוריג, שניהם מהמכון לכימיה אורגנית באוניברסיטת טובינגן. המכשול העיקרי היה ייצור הכמויות הנדרשות של אוקסירן לצורך הניסוי. כתוצאה ממגבלה זו הושעתה בינתיים האפשרות של קביעת המבנה המרחבי של מולקולה כיראלית באמצעות פיצוץ קולומבי.
 
כעת נחזור לזמן הווה. קבוצה של פיסיקאים וכימאים ממכון ויצמן למדע ומגרמניה הצליחה באחרונה להתגבר באופן שיטתי על המכשולים, ולפענח את המבנה המרחבי של המולקולה הכיראלית אוקסירן באמצעות פיצוץ קולומבי. אוליבר טראפ, כיום פרופ' במכון לפיסיקה אורגנית באוניברסיטת היידלברג, ביחד עם תלמידת המחקר מקבוצתו, קרסטן זווצקי, ומי שהיה המנחה שלו בעבר, פרופ' שוריג, תיכננו והוציאו לפועל תהליך מתוחכם, רב-שלבי, שבאמצעותו הצליחו לייצר גרמים של אוקסירן בעל כיראליות מוגדרת היטב. ד"ר הולגר קרקל ותלמיד המחקר שלו, פיליפ הוויג, ביחד עם פרופ' דירק שוואלם (ראו מסגרת) ופרופ' אנדראס וולף, כולם ממכון מקס פלאנק לפיסיקה גרעינית, בשיתוף פרופ' וגר וד"ר עודד הבר ממכון ויצמן למדע, שיחזרו והתאימו במכון מקס פלאנק את המערך הנדרש לצורך הפיצוץ הקולומבי, אשר מסוגל להתמודד עם האתגרים המיוחדים שמציבים תוצרי הפירוק של האוקסירן לגלאים. לאחר מספר בדיקות מקדימות, שבמסגרתן השתמשו במולקולות אוקסירן ללא כיראליות מסוימת, התבצעו מדידות של מולקולות אוקסירן כיראלי. הכימאים ייצרו את המולקולות בשיטות המקובלות ליצירת מולקולות "ימין" ו"שמאל", ושמרו את המידע בסוד עד להשלמת ניתוח הממצאים שביצעו הפיסיקאים. "למזלנו, אכן קיבלנו תוצאות נכונות", מתבדח פרופ' וגר. זו הפעם הראשונה בה הצליחו מדענים לפענח את המבנה המרחבי של מולקולה כיראלית במצב גזי. בעתיד עשויה השיטה לשמש חוקרים ומפתחי תרופות הנדרשים לקבוע את הכיווניות של מולקולות כיראליות.
 

שורשים

"הסכמתי לבוא לשנה במכון ויצמן למדע, ואני כאן כבר שבע שנים", אומר פרופ' דירק שוואלם, המנהל לשעבר של מכון מקס פלאנק לפיסיקה גרעינית בהיידלברג, גרמניה. פרופ' שוואלם עבד שם, בין השאר, על טבעת לאיחסון יונים – מעין צינור טבעתי בהיקף של 56 מטרים המשמש לניסויים פיסיקליים. בין היתר, הטבעת מאפשרת למדענים לחקות תהליכים אטומיים ומולקולריים אשר מתרחשים בקצוות הנידחים של היקום. המתקן הזה הוא שמשך את פרופ' דניאל זייפמן, כפיסיקאי המתעניין בתהליכים מסוג זה, לביקורים תכופים במכון מקס פלאנק.
 
בשנת 2005, עם פרישתו של פרופ' שוואלם, החליף אותו פרופ' זייפמן כמנהל המכון, במקביל לעבודתו במעבדתו שבמכון ויצמן למדע. עם מינויו לנשיא מכון ויצמן למדע, עזב פרופ' זייפמן את תפקידו במכון מקס פלאנק, והציע לפרופ' שוואלם לבוא כפרופסור אורח למכון ויצמן למדע – ולהוביל את המחקר במעבדתו.
 
פרופ' שוואלם אומר, כי הוא נהנה במיוחד מהעובדה שאמצעי המחקר וקבוצות המחקר במכון ויצמן למדע הם קטנים יחסית, וכך מתאפשר לו להיות מעורב בניסויים עצמם. "יש לי הזדמנות להכיר כל בורג. זו הזדמנות נפלאה לחזור לשורשי כמדען", הוא אומר.
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם