מאמר מדעי בו שותף נשיא אוניברסיטת ת”א, פרופ יוסף קלפטר, המתפרסם היום ב- Nature Chemistry חושף כיצד משפיעה הגיאומטריה על חוקי התנועה של מולקולות וחלקיקים אחרים הנעים אקראית ומביא להכללה של חוקי התנועה הבראונית שניסח איינשטיין * התנאים שנלמדו במאמר חלים, בין היתר, בתאים חיים. לתובנות העולות מן המאמר יש השלכות על הבנתנו את הכימיה התוך תאית העומדת בבסיס תהליכים כגון: שעתוק ותרגום החומר הגנטי ופעילותן של תרופות
תנאי הכרחי להתרחשותו של כל תהליך כימי הוא מפגש של המולקולות המשתתפות בו. לדוגמה, במהלך תרגום מולקולת RNA לחלבון על הריבוזום לאתר את מקטע ה-RNA ולהיקשר אליו טרם תחילת פעולת התרגום. למרות שלקרבה היחסית בין החומרים המגיבים תמיד יש השפעה על משך הזמן החולף עד לסיומו של שלב המפגש, מידת ההשפעה תלויה בגיאומטריה של התווך הבין מולקולרי.
במאמר המתפרסם היום (א’) בגרסה המקוונת של כתב העת Nature Chemistry מסבירים נשיא אוניברסיטת תל-אביב פרופ’ יוסף קלפטר וחוקרים מהמחלקה לפיסיקה תיאורטית של מצב מוצק באוניברסיטת פאריס-6, כיצד ניתן לתאר את התנועה הזו המתרחשת בסביבה מורכבת הרבה יותר מאשר הסביבות המוכרות לנו ואשר לכאורה הכימיה שבה שונה, באמצעות הכללה של תורת התנועה הבראונית, שהאחראי לניסוחה היה פרופ’ אלברט איינשטיין.
שני אנשים נמצאים באצטדיון ענק וקובעים להיפגש בהפסקה לכוס קפה במזנון. הסיכוי שלהם להספיק לקיים את הפגישה וגם לשתות את הקפה תלוי במרחק ביניהם ובכמות האנשים המאכלסים את האצטדיון. אם הצמד יושב באזורים סמוכים או לחילופין במידה והאצטדיון כמעט ריק, רבים הסיכויים שהפגישה תצא אל הפועל עוד במהלך ההפסקה. לחילופין במידה והאצטדיון הומה אדם והצמד מרוחק זה מזה יש סיכוי סביר שההפסקה תסתיים קודם לכן.
המצב השורר בתוככי תא חי המלא בחלבונים ומולקולות מסוגים שונים דומה למצב המתואר לעיל. בתא, לכל חלבון יש תפקיד שבעטיו צריך הוא להיפגש עם חלבונים ומולקולות אחרות. אחת הדוגמאות לתהליך בו משתתפים חלבונים רבים היא שיעתוק החומר הגנטי האצור במולקולת הDNA- אל מולקולת RNA ובהמשך תרגום מולקולת ה-RNA לחלבון. תנאי מרכזי להתרחשותו של התהליך במהירות וביעילות הוא שהמפגש הפיזי בין המולקולות הרבות המשתתפות בו יתרחש תוך פרק זמן קצר.
הבנה וניתוח של הגורמים המשפעים על זמני המפגש מאתגרים מדענים בני זמננו וזו עקב התנועה האקראית האופיינית למולקולות המשתתפות בתהליך.
למחקר בסיסי בנושא זה עשויות להיות השלכות בתחומים רבים הנוגעים לכימיה של סביבות קטנות ודחוסות. ספציפית בתאים הוא עשוי לאפשר כלי מחקרי חדש לבחינת דרך פעולתן של תרופות קיימות בתוך התאים, אפשרות לפיתוח תרופות מותאמות אישית ובעתיד רחוק יותר אפשרות למניפולציות גנטיות לצורך ריפוי גנטי – באמצעות החלפת גנים פגומים בגנים תקינים.
הבוטנאי רוברט בראון היה הראשון שגילה את התופעה הפיסיקלית בה חלקיקים זעירים השקועים בנוזל אינם עומדים מלכת אלא נעים אנה ואנה באקראיות. מי שהיטיב לנסחה ולעמוד על הבסיס המיקרוסקופי להתרחשותה היה פרופ’ אלברט איינשטיין אך התופעה מכונה עד היום “תנועה בראונית”. התנועה הבראונית ידועה גם כדיפוזיה, דוגמה לה היא התפשטותה של טיפת דיו בכוס מלאת מים. הניסוח המתמטי של התופעה, אפשר למדענים להכניס סדר באקראיות, להבין את חוקי התנועה של מולקולות בודדות ולספק הסבר למגוון רחב של תופעות. למרות ההצלחה הרבה של מודל הדיפוזיה, נאספו ברבות השנים תצפיות ניסיוניות על מערכות בהן מתרחשת תנועה אקראית כזו שמאפייניה לא ניתנים להסבר ע”י המודל הקיים, דיפוזיה זו כונתה דיפוזיה אנומלית. את האנומליה שנצפתה ניסו המדענים להסביר בשני אופנים השונים זה מזה תכלית השינוי. הסבר אחד תלה את האנומליה באופן התנועה הבסיסי של המולקולות שהרי על פניו יתכן שבמערכות מסוימות האקראיות העומדת בבסיס התנועה מסובכת ומורכבת יותר מזו שתוארה ע”י איינשטיין. הסבר אחר גרס שהאקראיות המושלת באופן התנועה הבסיסי נותרה פשוטה ושהסיבה לתסבוכת היא הגיאומטריה המורכבת של התווך הבין-מולקולארי.
הרעיון המקובל גורס כי עקב שוני במאפייני הדיפוזיה (פעפוע), הכימיה שבתוך תא חי או בכל סביבה מורכבת אחרת, שונה מהכימיה המתרחשת במבחנה. פרופ’ קלפטר הוא מומחה בעל שם עולמי בתחום של תנועה אקראית של מולקולות וחלקיקים ננומטריים אחרים ומחקריו הביאו להכללה של חוקי התנועה הבראונית שניסח איינשטיין.
במחקרם הנוכחי, הצליחו פרופסור קלפטר ועמיתיו לקשר בין מאפיינים גיאומטריים יסודיים של התווך הבין-מולקולארי לזמן ההגעה של מולקולה מנקודה אחת לנקודה שניה. המסקנה העיקרית העולה מהמחקר היא שמידת ההשפעה של המרחק הראשוני בין החומרים המגיבים על משך הזמן החולף עד המפגש ביניהם נחלקת לשתיים. בתווך בין-מולקולארי המכונה קומפקטי, כל מולקולה נעה באופן המאפשר את הימצאותם של אתרים בהם לא ביקרה כלל, הימצאותם של אתרים שבוקרו יותר מפעם אחת נדירה. בתווך זה השפעת המרחק הראשוני קטנה. בתווך שאינו קומפקטי המצב הפוך, כל אתר מבוקר פעמים רבות. בתווך זה קיימת חשיבות רבה למרחק הראשוני כיוון והבדל קטן בו עלול לגרום להגדלת משך הזמן הנדרש עד לפגישה במספר סדרי גודל. התוצאה עלולה להפוך את המפגש ללא רלוונטי כלל.
את התופעה אותה גילו מכנים החוקרים: “קינטיקה (תנועה) מבוקרת גיאומטריה” ומביעים תקווה שהמסקנות העולות מהמחקר יהיו שימושיות במיוחד לצורך הבנה של תגובות המתרחשות בתוך תאים חיים. מכשירי מדידה חדישים המאפשרים התבוננות בזמן אמת בתנועה ובהיווצרות של מולקולות בודדות חשפו שגנים העוברים שעתוק מוצלח מקובצים יחדיו באזור מרחבי מוגדר היטב. תנועה בסביבה תאית ידועה ככזו הסובלת מהמגבלות הגיאומטריות של פנים התא והצפיפות הרבה השוררת בו, הייתכן שהטבע למד לנצל את הגיאומטריה לצרכיו?
