זוכי פרס נובל לכימיה מנצחים את חוקי הפיזיקה

פרס נובל בכימיה למדענים שפיתחו שיטות אופטיות חדישות המאפשרות לצפות בין היתר במולקולות ביולוגיות

לאנתוני ואן ליוונהוק ((van Leeuwenhoek, סוחר זעיר ופקיד זוטר בעיריית דלפט (Delft) שבהולנד, היה תחביב לשעות הפנאי. הוא אהב ללטש עדשות זכוכית. במחצית השנייה של המאה ה-17 התרשם ואן ליוונהוק מאוד מהמיקרוסקופים הראשונים שנבנו רק כמה עשרות שנים קודם לכן. המיקרוסקופים שהוא בנה לא היו משוכללים יותר מאלה של קודמיו, אבל הם צוידו בעדשות שהוא ליטש באהבה. בעזרתם ובסיוע הראייה המצוינת, הסבלנות והחוכמה שלו, היה ההולנדי הפשוט לאדם הראשון שהצליח לראות במו עיניו חיידקים ויצורים מיקרוסקופיים אחרים, וייסד למעשה מדע חדש – מיקרוביולוגיה. ממשיכי דרכו של ואן ליוונהוק בנו מיקרוסקופים חזקים ומשוכללים יותר, בעלי כושר הפרדה גבוה יותר, ופרצו את גבולות הידע האנושי ברפואה, בביולוגיה ובהנדסה. ואולם, עם התקדמות המדע, התברר שלמיקרוסקופ האור יש מגבלה מובנית מבחינת קוטן העצמים שאפשר לראות באמצעותו. הפיזיקאי הגרמני, ארנסט אבה(Abbe) , שחקר בסוף המאה ה-19 את העקרונות האופטיים של המיקרוסקופ, קבע את הכלל במשוואה שניסח ב-1873, ולפיה אי אפשר לראות במיקרוסקופ עצמים קטנים יותר ממחצית אורך הגל הנראה. אורך הגל הקצר ביותר של אור נראה הוא של האור הסגול, בערך 400 ננומטר (ננומטר = מיליונית המילימטר), מה שאומר שאפשר להבחין במיקרוסקופ כזה בעצמים שגודלם אינו קטן מ-200 ננו-מטר. זה מאפשר להתבונן ברוב סוגי התאים, באברונים שבתוכם, בחיידקים ואפילו בנגיפים גדולים, אך לא יותר מכך. ניסיונות שונים לפתח שיטות אופטיות שיעקפו את המגבלה של חוק אבה, כמו מיקרוסקופ או שדה קרוב (near field) סיפקו הצלחה חלקית, אך סבלו ממגבלות רבות. פיתוח אחר היה מיקרוסקופ האלקטרונים, שנכנס לתמונה כבר בסוף שנות ה-30 של המאה ה-20. במיקרוסקופים האלה (שכמובן השתכללו מאוד מאז), עושים שימוש בקרן אלקטרונים הפוגעת בדוגמה וניתזת ממנה, או עוברת דרכה. לפי פיזור האלקטרונים על גלאים מסביב, אפשר לשחזר את זווית הפגיעה שלהם בדוגמה ולהרכיב תמונה בהגדלה רבה בהרבה משל המיקרוסקופ האופטי. ואולם, שימוש במיקרוסקופ אלקטרונים מחייב להקפיא את הדוגמה הנבדקת או לצפות אותה במתכת, מה שאינו מאפשר לבחון בשיטה הזו את התהליכים המתרחשים בתאים חיים.

השראה צפונית

מדענים רבים חיפשו שיטות לעקוף את המגבלה של משוואת אבה, אך לשווא. הראשון שהגה רעיון יעיל, היה סטפאן הל(Stefan W. Hell) , פיזיקאי יליד רומניה. את לימודיו האקדמיים עשה בהיידלברג שבגרמניה, שם גם סיים את הדוקטורט בפיזיקה ב-1990, שבו עסק בשיפור של מיקרוסקופ אופטי. הוא המשיך לעבוד במעבדה אירופית בהיידלברג, וניסה לפתח שיטה לעקוף את חוק אבה. ב-1993 פנה צפונה, וקיבל משרת מחקר באוניברסיטת טורקו שבפינלנד, שם עבד על מיקרוסקופ פלואורסצנטי. חומרים פלואורסצנטיים הם חומרים שבתגובה לאור באורך גל מסוים, פולטים הבזק של אור באורך גל אחר (בשל תנועה של אלקטרון בתוך החומר). למשל, מאירים חומר כזה באור כחול, והוא פולט אור אדום. אפשר לסמן מולקולות ביולוגיות, כמו חלבונים, בצבעים כאלה. אם מסמנים למשל נוגדן בצבע פלואורסצנטי, אפשר להאיר עליו כשהתא תחת מיקרוסקופ, ולראות לאן הוא נקשר. המיקרוסקופ הפלואורסצנטי מאפשר לסנן רק את אורכי הגל שאנו מחפשים, וכך לעקוב ביעילות אחר הדוגמה. ואולם, מדובר במיקרוסקופ אופטי רגיל, הכפוף למגבלה של חוק אבה, כך שאי אפשר להבחין בו בנוגדן יחיד, אלא רק בצבר גדול מאוד הנקשר לתא מסוים או לאזור מסוים בתא. הפרטים המדויקים של התהליך נשארים בעלטה. בעודו שוקד על המחקר בפינלנד, נחתה על הל ההשראה.

לייזרים תחת מיקרוסקופ

הרעיון שהגה הל, עשה שימוש בשתי קרני לייזר דקות מאוד – ננומטרים אחדים – שיסרקו את הדוגמה הנבדקת זו אחר זו, באופן שיטתי. האלומה הראשונה מפעילה את הצבע הפלואורסצנטי, וזו המתקדמת בעקבותיה, מכבה אותו. באופן זה, רק קטע זעיר מאוד מהדוגמה נשאר מואר בכל רגע נתון. מכיוון שהמכשיר שהגה הל “יודע” בכל זמן נתון היכן נמצאת קרן הלייזר, המחשב המחובר למיקרוסקופ יכול לחבר את נקודות האור הנקלטות במיקרוסקופ, ולהרכיב מהן – בעזרת המיקום – תמונה בהגדלה רבה יותר ממה שמאפשרת משוואת אבה. הל פרסם את הרעיון ב-1994, וכינה את המכשיר STED (Stimulated Emission Depletion). הפרסום לא עורר הדים רבים בקהילה המדעית, והוא החליט לבנות בעצמו מיקרוסקופ כזה. בינתיים הוא שב להיידלברג, שם הצליח בשנת 2000 להדגים את פעולת המכשיר שפיתח, ולצלם חיידק במיקרוסקופ אופטי, בהפרדה גבוהה פי עשרה בערך מה שמאפשר חוק אבה. כלומר, השיטה שפיתח מאפשרת לצלם במיקרוסקופ עצמים שגודלם קרוב ל-20 ננומטר, ולקבל תמונה ברורה הרבה יותר על תהליכים המתרחשים בתא החי.

חלבונים זוהרים

בינתיים, במרכז מחקר של IBM בקליפורניה, עסק וויליאם אסקו מורנר (William Esco Moerner) במחקר אחר באופטיקה. מורנר, שאינו מוכר בשם וויליאם אלא בכינוי W.E (להבדיל בינו לבין אביו וסבו, שגם שניהם נקראו וויליאם) נולד בקליפורניה ב-1953, ובגיל 29 כבר סיים בהצטיינות דוקטורט בפיזיקה באוניברסיטת קורנל. במחקרו ב-IBM עסק לא בפליטת אור, אלא בבליעתו, וב-1989 הוא היה למדען הראשון בעולם שהצליח למדוד את בליעת האור של מולקולה יחידה. גם מולקולות גדולות יחסית, כמו חלבונים או DNA הן עדיין קטנות מדי לצפייה במיקרוסקופ אופטי, וגם אם מסמנים אותן בצבעים, עדיין החוקרים רואים כאמור רק צברים של מולקולות, ולא מולקולות יחידות. פריצת הדרך של מורנר אמנם לא איפשרה צפייה במולקולות כאלה, אבל היא אפשרה מעקב אחריהן באמצעות בליעת האור. ממכון המחקר של IBM עבר מורנר לאוניברסיטת סן דייגו, שם המשיך במחקריו, ועסק בחקר חלבון פלואורסצנטי ירוק (Green Fluorescent Protein, או בקיצור GFP) שבודד כמה שנים לפני כן ממדוזות. הוא גילה כי סוג של החלבון הזה ניתן לכיבוי והפעלה בתגובה לאור אורך גל מסויים. האפשרות להדליק ולכבות מולקולה יחידה באמצעות אור, פורסמה ב-1997, והייתה הפתרון לבעיה שפרסם אריק בציג שנתיים קודם לכן.

כלי עבודה

בציג (Eric Betzig) נולד ב-1960 באן-הרבור (מישיגן, ארה”ב) וגם הוא סיים דוקטורט בקורנל בגיל 28. הוא עסק לאחר מכן במחקר אופטי במעבדות Bell וחיפש גם הוא דרך לעקוף את משוואת אבה, אך ב-1995 נואש ממאמציו והתפטר. המאמר האחרון שפרסם בטרם עזב את האקדמיה, עסק ברעיון תיאורטי שעלה בראשו בעת צעידה ספורטיבית. בציג סבר כי אם תהיה אפשרות לשלוט פליטת האור של מולקולות יחידות, יהיה אפשר להשיג הפרדה גבוהה יותר ממה שמתאפשר על פי חוק אבה. הרעיון עובד כך: מתבוננים במיקרוסקופ פלואורסצנטי על דוגמה המכילה מולקולות הפולטות אור באורכי גל שונים, ואפשר להפעיל כל אחת מהן בנפרד. כשמפעילים, נניח, את כל המולקולות הפולטות אור ירוק, אנו יודעים של כתם הוא רק מולקולה אחת, בה שמאפשר למחשב לקבוע בדיוק רב את המיקום שלה (אם לא היינו יודעים שזו מולקולה יחידה, ההפרדה של מיקרוסקופ רגיל לא הייתה מאפשרת לקבוע זאת). לאחר מכן בודקים את אורכי הגל השונים, ובסוף מניחים את כל התמונות שהתקבלו זו על גבי זו, והחפיפה נותנת לנו תמונה בהפרדה יותר גבוהה מזו של מיקרוסקופ אור רגיל. בציג עשה את כל החישובים, פרסם אותם בכתב עת מדעי לחקר האופטיקה, הניח את מכתב ההתפטרות שלו ועבר לעבוד בבית העסק של אביו, חברה לייצור כלי עבודה במישיגן.

כלי מחקרי

כעבור כמה שנים בעולם עסקים, שב החיידק המדעי לקנן אצל בציג. הוא חזר לעיין במאמרים מדעיים באינטרנט, בעיקר בעת הפלגה נינוחה על האגם הסמוך לביתו. כשנתקל במאמרים על החלבונים הזוהרים של מורנר, חשב שחלבונים כאלה עשויים להיות הפתרון המעשי לבעיה התיאורטית שפיתח. ב-2005 החליט לנסות לפתח את ההמצאה באופן מעשי, והצטרף למכון המחקר ע”ש הווארד יוז בווירג’יניה. הוא ניגש למלאכה במרץ רב, וכעבור שנה כבר הדגים את נכונות הרעיון שלו, כשהראה שחפיפה של תמונות רבות המתקבלות מצילום של מולקולות בצבעים שונים, הפולטות אורכי גל שונים, אכן מאפשרת לקבל במיקרוסקופ אור הפרדה גבוהה מן המגבלה, ולראות גם עצמים קטנים מ-200 ננומטר. כמובן שאין צורך לעשות את החפיפה ידנית – מחשב ומצלמה המחוברים למיקרוסקופ עושים את העבודה אוטומטית. המאמר של בציג פורסם בכתב העת Science ב-2006, וסיפק שיטה נוספת על זו שפיתח הל לעקוף את המגבלה שניסח אבה יותר מ-130 שנה קודם לכן.

כלי המחקר שפיתחו הל, מורנר ובציג, סללו את הדרך להתבוננות חדשה על חומרים קטנים בהרבה ממה שאפשר מיקרוסקופ האור לראות קודם לכן, או כמו שהגדירה זאת ועדת פרס נובל, הם הפכו את המיקרוסקופ לננוסקופ. אמנם מדובר בעצמים גדולים מאלה שאפשר לראות במיקרוסקופ אלקטרונים אבל היתרון הגדול של השיטות שלהם, היא האפשרות להתבונן בחומר חי: לעקוב אחר תנועת חומרים בתוך התא, לבדוק אילו מולקולות נקשרות לאן, ולנסות לפענח תהליכים החיוניים להבנת החיים. בזכות השיטות האלה, מדענים מסוגלים להבין טוב יותר תהליכי מחלות, לנסות לבחון את ההשפעה של תרופות שונות, ולפענח את שרשרת הפעולות של חלבונים שונים, המניעים את כל התהליכים בתא החי. זו רק שאלה של זמן עד שמחקרים המבוססים על השיטות האלה יזכו גם הם בפרסי נובל.

* תודה לד”ר ירון ברומברג, לד”ר יעל קליסמן ולד”ר רינת נבו על ההארות המקצועיות. אם עדיין נותרו אי דיוקים במאמר, הם שלי בלבד.

לידיעה הראשונית על הזכיה