ספין מולקולרי במעבדה

לפני יותר מ-150 שנה, לאחר שגילה כי מערכות ביולוגיות מעדיפות מולקולות בעלות כיוון מסוים - שמאלי או ימני - הציע לואי פסטר לשנות את הכיווניוּת של מולקולות באמצעות חשיפתן לשדה מגנטי. אבל מדען דגול אחר בן התקופה, לורד קלווין, סבר כי אין קשר בין מגנטיות לבין כיווניות של מולקולות, וטָבַע לראשונה את המונח המדעי לתופעת הכיווניוּת: "כיראליות".

עוד כתבות במסע הקסם המדעי של מכון ויצמן למדע:

סיוטו של כל מהנדס

"קסנון 1 טון": מציבים גבול חדש לחומר האפל

לעזור לגוף לעזור לעצמו: כיצד להקל על קרוהן וקוליטיס?

במחקר שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי Science הכריעו מדענים ממכון ויצמן למדע ומהאוניברסיטה העברית בירושלים בוויכוח רב-השנים בין שני ענקי המדע - בסופו של דבר, היה זה פסטר שצדק. ממצאים אלה הולידו שיטה חדשה להפרדת מולקולות לפי הכיראליות שלהן, משימה בעלת חשיבות עצומה בתעשיית התרופות ובתעשייה הכימית.

מולקולות כיראליות הן זוג מולקולות שהמבנה שלהן זהה, אך סידור האטומים במרחב שלהן שונה. במילים אחרות, המולקולות הן תמונת-ראי האחת של השנייה, בדומה להבדל בין יד ימין ליד שמאל (מקור המילה "כיראלי" הוא במלה היוונית שמשמעה "יד"). הן אמנם נראות זהות, אך מולקולות בעלות כיראליוּת הפוכה עשויות למלא תפקידים שונים לגמרי. כך למשל, מולקולה בעלת כיראליות מסוימת יכולה לתפקד כתרופה, אך זו ההופכית לה יכולה לגרום להשפעות לוואי לא-רצויות. היות שבמהלך תגובה כימית נוצרות באופן ספונטני גם מולקולות ימניות וגם מולקולות שמאליות, הרי שכאשר מייצרים תרופות, יש למיין את המולקולות לפי הכיראליות שלהן.

המדענים ניצלו את העובדה שכיראליות משפיעה על תכונת אלקטרונים הקרויה "ספין" (סיחרור), המתאפיינת בשני מצבים – "ספין מעלה" ו"ספין מטה" – בדומה לסיחרור של סביבון עם כיוון השעון או נגדו(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

השיטות הקיימות למיון מולקולות לפי כיראליות הן מורכבות ויקרות. הן מסתמכות על ציוד טכנולוגי המותאם בכל פעם מחדש לכל חומר. פרופ' רון נעמן מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית של המכון, ופרופ' יוסי פלטיאל מהאוניברסיטה העברית, יחד עם עמיתיהם, המציאו שיטה כללית, פשוטה וזולה למיון מולקולות כיראליות של כל חומר מצוי.

המדענים ניצלו את העובדה שכיראליות משפיעה על תכונת אלקטרונים הקרויה "ספין" (סיחרור), המתאפיינת בשני מצבים – "ספין מעלה" ו"ספין מטה" – בדומה לסיחרור של סביבון עם כיוון השעון או נגדו. כאשר מולקולות כיראליות באות במגע עם משטח, הן הופכות למקוטבות, וזאת בעקבות תנועת אלקטרונים מצד אחד של המולקולה לצִדה השני. בעודם בתנועה מתנהגים האלקטרונים כאילו הם מושפעים משדה מגנטי: האלקטרונים בעלי "ספין מעלה" מצטופפים בצידה האחד של המולקולה, ואלה עם ה"ספין מטה" מצטופפים בצִדה השני.

התנועה לצד זה או אחר תלויה בכיראליות של המולקולה, כלומר, אם היא ימנית או שמאלית. תופעה זו, שאת קיומה גילו בעבר חברי קבוצתו של פרופ' נעמן, מכוּנה אפקט CISS - ראשי תיבות של chirality-induced spin selectivity (סלקטיביות ספין מושרית-כיראליות). משמעותה היא, שמולקולות כיראליות יכולות לשמש כ"מסננות" של ספינים.

משטח מגנטי המושך מולקולות "ימניות" (משמאל), ודוחה מולקולות "שמאליות" (מימין). צולם באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

במחקר הנוכחי הציעו המדענים לרתום את אפקט CISS לשם מיון חומרים לפי כיראליות. הם הכניסו משטח מגנטי – שבו פונים הספינים של כל האלקטרונים לאותו הכיוון - לתמיסה המכילה מולקולות שמאליות וימניות. כאשר התקרבו המולקולות למשטח המגנטי, הן הפכו למקוטבות, והספינים של האלקטרונים בכל קוטב הסתדרו לפי הכיראליות של המולקולה. חלקם היו זהים לספינים של האלקטרונים במשטח המגנטי, וחלקם היו הפוכים, אבל רק המולקולות בעלות האלקטרונים עם הספינים ההפוכים נדבקו למשטח המגנטי; לעומת זאת, אלה עם הספינים הזהים נדחו. כך איפשר המשטח המגנטי למיין את המולקולות לפי הכיראליות שלהן, וכך התברר כי פסטר צדק כאשר סבר כי קיים קשר בין כיראליות לבין הכוחות הפיסיקליים הפועלים על מולקולות, כגון אלה הפועלים כתוצאה מחשיפה לחומר מגנטי.

שיטה זו מאפשרת לטהר תרופות לפי כיראליות, וכך להשאיר רק את המולקולות המקדמות ריפוי - ולהוציא החוצה את אלה המזיקות. בנוסף, אפשר להשתמש בשיטה זו להפקת כימיקלים יעילים יותר, כגון דשן וקוטלי חרקים. בכימיקלים אלה, רק מולקולות בעלות כיראליות מסוימת מבצעות את הפעילות הרצויה, בזמן שאֵלֶה בעלות הכיראליות ההפוכה הן חסרות תועלת ורק גורמות לזיהום הסביבה. מיון לפי כיראליות יעזור לייצר כימיקלים יעילים יותר, להוזיל את עלותם, ובו בזמן גם לצמצם את זיהום הסביבה.

קבוצתו של פרופ' נעמן כללה את ד"ר קואל בנרג'י-גוש, ד"ר פרנצ'סקו טסינארי וד"ר איל קפואה מהמחלקה לפיזיקה כימית וביולוגית. קבוצתו של פרופ' פלטיאל כללה את ד"ר אורן בן דור, ד"ר שירה יוכליס וד"ר אמיר קפואה. במחקר השתתפו גם ד"ר סי-הון יאנג ופרופ' סטוארט פרקין ממחלקת המחקר של IBM בסן חוזה שבקליפורניה; ד"ר סומיאג'יט סרקר ופרופ' ליאור קרוניק מהמחלקה לחומרים ופני השטח של מכון ויצמן למדע; ופרופ' לך טומאס בצ'בסקי מהמכון לפיסיקה של האקדמיה הפולנית למדעים.