מדעני מכון ויצמן מציגים שיטה חדשה לדימות אלקטרון בודד
כבר כמה עשורים מהוות סריקות MRI אמצעי חיוני בזיהוי שלל מחלות, ועקב כך, בהצלת אין-ספור בני-אדם. בפשטות, טכנולוגיה זאת מאפשרת להפיק תמונה קוהרנטית של פְּנים הגוף, באמצעות מדידת צפיפות מולקולות המים. התמונה מתקבלת ברזולוציה של 1 מילימטר מעוקב – מידת הפרדה מצוינת אם מטרתנו לבדוק אם קיים, למשל, קרע במניסקוס בברך. אבל מה בנוגע למבנה של מולקולה בודדה? גודלה של מולקולה כזאת הוא בסביבות 5 ננומטר מעוקב – כלומר, היא בערך פי 10 טריליון יותר קטנה מהרזולוציה הגבוהה ביותר שאליה מסוגל להגיע סורק ה-MRI החדיש ביותר, ולכן – על פניו – מדובר במשימה בלתי-אפשרית. אבל בעבור ד”ר עמית פינקלר מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון ויצמן למדע – זאת המשימה. במאמר שהתפרסם באחרונה, הצליחו ד”ר פינקלר, תלמיד המחקר דן יודילביץ ושותפיהם מאוניברסיטת שטוטגרט, גרמניה – ד”ר ריינר שטוהר וד”ר אנדריי דניסנקו – להשלים צעד נוסף בכיוון זה, כאשר הדגימו שיטה חדשה לדימות אלקטרונים בודדים. השיטה אמנם מצויה בשלב הפיתוח הראשוני, אך ייתכן כי בעתיד תיושם לצורך דימות ברמה המולקולרית – מה שעשוי לחולל מהפכה בפיתוח תרופות חדשות ובאפיון של חומרים קוונטיים.
MRI הייתה ועודנה שיטה פורצת דרך, אך במקרים מסוימים יש לה חסרונות. לדוגמה, כדי שתפעל כשורה, יש צורך בדגימה גדולה יחסית – לכל הפחות כמה מאות מיליארדי מולקולות מים – וכתוצאה מכך הפלט המוצג הוא מעין ממוצע של רכיבים קטנים יותר – שאותם המכונה אינה מסוגלת לזהות. ברוב סוגי האבחונים – המיצוע הוא למעשה התוצאה הרצויה והמיטבית. אבל במקרים אחרים – למשל, בפיתוח תרופות – נדרשת עבודה על יריעה קטנה ככל האפשר, שתספק תוצאות מדויקות. מעבר לכך, כאשר עורכים ממוצע של רכיבים שונים רבים כל-כך – חלק מהמידע עשוי ליפול בין הכיסאות, וכך אף למנוע את גילויים של תהליכים חשובים אשר קורים בקנה-מידה קטן במיוחד. לצורך כך, מציעים המדענים צילום תקריב מולקולרי.
השיטה החדשה יכולה לאתר את מיקומו המדויק של אלקטרון בודד באמצעות החלת שדה מגנטי וסיבובו סביב יהלום סינתטי, המשמש חיישן קוונטי
איך נראה מכשיר דימות מדויק יותר, שמסוגל לעבוד בקנה-מידה קטן במיוחד? ד”ר פינקלר, יודילביץ ושותפיהם פיתחו שיטה שיכולה לאתר את מיקומו המדויק של אלקטרון בודד באמצעות החלת שדה מגנטי וסיבובו של השדה סביב יהלום סינתטי, המשמש חיישן קוונטי. למעשה, זה לא היהלום עצמו הפועל כחיישן, אלא פגם קטנטן בתוכו – בגודל אטום יחיד – הקרוי “מרכז חסר חנקן” (nitrogen-vacancy center). עקב גודלו האטומי של החיישן, הוא מותאם במיוחד להבחנה בשינויים המתרחשים בקרבתו, ועקב טבעו הקוונטי הוא יכול להבדיל בין אלקטרון בודד לצבר אלקטרונים. בשל תכונותיו אלה הוא מתאים במיוחד למדידת מיקומו במרחב של אלקטרון בודד ברמת דיוק יוצאת מגדר הרגיל, אשר מספקת לנו הצצה חטופה לטכנולוגיות הדימות של העתיד.
“אפשר יהיה להשתמש בשיטה החדשה שפיתחנו”, אומר ד”ר פינקלר, “כדי לספק לרופאים ולמדענים נקודת מבט נוספת ומשלימה – לשיטות הדימות הקיימות”. פיתוח כלי כזה עשוי לאפשר למדענים לחקור מקרוב את המבנה של מולקולות חשובות, וכך לסלול את הדרך לתגליות חדשות. המדענים חוזים עתיד שבו נוכל להשתמש בשיטה החדשה לדימות של מגוון מולקולות רחב, אשר, בתקווה, יחשפו נדבכים נוספים מהשילוש המולקולרי הקדוש: המבנה, התפקיד ויחסי הגומלין.
רב-תחומי
ד”ר עמית פינקלר הגיע לראשונה למכון ויצמן למדע כבוגר תואר ראשון. הוא השלים במכון את התואר השני והשלישי במעבדתו של פרופ‘ אלי זלדוב, בפקולטה לפיסיקה, לפני שנסע לאוניברסיטת שטוטגרט – שם ביצע את מחקרו הבתר-דוקטוריאלי. לפני חמש שנים חזר לרחובות והקים מעבדה משלו – בפקולטה לכימיה.
“אני פיסיקאי”, אומר ד”ר פינקלר, ”אבל העבודה בפקולטה לכימיה יוצרת הזדמנויות ייחודיות עבור המחקר שאנחנו מבצעים במעבדה שלי. יש אצלנו פיסיקאים, אבל יש גם כימאים ומהנדסים. זה שילוב מעניין, והאפשרות לשלב בין שיטות מחקר ודיסציפלינות שונות היא הכרחית לסוג המדע שבו אני מתעניין. אני אוהב לכוון עדשות, נהנה מכוויות קריוגניות, וכעת אני בוזק מולקולות מהונדסות על היהלומים שלנו”.
עוד בנושא באתר הידען:
