סיקור מקיף

כימיה ביומימטית – צוהר לעולם המולקולרי

ראיון עם פרופ' משנה גליה מעין, ראש המעבדה לכימיה ביומימטית בטכניון / מאת: יעל הלפמן כהן

אילוסטרציה. מקור: pixabay.com.
אילוסטרציה. מקור: pixabay.com.

בשנים האחרונות פועלת בפקולטה לכימיה שבטכניון מעבדה לכימיה ביומימטית, בהובלת פרופ' משנה גליה מעין. בנוף החדשנות הביומימטית, אשר מזוהה כיום יותר עם פיתוחים הנדסיים ברמות חיקוי גבוהות כמו חיקוי איברים או אורגניזמים ופחות מזוהה עם פיתוחים כימיים, בולטת מעבדה זו, העוסקת בחיקוי ביומימטי ברמה המולקולרית. מתברר כי גם ברמה המולקולרית יש חקר וחיקוי של תפקודים ושל פעולות הקשורות למבנים, והתוצאה – חדשנות.

המעבדה עוסקת במספר פיתוחים ביומימטיים המבוססים על כימיה בסיסית.

הפרויקט הראשון עוסק בקטליזה אנזימתית ביומימטית. הפרויקט מבוסס על חקר פולדמרים, מולקולות היכולות להתקפל בתמיסה על ידי יצירת קשרים לא קוולנטיים. פולדמרים יכולים להיות בעלי מבנה סלילי, למשל, שהוא חיקוי של המבנה הסלילי הקיים בפולימרים טבעיים, כגון פפטידים וחלבונים. מבנה מקופל זה מאפשר את פעילות החלבונים, כמו, למשל, זירוז סלקטיבי של תגובות.

במעבדה פותחה מולקולה דמוית פפטיד, שמתארגנת בצורת סליל (ימני או שמאלי). חיברו לה זרז שיודע לחמצן כוהלים. הזרז חסר כיוון. כשהוא מחובר לסליל מקבל הזרז כיוון מהסליל, והוא מסוגל לזרז בצורה סלקטיבית כוהל ימני (או שמאלי) ולהשאיר את הכוהל השמאלי (או הימני) בתמיסה. כך מתבצעת הפרדה בין כוהלים ימניים ושמאליים שנמצאים בתערובת.

יישומים אפשריים: בתהליכי סינתזה של מולקולות, בהן נדרשת הפרדה בין צמדי מולקולות ודרוש זרז שיפריד ביניהם לצורך יישומים שונים. בתהליכי ייצור תרופות, למשל, נדרשות מולקולות בעלות כיוון ספציפי (למשל, רק המולקולה בעלת הכיוון הימני היא התרופה ואילו זו בעלת הכיוון השמאלי חסרת פעילות, או אפילו מזיקה), בעוד שתהליך הסינתזה לרוב מייצר תערובות, כך שנדרשת הפרדה.

הפרויקט השני עוסק בסלקטיביות ביומימטית. מולקולות שונות בגופינו או בטבע, נקשרות רק ליונים מתכתיים ספציפיים (למשל יוני נחושת) מתוך מגוון יוני המתכות (ברזל, אבץ, מגנזיום וכדומה) לצורך פעולתן. במעבדה יצרו מולקולה דמוית סליל, שיש לה שתי יחידות הקשורות לאותו צד של הסליל, שיכולות לתפוס מתוך "ים" יוני המתכות רק יונים של נחושת (ראה תמונה 1 המדמה את התהליך). יישומים עתידים לכך יתכנו בעולם הרפואי. למשל מחלות הקשורות לפעילות לא נאותה של המוח בגיל מבוגר, כמו דמנציה, קשורות להצטברות עודפת של יוני מתכות כמו נחושת, אבץ, ברזל או אלומיניום. פיתוח עתידי של סלקטיביות ביומימטית עשוי לאפשר תפיסה סלקטיבית של יונים אלה והוצאתם מהגוף.

תמונה 1. מקור: פרופ' גליה מעין.
תמונה 1. מקור: פרופ' גליה מעין.

הפרויקט השלישי עוסק בזירוז תגובות ביומימטי. המערכת הפוטו סינטטית הפועלת בצמחים ובאצות יודעת להפיק אנרגיה מאור השמש, ואם נצליח לחקות אותה נוכל להתמודד עם בעיית האנרגיה ההולכת ומתכלה. המערכת כוללת שני חלקים: חלק אחד קולט אור שמש ומים, מחמצן את המים על ידי אנרגיית השמש, ומייצר חמצן, פרוטונים ואלקטרונים. החלק השני לוקח את הפרוטונים והאלקטרונים ומייצר מהם מימן וסוכר (מקורות אנרגיה).

במעבדה סנתזו מולקולה שדומה במבנה שלה לקומפלקס שמכיל יוני מנגן, המהווה זרז בתהליך חמצון המים. המולקולה תוכננה להיות מסיסה במים, כדי שיהיה אפשר לחקור אם היא יכולה לזרז את חמצונם על ידי פוטנציאל חשמלי נמוך (יתרון סביבתי). ואכן, המולקולה התגלתה כמסיסה ויציבה במים, והראתה יכולת לייצר יותר אלקטרונים ממה שהושקעו בה לצד רמות גבוהות של חמצן. יישומים אפשריים: ייצור מימן כתחליף "ירוק" וזמין לגז כמקור אנרגיה.

הפרויקט הרביעי עוסק בזרזים הפועלים בשיתופיות. אנזים יכול לזרז תהליך פי 600,000 יותר מהר, וזאת בטמפ' הגוף ובלחץ אטמוספירי של סביבת החיים. לשם השוואה, היום בתעשייה (למשל: חמצון כוהלים, חמצון מתאן למתנול, ייצור אמוניה) משתמשים בזרזים שפועלים בטמפ' של 500 מעלות ובלחצים מאוד גבוהים.

מסתבר שעיקרון בולט בתהליך הזירוז הטבעי הוא עיקרון השיתופיות. לכל אנזים יש לפחות אתר פעיל אחד, האתר שבו קורה תהליך הזירוז של תגובה ספציפית. אתר זה מכיל 2-3 חומצות אמינו, ולעיתים קרובות גם יון או יונים מתכתיים. אמנם רק אחת מחומצות האמינו או היון המתכתי ממש מתחבר/ת למולקולה שהפיכתה למולקולה אחרת מזורזת, אך השאר עוזרים בתהליך – למשל מייצבים את חומצת האמינו או את מצב החמצון של היון המתכתי.

במעבדה חיקו את תכונת השיתוף, והראו  שאם לוקחים שני זרזים שונים שפועלים בתמיסה בצורה שיתופית, ומקבעים אותם על מולקולה אחרת כך שנוצר "אתר פעיל", השיתופיות מתגברת מאוד וניתן להגדיל את יעילות התגובה המזורזת פי 20-25 (ראה תמונה 2 המציגה תהליך זה).

תמונה 2. מקור: פרופ' גליה מעין.
תמונה 2. מקור: פרופ' גליה מעין.

נראה כי גלום פוטנציאל חדשנות רב ברמה המולקולרית, וכי נשמע עוד רבות בשנים הבאות על כימיה ביומימטית.

הידיעה נכתבה בעקבות ראיון עם פרופ' משנה גליה מעין, ראש המעבדה לכימיה ביומימטית בטכניון.

קישור למעבדה

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן