תן לנגיפים לעבוד בשבילך

במעבדות המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס גדלים נגיפים המצפים את עצמם בחומרים נבחרים ואחר כך מתארגנים ליצירת התקנים כגון, גבישים נוזליים, תילי-ננו ואלקטרודות. בראש המחקר עומדת אנג'לה מ' בֶּלצֶ'ר, מדענית השנה של סיינטיפיק אמריקן

פיליפ רוס, סיינטיפיק אמריקן

המאמר פורסם בגליון פברואר-מארס 2007
במשך שנים רבות ביקשו חוקרי מדע החומרים לדעת כיצד הרכיכה הימית הקרויה “אוזן הים” (abalone) בונה את הקונכייה המרהיבה והחזקה שלה ממינרלים פשוטים, כדי שיוכלו לחקותה וליצור חומרים דומים בעצמם. אנג'לה מ' בֶּלצֶ'ר שאלה שאלה אחרת: מדוע לא לאלץ את אוזן הים לייצר חומרים עבורנו?
היא החדירה לוח זכוכית דק בין הרכיכה ובין הקונכייה שלה, ואחר כך הסירה אותו. “קיבלנו פנינה שטוחה,” היא אומרת, “שבאמצעותה יכולנו לחקור את יצירת הקונכייה מדי שעה ושעה, בלי שנאלץ להרוג את בעל החיים.” התברר שאוזן הים מייצרת חלבונים הגורמים ליונים המרכיבים את המינרל סידן פחמתי להתארגן בשתי צורות גבישיות, המשתלבות זו בזו באופן מושלם – צורה אחת חזקה, וצורה אחרת שבה גדלים הגבישים במהירות. עבודתה זיכתה אותה בדוקטורט מטעם אוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה ב-1997 וסללה לפניה את הדרך למשרות ייעוץ בתעשיית הפנינים, למשרת פרופסור במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) ולתפקיד מייסדת חברת הזנק בשם קמבריוס בעיירה מאונטן ויו שבקליפורניה.
מטרתה של בלצ'ר הייתה לפתח “פועלים” ביולוגיים שיוכלו להעביר מולקולות ממקום למקום, כעין לבנים שישמשו לבניית מבנים מן היסוד, גישה המוכרת בעולם הננוטכנולוגיה בשם התארגנות עצמית. אבל ראשית כול היה עליה למצוא ברייה צייתנית יותר מאוזן הים, הדורשת תשומת לב רבה, גדלה לאט ובמידה מסוימת מומחית רק לדבר אחד. בלצ'ר חיפשה משהו קטן, זריז וגמיש – הכלאה בין השדונים ממייני-המולקולות המפורסמים של מקסוול לבין הגמדונים הזריזים של סנטה קלאוס.
בלצ'ר ניסתה את מזלה עם נוגדנים חד-שבטיים בשל האפשרות להנדסם כך שיידבקו לעצמים שונים, אבל התברר לה שקשה לעבוד עמם. ואז, באמצע שנות ה-90, היא שמעה על פאג' M13, נגיף ארוך ודק הנטפל לחיידקים אך אינו מזיק לבני אדם. הנגיף, שרוחבו כ-6 ננומטרים ואורכו מיקרון אחד (1,000 ננומטרים), מקיף את הדנ”א החד-גדילי שלו במעטה חלבוני. המעטה כולל כ-2,700 עותקים של חלבון מסוים לריפוד הגוף החוטי, וכמה עותקים יחידים של כמה סוגי חלבון אחרים לכיסוי הקצוות. אפשר להנדס את החלבונים השונים וליצור נגיפים שונים במיליארד צירופים אפשריים, שלכל אחד מהם תכונות ייחודיות של משיכה כימית. נגיף יכול להידבק לחומר מסוים בצדדים, לחומר אחר בקצה האחד ולחומר שלישי בקצה הנגדי.
ביולוגים ניצלו את הבררנות הכימית הזאת כבר מזמן. הם משתמשים בנגיפי M13 הנצמדים לחומרים אורגניים מסוימים כדי לזהות דוגמאות לא ידועות. בלצ'ר הייתה הראשונה שהדגימה כיצד יכול הנגיף לסמן גם חומרים אי-אורגניים, כגון מתכות ומוליכים למחצה העומדים בבסיס מוצרים שימושיים רבים, ולהשפיע עליהם. זאת הייתה דוגמה נדירה שבה המדעים הפיזיקליים שאלו שיטה מן המדעים הביולוגיים: מכיוון שהביולוגים כבר עשו את העבודה השחורה, בלצ'ר הייתה יכולה פשוט לצאת ולרכוש אוסף נגיפים רחב ומגוון מאוד, הקרוי בפי הביולוגים phage display library, במחיר של כ-300 דולר.
כדי לקבל נגיף שנצמד למולקולה המתאימה, בלצ'ר משתמשת בתהליך הקרוי אבולוציה מוכוונת. “אנחנו זורקים את כל מיליארד הגרסאות שלנו למבחנה, יחד עם חומר כלשהו, שוטפים אותו ורואים מה נדבק לחומר,” היא אומרת. “לאחר מכן אנחנו מסירים את הנגיפים שנדבקו באמצעות שינוי יכולת ההגבה שלהם עם המשטח, למשל על ידי העלאת רמת החומציות, ואז אוספים את הנגיפים ומרבים אותם בחיידק פונדקאי.”

גבורות הנגיף

ההתרבות בחיידקים מספקת טריליוני עותקים של תת-קבוצה מבטיחה של נגיפים העוברים שלב אבולוציה נוסף. הפעם משנים את התנאים בתמיסה כדי להקשות מעט על הנגיפים להידבק לחומר המטרה. ושוב, שוטפים את הגרסאות הפחות דביקות ומרבים את השורדים. חוזרים על המחזור הזה שוב ושוב, בתנאים תובעניים יותר ויותר. בסוף התהליך, שעשוי להימשך שלושה שבועות, נותרת רק גרסה אחת של הפאג' – זאת הנדבקת באופן הבררני ביותר.
שימו נגיף בעל משיכה ייחודית לזהב בתמיסה המכילה יוני זהב, והוא יצפה את עצמו וייצור תיל שאורכו מיקרון אחד המתאים לחיבור רכיבים סמוכים במעגל חשמלי זעיר. נגיף מעט שונה יוכל אפילו להיקשר בשרשרת לנגיפים אחרים כמוהו וליצור תיל זהב שאורכו כמה סנטימטרים. את התילים אפשר לטוות לחוטים ולארוג אותם בתוך בד של בגד. תיל כזה, אם קושרים אותו לקולטנים רגישים מבחינה כימית, עשוי לשמש כגלאי של חומרים רעילים או של גורמים ביולוגיים מאיימים.
לפני שנה-שנתיים גרמה בלצ'ר לתאי שמרים לקבע זהב, בניסוי שאין לו עדיין יישום מעשי (אם כי התאים המצופים, שרוחבם שישה מיקרונים, יוכלו לשמש בניסויים מסוימים כסמנים פלואורסצנטיים שקל מאוד לראותם). בינתיים, הסטודנטים שלה ב-MIT, הלומדים כיצד להשתמש ביצורים חיים כבסיס ליצירת חומרים, מבצעים את קיבוע הזהב כתרגיל במעבדה.
אף על פי שבלצ'ר ממשיכה לבחון את היתרונות של כמה אורגניזמים אחרים למטרות ניסוי, היא מתמקדת ב-M13, בין השאר מפני שבשל היחס העצום בין אורכם לרוחבם של הנגיפים הם מתארגנים בעצמם באופן טבעי ליצירת צורות מורכבות יותר. “חשבו על עפרונות בקופסה,” אומרת בלצ'ר. “אם מנערים רק כמה מהם, הם נוחתים באופן אקראי. אבל אם מגדילים את צפיפותם, הם נוטים להתארגן בחבילה. היא הצליחה לגרום לפאג'ים נבחרים ליצור קרום ששטחו 10 סמ”ר ועוביו פחות ממיקרון אחד. אחר כך היא קיבעה את המבנה הזה ליריעה יציבה באמצעות קישור כימי.
עכשיו עסוקה בלצ'ר, עם עמיתיה ב-MIT, יט-מינג צ'יאנג, פאולה המונד וקי טי נאם, ובמימון הצבא האמריקני, בפיתוח משטחים אלה לשימוש כאלקטרודות בסוללות יוני ליתיום קלות במיוחד. “משקל הסוללות חשוב להם מאוד. המטוסים הראשונים שטסו לבגדד היו עמוסים בסוללות,” אומרת בלצ'ר. “האלקטרודות שלנו שוקלות 50-40 מיליגרם לעומת הגרמים ששוקלות האלקטרודות הרגילות.”
את האלקטרודה השלילית אפשר ליצור מיריעה של נגיפים שהושבחו כדי לכסות את עצמם בזהב ובקובלט חמצני. הזהב כדי לשפר את המוליכות החשמלית, והקובלט החמצני כדי להחליף יונים עם האלקטרוליט שבסוללה. חילוף היונים הוא המניע את המטענים מאלקטרודה לאלקטרודה. האלקטרודה מתארגנת באופן ישיר על גבי פולימר שעוצב מראש ומשמש כאלקטרוליט ויוצרת שכבה כפולה. כעת עסוק הצוות בשכנוע הנגיפים לגדל את האלקטרודה הנגדית החיובית, שתידבק לצידו האחר של האלקטרוליט.
המטרה היא לעצב את היריעות כך שייצרו מוצק שעל פני השטח שלו יהיו אלקטרודות חיוביות ושליליות לסירוגין. את האלקטרודות יהיה אפשר לחבר בטור כדי לקבל מתח חשמלי גבוה יותר. המרחק הקצר בין האלקטרודות מאפשר טעינה ופריקה מהירות ושימוש מיטבי ברכיבים. את הסוללה הזאת יהיה אפשר לעצב בהתאם לחלל העומד לרשות המתכנן. כך היא תוכל לחסוך לא רק במשקל אלא גם במקום, תכונות רצויות גם לאלקטרוניקה צבאית וגם לנגני MP3 דקים במיוחד.
נראה שאין יסודות ואין תרכובות שהנגיפים אינם יכולים להבדיל ביניהם. פאג' אחד ספציפי לחומר המוליך למחצה גליום ארסני, אך אדיש לחומר גליום חנקני הדומה לו מאוד. יכולת ההבחנה הזאת תוכל לשמש אולי כאמצעי לגילוי פגמים בשבבים. יצרני השבבים מגדלים לעתים גבישים של אחד החומרים האלה על גבי מוליך למחצה מסוג אחר. הם עושים זאת כדי שההבדלים הדקים במרווחי השריגים הגבישיים יגרמו למאמץ מכני שישפיע על התכונות החשמליות. כשהגבישים אינם משתלבים כראוי זה בזה, אטומים מיותרים בולטים במקומות שהם אינם אמורים להיות בהם. הנגיפים יוכלו להיצמד בדיוק לפגמים כאלה. אם הנגיף יישא עליו גם תווית פלואורסצנטית, הוא יזהר בתנאים מתאימים, ויהיה אפשר לאתר את הפגם באמצעות מיקרוסקופ.

תכניות גדולות
אבל בלצ'ר מעוניינת לצעוד רחוק יותר עם הטכנולוגיה הזאת. “אנחנו רוצים לראות אם נוכל למצוא פגמי ייצור גם בעצמים כמו כנף מטוס,” היא אומרת. קבוצת המחקר שלה רוצה גם לגייס את פאג' M13 לבניית טרנזיסטורים שלמים ממולקולות ויונים של מוליכים למחצה, ואז לייצר אותם במיליארדי עותקים. היא מודה שטרנזיסטורים נגיפיים לא יהיו קטנים יותר או טובים יותר, אבל ייצורם לא יחייב שימוש בכימיקלים חריפים ולכן אמור לפלוט פחות פסולת רעילה.
בלצ'ר גם מקווה להחזיר את חובה לביוכימיה. היא רוצה לגרום ל-M13 להיקשר גם לתאי סרטן וגם לרכיבים ננומטריים, הקרויים “נקודות קוונטיות” (Quantum dots), שאפשר לראותם בסריקות רפואיות. השימוש בנקודות קוונטיות עדיין לא נוסה בבני אדם, בין השאר בגלל דאגה בנוגע לרעילות המתכות הכבדות המרכיבות אותן, ובייחוד קדמיום. בלצ'ר מנסה לגרום לפאג'ים שלה להיצמד לחלקיקים בטוחים יותר העשויים גליום חנקני, אינדיום חנקני או מוליכים למחצה אחרים. המכון הלאומי האמריקני לסרטן מממן את המחקר הזה.
רוב הפרויקטים של בלצ'ר ב-MIT רחוקים שנים רבות ממציאת יישומים מסחריים, אבל קמבריוס חייבת לעבוד על יישומים שיגיעו לשוק בתוך כשנתיים לפני שהחברה “תשרוף” את הונה. מנכ”ל החברה ונשיאה, מייקל קנאפ, אומר שבשלוש שנות פעילותה גייסה החברה 14 מיליון דולר בשני סבבי מימון, פתחה מעבדה ושכרה 20 איש, כלומר קצב ההוצאות עומד על 5 מיליון דולר בשנה. הוא אומר שקמבריוס חותרת ליצור מוצר גומחה שיניב רווחים גבוהים מנפחי מסחר קטנים: מרקע פלסטיק גמיש רגיש למגע.
הצבא מעוניין במסכים גמישים להדבקה על השמשה הקדמית של כלי רכב כדי שיהיה אפשר להתקין במהירות ממשק מחשב בשדה הראייה של הנהג. מעצבי מוצר מעוניינים גם לשלב את המרקע בצג מחשב, כך שיהיה אפשר לגלגל אותו כשאין בו שימוש כדי לחסוך מקום. כיום אי אפשר לייצר מרקעים גמישים מפני שהטמפרטורות הגבוהות שבהן פועלות טכנולוגיות הייצור המקובלות יתיכו את הגב הפלסטי שלהם.
“אנחנו מתכוונים להשיק את המוצר באמצע 2007,” אומר קנאפ. ” בכל מקרה אנו נהיה מעורבים בייצור, אבל תעשיית האלקטרוניקה מעדיפה לקנות ממישהו שהם מכירים, ולכן כמעט בטוח שיהיו לנו גם שותפים.”
בלצ'ר ממשיכה בקביעות לייעץ לקמבריוס לגבי הפרויקטים השונים של החברה וגם לנהל מחקר משלה. היא אומרת שעל אף שהחברה מחזיקה בזכויות על שיטת הייצור הנגיפי שלה, היא ו-MIT שומרים על הקניין הרוחני של המחקרים העכשוויים. לדוגמה, הקבוצה שלה ב-MIT עבדה על הסוללה החשמלית בשעה שקמבריוס פיתחה את מרקע המגע שלה בעצמה.
” נהניתי מאוד לפתח את המדע הבסיסי ולהעביר אותו לחברה,” היא אומרת ומוסיפה שהיא מעוניינת לעשות זאת שוב. בלצ'ר אינה מסגירה את מטרתה של החברה הבאה שלה, חוץ מזה שכמו קמבריוס, המשלבת מרכיבים נגיפיים ואבני בנין אי-אורגניות, גם היא תעסוק בחיבור דברים שבדרך כלל אינם מתחברים זה לזה.
פיליפ רוס הוא כתב מדעי מניו יורק.