פרס וולף בכימיה 2021 מוענק לפרופסורים לסלי לייזרוביץ ומאיר להב עבור עבודתם המשותפת בביסוס ההשפעות ההדדיות של המבנה התלת-ממדי של מולקולות על המבנים של גבישים אורגניים.
היווצרותם של גבישים היא אחת התופעות הבסיסיות ביותר בכימיה. למבנה של גבישים אורגניים חשיבות מיוחדת מכיוון שצורת הגביש (מורפולוגיה) משקפת את המבנה התלת ממדי (סטריאוכימיה) של המולקולות המרכיבות את הגביש. בשנת 1848 ערך לואי פסטר את הניסוי המפורסם, שבו הפריד פיזית בין שתי הצורות הגבישיות של מלח חומצה טרטרית, אשר נראות כתמונות מראה אחד של השני. מחקריו של פסטר, ובעקבותיהם עבודתו של חתן פרס נובל הראשון לכימיה, יעקובוס ואנ׳ט הוף, יצרו את הבסיס לסטריאוכימיה המודרנית. אבל פסטר, ואנ׳ט הוף, וגם אלפי כימאים מפורסמים אחרים, לא הצליחו לפצח את מסתורין הקשר שבין מורפולוגיית הגביש לבין הסטריאוכימיה של המולקולות שהתלכדו יחד בגביש הזה.
עברו כמעט 140 שנה עד אמצע שנות השמונים של המאה הקודמת, כאשר הפרופסורים להב ולייזרוביץ הצליחו לפתור את החידה ארוכת השנים. באמצעות סדרה של ניסויים דרמטיים הם הוכיחו לראשונה כי ניתן לקבוע את הסימטריה המרחבית של מולקולות על סמך מורפולוגיית הגביש שלהן. בכך הם ייסדו את מדע הסטריאוכימיה של גבישים אורגניים. הם הסבירו את יחסי הגומלין שבין מבנה המולקולה הבודדת לצורת הגביש המקרוסקופי וניסחו את הקשרים בין מבנה מולקולרי, מורפולוגיה גבישית, דינמיקת הצמיחה של גבישים, וכיראליות מולקולרית (התכונה המבנית של עצם כלשהו, שגורמת לו להיות שונה מתמונת המראה שלו, כמו ידיים אנושיות). ממצאיהם הניחו את הבסיס לידע הנוכחי שלנו לגבי התלכדות ספונטנית של מולקולות אורגניות, ובכך השלימו את הבנתנו בכימיה אורגנית של קשרים קוולנטיים, ובהתלכדות עצמית של מקרומולקולות.
יתר על כן, על בסיס הבנתם את הדינמיקה של צמיחת גבישים, הם הצליחו לתכנן ולעצב גבישים כיראליים תוך שליטה על קצב הצמיחה היחסי של פאות הגביש. הם עשו זאת על ידי שימוש בכמויות זעירות של תוספים כיראליים, אשר גרמו להאצה או לעיכוב קצב הצמיחה של הגביש בכוונים השונים. הם תכננו גבישים דו-ממדיים ותלת-ממדיים, הסבירו את דינמיקת הצמיחה שלהם, והוכיחו לראשונה כי ניתן לעצב גבישים היכולים להוביל לתוצרים שלא היו זמינים בשיטות קונבנציונליות. יתר על כן, הם הצליחו להסביר מגוון תופעות של התגבשות במערכות ביולוגיות, בהקשר של מחלות, כגון התגבשות כולסטרול בכלי הדם, ופיגמנט המלריה בתאי דם אדומים.
מכיוון שכל המערכות הביולוגיות מורכבות ממולקולות בעלות כיראליות אחת בלבד, השאלה המדעית הבסיסית לגבי מקור החיים על פני כדור הארץ, קשורה קשר הדוק למקור הכיראליות בטבע. להב ולייזרוביץ הציעו מסלולים אפשריים לשאלת מקור הכיראליות בטבע, בכך שהראו כי תגובות כימיות ספציפיות יכולות לגרום להגברה כיראלית וליצירת מרכיב אחד מתוך תערובת רצמית (תערובת של שתי הצורות הכיראליות ביחסים שווים). הם הדגימו כיצד פילמור בתוך גבישים דו-מימדיים, הנוצרים ממרכיבים רצמיים, יכול לגרום ליצירת אוליגופפטידים הומו-כיראליים. הניסויים האלגנטיים הללו, אשר מציגים את הקשר שבין התלכדות מולקולות קטנות בגבישים לבין יצירת ביופולימרים כיראליים, מציעים הסבר לאבולוציה הכימית, החל מתערובות פשוטות שקדמו להיווצרות החיים, ועד למכונות הכימיות המורכבות של החיים.
עוד בנושא באתר הידען:
