האם חתן פרס נובל לכימיה ב-2001 יזכה השנה שוב?

הרשימה הקצרה של המועמדים לפרס נובל בכימיה לשנת 2013 לא כוללת ישראלים אך צפויות הפתעות אחרות

הערה, בניגוד לפיסיקה אך כמו ברפואה השנה, התחזית פספסה. הזוכים הם פרופ מרטין קרפלוס מאוניברסיטת הארווארד, מייקל לויט מסטנפורד ופרופ’ אריה ורשל מאוניברסיטת דרום קליפורניה, בוגר הטכניון ומכון ויצמן

מבחן איימס למוטגניות

המועמדים: ברוס נ. איימס, חוקר בכיר, בית-החולים לילדים במכון המחקר אוקלנד, אוקלנד קליפורניה, ופרופסור אמריטוס במחלקה לביוכימיה וביולוגיה מולקולארית, אוניברסיטת ברקלי קליפורניה, קליפורניה, ארה”ב.

איימס מועמד לזכייה בפרס נובל לכימיה לשנת 2013 על: “ההמצאה של מבחן איימס למוטגניות”.
כאשר התברר כי ניתן לעורר את התפרצות מחלת הסרטן ע”י מספר כימיקלים, נדרשה בדיקה לבחינת חומרים אלו לפני אישורם לשימוש בבני-אדם. בדיקת חומרים בבעלי-חיים הייתה איטית ויקרה וחייבה את חשיפתם לכמויות בלתי-מציאותיות של התרכובת הנבדקת. ממצאים חיוביים שמקורם בבדיקות מעין אלו הובילו בקביעות לקבלת התראות בתווך עצמו, תוך קבלת מידע בלתי מבוסס באשר לאפשרות כי כימיקלים מעשה ידי אדם הם האחראים לסרטן בבני אדם. הדבר היה חשוב במיוחד בכל הנוגע לכימיקלים ששימשו בתור חומרי הדברה, או בכימיקלים לבית, או כאלה ששימשו בתור תוספי מזון. ואז הגיעה מבחן איימס ששינה את הכול.

מבחן איימס, כפי שהתברר, היה מהיר, זול ופשוט לשימוש, ולא הצריך מעורבות של בע”ח. הבדיקה מתבססת על חיידק, ובייחוד החיידק Salmonella typhimurium. באמצעות בדיקה זו ניתן היה לסרוק מספר עצום של כימיקלים, הן טבעיים והן סינתטיים, תוך קבלת תוצאות אמינות. מבחן איימס פורסם בשנת 1975 (Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 72: 5135-9) והוביל לשינוי בהתייחסות ובשימוש במונח הכללי מדי “חומר המחולל סרטן”, שבו נעשה שימוש לקוי ובימינו אנו כבר לא שגור בפי כול.
בשנים שלאחר מכן איימס שיפר עוד יותר את השיטה שלו. המאמר המצוטט ביותר שלו (Mutation Research 113: 173-215), המציג שיטות משופרות לבדיקת המוטגניות בעזרת חיידק הסלמונלה, צוטט עד כה יותר מ-5200 פעמים.
מבחן איימס התרחב לבדיקת כימיקלים טבעיים, וכתוצאה מכך התגלה כי רבים מהם אכן בעלי פעילות מוטגנית, להפתעתם הרבה של חוקרים רבים.

איימס המשיך במחקרו על אודות המוטגניות וניסה לקשור אותה גם לרדיקלים של חמצן, ניסיון שתוצאתו מאמר חשוב שפורסם בשנת 1983 ואשר צוטט כ-2400 פעמים (Science, 221: 1256-64). מאמרו משנת 1993 באשר לתפקידם של רדיקלים אלו בהתפתחותן של מחלות ניווניות הקשורות לזקנה צוטט קרוב ל-3500 פעמים (Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 90: 7915-22).

ננוטכנולוגיה של דנ”א

המועמדים: פול אליביסאטוס פרופסור לננו-מדעים ולננו-טכנולוגיה בקבוצת סמסונג, פרופסור לכימיה ולמדעי החומרים והנדסת חומרים, ומנהל המעבדה הלאומית ע”ש לורנס ברקלי, אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, קליפורניה, ארה”ב, צ’אד מירקין Chad A. Mirkin, פרופסור לכימיה, אוניברסיטת נורת’ווסטרן, אבנסטון, אילינוי, ארה”ב ונדריאן סימן (Nadrian C. Seeman), פרופסור לכימיה, אוניברסיטת ניו-יורק, ניו-יורק, ארה”ב. השלושה מועמדים לזכייה בפרס נובל לכימיה לשנת 2013 על: “תרומתם המשותפת לתחום הננוטכנולוגיה של דנ”א”.

מזה עשורים רבים שחלקיקים קולאידיים משמשים כצבענים (פיגמנטים). הצבע האדום של זכוכית צבעונית, למשל, מקורו בחלקיקי קולואיד של זהב. אנו יודעים כיום כי התנהגותם של חומרים מעין אלו נובעת מהיותם צברים ננומטריים של אטומי זהב. בעבר, השימוש המדעי בחלקיקים אלו בהם היה די מועט. למרות שחומרים כאלו אכן שימשו כחומרי צבע שנועדו להגביר את הניגודיות במיקרוסקופ אלקטרוני, הם לא זכו להתעניינות מצד כימאים, בעיקר לאור העובדה כי הם לא הוגדרו כמולקולות לכשעצמן. היום, לעומת זאת, הם מהווים תחום מחקר נמרץ, והשילוב שלהם עם דנ”א היה תועלתי במיוחד. הדנ”א הוא המולקולה החשובה והמורכבת ביותר של הטבע, וחיבורה לננו-חלקיקי מתכת הוביל לתוצאות חסרות תקדים. תחום זה מוכר כיום בשם ננו-טכנולוגיית דנ”א, ושלושת הכימאים המועמדים לפרס הם האחראים לצמיחתו ושגשוגו של תחום זה.

Alivisatos הוא מומחה עולמי בכימיה של גבישים ננומטריים; אחד ממאמריו (Science, 271: 933-937, 1996) צוטט 6400 פעמים. הוא מומחה גם ביישומם של גבישים אלו, לדוגמה בתור סמנים ביולוגיים (Science, 281: 2013-6, 1998, מאמר שצוטט 4400 פעמים). השימוש בו הוא עשה בדנ”א בתחום זה הוכיח לעולם המדע כמה רב-תכליתית באמת יכולה להיות מולקולת הדנ”א. הוא השתמש במולקולה להכוונת הצמיחה של גבישים ולפיתוחם של חומרים חדשים (Nature, 382: 609-11, 1996) ואפילו לשם מדידת מרחקים ננומטריים (Nature Nanotechnology, 1: 47-52, 2006).

Chad Mirkin פרסם 11 מאמרים מחקריים שכל אחד מהם צוטט יותר מאלף פעמים. מאמרו המצוטט ביותר (כמעט 3000 פעמים) מתייחס לשיטה לשימוש בדנ”א לשם קיבוצם יחדיו של ננו-חלקיקים לבניית חומרים גדולים ושימושיים יותר (Nature, 382: 607-9, 1996). השיטה כוללת אוליגונוקליאוטידים של דנ”א שאליהם מחוברת קבוצת גופרית (SH) הנמשכת והנקשרת לאטומי זהב. במאמר שפורסם זה מכבר החוקר הדגים כי ניתן להרחיק את אטומי הזהב וליצור חומצות גרעין כדוריות בעלות תכונות מרתקות (J. Am. Chem. Soc., 134: 1376-91, 2012). מאמר חשוב נוסף, שפורסם בכתב-העת היוקרתיScience (289: 1757-60, 2000, צוטט 1500 פעמים), דן באנליזה של מערכי דנ”א הצרפיים (combinatorial) באמצעות בחנים (probes) המורכבים מננו-חלקיקים.

Nadrian Seeman שילב את תחום הדנ”א עם תחום הננוטכנולוגיה באופן השימושי והיישומי ביותר. אחד מהמאמרים שלו, בכתב-העת היוקרתיNature (394: 539-44, 1998, צוטט קרוב ל-1200 פעמים) מתאר את התכנון ואת ההתגודדות העצמית של גבישי דנ”א דו-ממדיים, תהליך המאפשר את הפיתוח של יחידות מוגדרות החוזרות על עצמן בקנה מידה ננומטרי והניתנים לאנליזה ע”י מיקרוסקופ כוח אטומי. מאמר קודם שלו, שכותרתו: “Synthesis from DNA of a molecule with the connectivity of a cube”, פורסם אף הוא בכתב-העת המדעיNature (350: 631-3, 1991) ורמז על הבאות – למרות שהחוקר עצמו טען כי הוא חשב על האפשרות ליצירת סריגי דנ”א תלת-ממדיים עשר שנים קודם לכן ואף רמז על כך במאמר שהוגש לכתב-העת המדעיJournal of Theoretical Biology (99: 237-47) בשנת 1982.

כימיית קליק מודולארית

המועמדים, M.G. Finn, פרופסור לכימיה ולביוכימיה, המכון הטכנולוגי של ג’ורג’יה, אטלנטה, ג’ורג’יה, ארה”ב, Valery V. Fokin, פרופסור חבר לכימיה, מכון המחקר סקריפס, לה הויה, קליפורניה, ארה”ב ו-K. Barry Sharpless, פרופסור לכימיה, מכון המחקר סקריפס, לה הויה, קליפורניה, ארה”ב. השלושה מועמדים לזכייה בפרס נובל לכימיה לשנת 2013 על: “הפיתוח של כימיית קליק מודולארית”.

הטבע מייצר מיליוני חומרים אורגניים והוא עושה זאת באופן יעיל מבחינת חומרי הגלם וצריכת האנרגיה, תוך קבלת ניצולות גבוהות וללא תוצרי-לוואי המחייבים סילוק לאשפה, בסביבות של מים וממסים אורגניים כאחת, ותוך קבלת המבנה המבוקש המדויק. המשמעות היא שאם יש אפשרות לקבלת מולקולה בעלת כיראליות אחת או אחרת, תיוצר רק זו בעלת המבנה הנדרש. התחום הסינתטי המכונה בשם “כימיית קליק” (“click chemistry”) שם לו למטרה סינתזה מעין זו. מאמצי שיתופי הפעולה של שלושת החוקרים סללו נתיבים חדשים לסינתזה כימית באמצעות שיטת הקליק.

הדוגמה המוצלחת ביותר לכימית קליק היא תגובת הציקלו-אדיציה ע”ש Huisgen (פרוט התגובה בוויקיפדיה) שבה נוצרת טבעת מחומשת בעלת שלושה אטומי חנקן סמוכים. תגובה זו, ומספר תגובות אחרות דמויות-קליק, מופיעות במאמר הראשון שפרסמו Sharpless ו- Finn בשנת 2001 שבו הם הציגו לראשונה את הרעיון (Angewandte Chemie International Edition, 40: 2004-21) ואשר צוטט מאז יותר מ-4200 פעמים. במאמרם זה ציינו החוקרים כי הטבע מעדיף לייצר יחידות מולקולאריות קטנות שבהן אטום פחמן מחובר לאטומים אחרים, ובשלב הבא לשרשר את היחידות הללו יחדיו ליצירת חלבונים ופחמימות. שיטת סינתזה זה הוגדרה על ידם ככימיית קליק.

כימיית הקליק מוצאת לעצמה יישומים בשני תחומים עיקריים: מדעי החיים ומדעי החומרים. דוגמה לשימושיה במדעי החיים היא בהוספה של קבוצת סימון לביו-מולקולה, תצורה בעלת פוטנציאל רב ליישומי אבחון. בתחום מדעי החומרים, כימיית הקליק מאפשרת יצירת חומרים כדוגמת פולימרים וציפויים מיוחדים למשטחים בעלי תכונות בלתי-רגילות.

שלושת החוקרים הצליחו לחקות את הטבע בעזרת שימוש במים כממס במקום הממסים האורגניים שבהם עושים שימוש הכימאים בדרך כלל. מאמרם משנת 2005 (Angewandte Chemie International Edition, 44: 3275-9) צוטט יותר מ-600 פעמים. במאמר זה מדגימים החוקרים כיצד ניתן לסנתז תרכובות אורגניות בתמיסה מימית למרות שחומרי המוצא אינם מסיסים במים, וכיצד תגובות אלו מתנהלות במהירות, בטמפרטורת הסביבה ותוך קבלת ניצולות גבוהות, שיטה שכונתה על ידם כ”תגובה על פני המים”.
החוקר Finn גם התאים את גישת הקליק תוך שימוש באנזים אצטילכולין-אסטראז לבניית מולקולות שונות (Angewandte Chemie International Edition, 41: 1053-7, צוטט 428 פעמים), וכן עבור יצירת פולימרים מסוגים שונים.

פוקין התמקד בתגובות המזורזות ע”י מתכות. מאמרו יחד עם שארפלס משנת 2002 (Angewandte Chemie International Edition, 41: 2596-9) על אודות תגובת Huisgen רב-שלבית המנצלת את הזרז נחושת(I) צוטט יותר מ-4000 פעמים. המאמר בו פורט השימוש בשיטת הקליק לשם סינתזת מבנים מורכבים המכונים דנדרימרים (dendrimers) באופן פשוט (Angewandte Chemie International Edition, 43: 3928-32) צוטט כ-700 פעמים.

במידה ושלושת החוקרים הללו אכן יזכו בפרס הנובל לכימיה, זו תהיה הזכייה השנייה של החוקר שארפלס בפרס נובל לכימיה. הוא זכה בפרס נובל לכימיה לשנת 2001 על “מחקרו באשר לתגובות חמצון מזורזות כיראליות”. פרס זה ניתן במשותף גם לשני החוקריםWilliam S. Knowles ו- Ryoji Noyori על “מחקרם באשר לתגובות הידרוגנציה מזורזות כיראליות”.

לפרטים נוספים