הבנת הצמיגות ברמה הננומטרית

מדוע תהליכים ביולוגיים מתרחשים דווקא בגרעין התא? הסביבה שם כה צפופה במקרומולקולות, כה צמיגה, כך שחלבונים נעים בה באיטיות מרובה. בתנאים אלו, הקצב שבו חלבונים מתארגנים לכדי מבנים מורכבים ומסייעים לחבר יחדיו שרשראות דנ”א לא יכול להיות יעיל

בעצלתיים – זה הקצב שבו חלבונים נעים בתוככי תאים חיים בהם הצמיגות של הסביבה הרבה יותר גבוהה מהצמיגות של מים פי מיליוני פעמים. מאידך, תנועת החלבונים אינה איטית יותר מאשר במים עצמם. בעודם מנסים למצוא פיתרון לתעלומה זו, מדענים מהמכון לכימיה פיסיקלית באקדמיה הפולנית למדעים גילו עיקרון פיסיקלי חדש.

מדוע תהליכים ביולוגיים מתרחשים דווקא בגרעין התא? הסביבה שם כה צפופה במקרומולקולות, כה צמיגה, כך שחלבונים נעים בה באיטיות מרובה. בתנאים אלו, הקצב שבו חלבונים מתארגנים לכדי מבנים מורכבים ומסייעים לחבר יחדיו שרשראות דנ”א לא יכול להיות יעיל. “אולם, אנו יודעים כי חלבונים בתאים החיים נעים פי מאות אלפי מונים מהר יותר מאשר הם אמורים. הצלחנו להבין מדוע זה מתרחש,” אומר פרופסור Robert Hołyst מהמכון לכימיה פיסיקלית באקדמיה הפולנית למדעים.

החושים האנושיים שלנו לא מאפשרים לנו לזהות שינויים המתרחשים בסביבה צמיגית. הצמיגות של שפך נפט נראית לנו, יחסית, דומה לזו של מים, למרות שלמים יש צמיגות הקטנה פי 400 מנפט. כתוצאה מכך, לעיתים תכופות אנו מבלבלים בין צמיגות לצפיפות. לדוגמא, שמפו מכיל 95% של מים ובעל צפיפות דומה להם, אולם בשל צמיגותו הגבוהה הוא מטפטף לידנו באיטיות. גם דבש הינו צמיגי, ולא צפוף.

הצמיגות, כמדד פיסיקלי, הופיעה לראשונה במשוואות Navier-Stokes שפותחו בתחילת המאה התשע-עשרה. המשוואות תיארו נכונה את זרמי הנהר ואת זרמי האוויר שמסביב לכנפי מטוס. בהתאם לתגלית זו, צמיגות אינה תלויה בקנה-המידה הפיסיקלי שבה היא פועלת והיא אמורה להוביל לאותן התוצאות במקרה של מטוס שעף וחלקיק חלבוני הנע בתוככי גרעין התא. אולם, המדידות מוכיחות אחרת. החל משנות החמישים של המאה הקודמת, ניסויים, שנערכו בסרכזות (צנטריפוגות) מהירות ביותר בתחום של השקעת חלקיקים זעירים בתנאים של עומס גבוה, חשפו עובדה מפתיעה. התברר כי עצמים הזעירים פי מיליארד מונים מסוגלים “לחוש” צמיגות הקטנה פי אלפים ואפילו מאות אלפים מזו של עצמים מקרוסקופיים. הסיבה להבדל משמעותי זה בצמיגות לא התבררה מזה זמן רב, כחמישים שנים.

למרות שצמיגות נבחנה כבר בעבר ע”י ניוטון, היא נותרה תכונה עלומה של הטבע עד היום. הצלחנו להבין את מקורה במצב הגזי: כאשר שתי שכבות של גז נעות זו לקראת זו, פרודה עשויה לדלג משכבה אחת לשנייה, מתרחשות התנגשויות בין הפרודות והתנועה הכוללת הופכת איטית יותר. אולם, כאשר הגז הופך לצפוף יותר עד כדי ניזולו, מתקיימים יחסי-גומלין נוספים בין הפרודות ואז קשה יותר לאתר מה מקורה של תופעת הצמיגות. כתוצאה מכך, מדענים עדיין בוחנים צמיגות במודל הפשוט ביותר של תערובת אטומי גז ארגון ואטומים של גז אציל אחר.

קבוצת חוקרים מהמכון לכימיה פיסיקלית באקדמיה הפולנית למדעים הדגימה לאחרונה כי בכל מערכת הידרו-דינאמית קיים קנה-מידה בסיסי שבו מתרחש מעבר ממקרו-צמיגות לננו-צמיגות. גודלו של קנה-מידה זה תלוי בגודל העצמים הנוכחים בנוזל: במקרה של פולימרים זה יהיה גודלו של סליל אקראי ובתמיסה של נגיפים – אורכו של הנגיף. “אם גודלו של הפולימר יהיה עשרה ננומטרים, אזי כל מרכיב שיהיה טבול בתמיסת הפולימר ויהיה גדול משרשרת הפולימר יחוש מקרו-צמיגות, וכל מרכיב קטן מהפולימר – ננו-צמיגות,” מסביר החוקר.

מעניין לדעת כי השינויים בצמיגות הינם בגדלים מעריכיים (אקספוננציאלים), כלומר שבסמוך לקנה-המידה הבסיסי השינויים חדים מאוד. הפחתה בגודל העצמים שבתמיסה עשויה להביא לשינוי הצמיגות עד כדי חמישה-שישה סדרי גודל. ממצאי המחקר הזה משמעם כי משוואות ההידרודינמיקה הקיימות היום, בהן ערך הצמיגות קבוע, יהיו חייבות לעבור עדכון בעתיד.

מבחינה מדעית, מחקר על ננו-צמיגות חשוב ביותר מאחר וסוג צמיגות זה משפיע על קצב הפעפוע של פרודות ומגביל את מהירותן של תגובות ביוכבתוככי תאים חיים. “אין זה מקרי שחלבונים בתאים, במיוחד הקטנים מביניהם, מתארגנים יחדיו ליצירת מערכים מורכבים רק בקרבת האתר שבו אמורה התגובה הביוכימית להתרחש. מנגנון זה הכרחי מכיוון שמערכות גדולות ינועו פי מיליון לאט יותר מאשר כל חלבון בנפרד,” מסביר החוקר. החוקרים מקווים כי התגלית שלהם תהיה שימושית בתעשייה, בה לצמיגות יש תפקיד מפתח בתגובות ביוטכנולוגיות רבות. יצרנים של שמפו ומוצרי-קוסמטיקה לבטח ירוויחו מהממצאים החדשים. עקרונות הפיסיקה שהתגלו יהיו חשובים גם בתכנון של ננו-התקנים. “המדע עדיין מתקשה להבין במלואן את התופעות המתרחשות בקנה-מידה זעיר. אם אנו מעוניינים להכין ננו-מכונות, נהיה חייבים ללמוד ככל האפשר לגביי התופעות האופייניות לסביבה בה הן אמורות לפעול,” מציין החוקר הראשי.

הידיעה על המחקר