טכניקת מיפוי, המסוגלת לאתר אלקטרון בודד, היא צעד משמעותי בדרך לתמונות מולקולריות תלת-ממדיות
קנת צ'אנג
קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/nano060804.html
מדענים השיגו התקדמות שעשויה להוביל ליצירת תמונות תלת-ממדיות של חלבונים ושל מולקולות אחרות. מדובר בטכניקת סורק תהודה מגנטית (MRI), היכולה לאתר אלקטרון בודד.
"יש דברים רבים שזה יהיה שימושי בעבורם", אמר ד"ר דניאל רוגאר, מנהל לימודי הננו-טכנולוגיה במכון המחקר "אלמדן" של חברת יבמ בסן חוסה, קליפורניה, שעמד בראש קבוצת החוקרים. ממצאיה פורסמו בשבוע שעבר בכתב העת "Nature". לדבריו, "יש בגוף אלפי חלבונים שהמבנה שלהם אינו ידוע".
במידה רבה, צורותיהם של החלבונים הן שמאפשרות להם לבצע את הפעולות החיוניות של הגוף, והחוקרים מקווים כי הכרת הצורות הללו תסייע להם בתכנון טיפולים תרופתיים. קביעת צורת החלבון היא כיום תהליך מפרך ועקיף: יש לטהר את החלבון ולרכז אותו לגבישים, ואז נקבעת הצורה על פי תבנית השבירה של קרני X הפוגעות בגביש.
בעתיד ייתכן שהחוקרים יוכלו לקחת חלבון, להכניסו למכשיר MRI ופשוט "לקבל תמונה תלת ממדית של מולקולה בודדת", אמר ד"ר רוגאר.
התמונות גם יוכלו להראות באופן ישיר אינטראקציה בין מולקולות של תרופות וחלבונים, לזהות וירוסים או חומרי לחימה ביולוגיים ולקבוע את מיקומם של אטומים ספציפיים במכשירים אלקטרוניים הפועלים ברמה מולקולרית.
"זה ישנה את האופן שבו אנחנו מייצרים מדע", אמר ד"ר ג'ון מארון, מרצה לכימיה באוניברסיטת קורנל, שלא היה מעורב במחקר. לדבריו, הניסוי של יבמ, שהביא לסיומן שנים של מחקר, הוא "ציון דרך מאוד משמעותי" לקראת מימוש היעד של תמונות מולקולריות תלת ממדיות.
ייתכן שלטכנולוגיה זו יהיה שימוש גם במחשבים עתידיים, המכונים מחשבי קוונטים, שיוכלו לחשב אפשרויות רבות בו בזמן. מחשבים אלה יוכלו אולי להשתמש באוריינטציה המגנטית של אלקטרונים כדי לאחסן נתונים, וגרסה של הטכניקה של יבמ תוכל לשמש לכתיבה או קריאה של מידע במחשב.
ה-MRI עושה שימוש בעובדה שחלקיקים תת-אטומיים כמו אלקטרונים וגרעיני אטומים מתנהגים כמו מגנטים זעירים, וכאשר מציבים אותם בתוך שדה מגנטי הם סבים על צירם. במכשירי MRI רפואיים, תנועתם של טריליוני גרעיני מימן במולקולות מים מייצרת גלי רדיו, הנאספים לשם יצירת התמונות.
ואולם, אלקטרון בודד מייצר אות רדיו חלש מכדי שיהיה אפשר לגלותו. לכן, קבוצת חוקרי יבמ התבוננה באות המגנטי של האלקטרון באמצעות מדידת השפעתו על מגנט מיקרוסקופי. המגנט, המחובר לקצה של תומכה – לוח הפרדה מיקרוסקופי שעוביו כאלפית מעוביה של שערה – רטט קדימה ואחורה 5,000 פעמים בשנייה, והוא והאלקטרון משכו או דחו זה את זה, בהתאם לאוריינטציה של שדותיהם המגנטיים.
שדה מגנטי נוסף גרם לאלקטרון להתהפך בכל פעם שהמגנט המיקרוסקופי נע לידו. הכוחות המגנטיים האיצו או האטו במעט את תדירות הוויברציות של התומכה, בכ-0.0001%, סטייה שהחוקרים יכלו למדוד. זהו שיפור ברגישות המדידה בהשוואה לטכניקות MRI קיימות.
"הניסוי הזה הוא פריצת דרך נהדרת מפני שמדובר בכניסה ראשונה שלנו לעולם הקוונטי", אמר ד"ר ג'ון סיידלס, מרצה לאורתופדיה באוניברסיטת ואשינגטון, שהיה הראשון שהציע את הגישה הזאת בשביל ה-MRI, ב-1991.
בעוד שליכולת איתור האלקטרונים של ה-MRI יימצאו כמה שימושים, השגת תמונות של מולקולות דורשת איתור של גרעיני אטומים, שעוצמתם המגנטית קטנה פי 650 בהשוואה לזו של האלקטרונים. במהלך הניסוי נדרש לחוקרים חצי יום כדי לאתר אלקטרון בודד.
ד"ר רוגאר אמר כי הוא בטוח שיוכל לשפר את הרגישות והמהירות על ידי הקטנת התומכה והמגנט והרצת הניסוי בטמפרטורות נמוכות יותר, פחות ממעלה אחת מעל לאפס המוחלט. ייתכן שמיקרוסקופ MRI מולקולרי של ממש נמצא במרחק של עשור מאתנו.
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~915157437~~~95&SiteName=hayadan
