תהליך חדש להכנת ננו-חומרים בשיטת ההתקבצות-העצמית

בעוד ביורפואה, אלקטרוניקה ותחומי מחקר נוספים צועדים באופן יציב אל עבר המידות הקטנות מננומטר, הכנת אבני-הבניין להפקת חומרים כאלו הינה בעייתית

בעוד ביורפואה, אלקטרוניקה ותחומי מחקר נוספים צועדים באופן יציב אל עבר המידות הקטנות מננומטר, הכנת אבני-הבניין להפקת חומרים כאלו הינה בעייתית.

לאחרונה צוות מחקר ממכון המחקר סקריפס חשף גישה חדשנית לפתרון הבעיה המאפשרת קבלת חומר בעל תכונות חדשות, שיזכיר לרבים מאיתנו גומי גמיש. החומר מופק בעזרת חלבונים טבעיים המשמשים תבניות להכנת מבנים אחידים במידות ננומטריות בהליך של התקבצות-עצמית. החומר, פולימר אורגני שתואר במהדורה האלקטרונית של כתב-העת האמריקאי “Proceedings of the National Academy of Sciences” יוכל להיות מיושם בעתיד בתחומים מגוונים החל באבחון מחלות וכלה במיקרואלקטרוניקה.

שימוש בתחבולות הטבע

הטבע משופע בדוגמאות של תרכובות, כגון הדנ”א, המתקבלות בדפוסים אחידים בקנה מידה ננומטרי תוך התקבצות-עצמית, אך עד כה חוקרים לא הצליחו לחקות את התהליכים הללו אלא במידה מוגבלת. המחקר החדש, לעומת זאת, מתאר שיטה סינתטית אחת שהצליחה לחקות באופן יעיל את אסטרטגיית התבניות, הנפוצה בטבע, כדי ליצור מבנים ננומטרים במעבדה. בכדי ליצור את החומר החדש, צוות המחקר של סקריפס, בראשותו של נשיא מכון המחקר בעצמו, ריצ'ארד לרנר והפרופסור טובין דיקרסון, התחילו עם תוצר ננומטרי טבעי – נגיף חיידקי או פאג'. ננומטר הינו מיליארדית המטר, או הרוחב של צבר קטן של מספר אטומים ממוצעים. התוצר המסוים שעליו עבדו החוקרים הינו פאג' הקרוי M13. אם מגדילים אותו באופן ניכר, התוצר שווה-ערך, באופן יחסי כמובן, לעיפרון ממוצע שבו החוד והמחק המצויים בקצוות מייצגים את האתרים הפעילים של הפאג' המשפיעים על החיידק. חלבונים אחרים שהינם בלתי-פעילים ביולוגית ומקבילים למעטפת העץ של העיפרון מספקים את המעטפת המבנית של הפאג'. בעודם עובדים עם הפאג' באופן נרחב ביישומים אחרים, הצוות החליט לחקור את אפשרויות השימוש בחלבונים מבניים אלו כתבניות-ייצור אפשריות להכנת ננומבנים. לשם כך, הצוות שינה באופן כימי את מעטפת החלבונים כך שהם יוכלו להימשך ולהיקשר לרכיבים הנדרשים לשם ייצור רצועות פוליאקרילאמיד, פולימר נפוץ להכנת תקרישים (gels) מעבדתיים. השילוב פולימר/פאג' שנוצר ואשר התפתל ספונטאנית לצורת סליל כדוגמת תרכובות דנ”א והרנ”א, יוצר מבנה דמוי-מסרק שבו הפולימרים מייצגים את שיני המסרק. שיניים אלו חוברות יחדיו ויוצרות מוצק גמיש דמוי-גומי.

גמישות מפתיעה

ברגע שהחומר החדש, הידוע כביו-שילוב חלבון/פולימר התקבל, קבוצת המחקר נדהמה לגלות כי כמעט בלתי-אפשרי לבקוע ממנו דוגמית בנפרד. אומנם ניתן היה לחתוך ממנו פיסה, אך כאשר החוקרים ניסו ללחוץ או לדחוס את החומר ככל האפשר, הוא “קפץ” חזרה לצורתו המקורית, כיוון שחלבוני הפאג' היציבים מתפקדים כדבק דמוי-מלט לקבלת חוזק מבני. בחינה מדוקדקת יותר הצליחה להבחין במאפיינים חשובים נוספים. ה”מסרקים” אינם צומחים באופן אחיד לחלוטין – חלק מהם מצמיחים יותר “שיניים” מהאחרים לפני שהם חוברים ונקשרים יחדיו. אולם, כדי שהמסרקים הנפרדים יחברו יחדיו מבחינה כימית עליהם להתקרב מספיק אחד לשני, עובדה המובילה לאחידותם של המרווחים שבין השיניים. מרווחים אלו נמדדו ונמצא כי הם ברוחב של 4 ננומטר ובאורך של מעל מיקרומטר אחד (מיליונית המטר). אחידות זו הינה בסתירה מוחלטת עם תוצאות ניסויים אחרים שהראו כי בערבוב פשוט של הפאג'ים עם הפולימרים, ללא התהליך התבניתי, מתקבל חומר חסר-סדר לחלוטין ברמה המולקולארית שלו. מעניין כי לאחר ייצור החומר הקבוצה גילתה כי חוקר בריטי ערך חישובים תיאורטיים לגביי השאלה כיצד סלילים גמישים – כדוגמת הפאג'ים – יחברו יחדיו לסידור המרחבי בעל האנרגיה הנמוכה ביותר. “זה היה משביע רצון ביותר לגלות כי המתמטיקאים ניבאו באופן מדויק את הסידור שהתקבל אצלנו במעבדה,” אומר דיקרסון.

התחלת השימוש בחומר

למרות שהעבודה הראשונית כוונה בעיקרה להוכחת עיקרון ההיתכנות של השימוש בפאג'ים כתבניות-ייצור, לחוקרים יש כבר מספר יישומים אפשריים. ניתן לייצר כמויות גדולות של הפאג'ים בקלות ובזול ומרכיבי הפולימר מסחריים כולם – כך שניתן להכין את החומר החדש בקלות בכל מעבדה. מאפיינים אלו יאפשרו יישומים כלכליים בעתיד הקרוב. “בעיקרון, חומרים שנוצרו ע”י בקטריופאג'ים הינם משאבים מתחדשים,” אומר החוקר.

התעלות המוגדרות הנוצרות ע”י המרווחים בחומר החדש יכולות להיבנות באופן מבוקר לקבלת מסלולים מדויקים להעברת אלקטרונים ליישום בתחום המיקרואלקטרוניקה, לדוגמא. או שניתן להשתמש בחומרים חדשים בעלי מרווחים מוגדרים מראש שישמשו כמסננים לתרכובות בעלות גודל מסוים, לדוגמא – מדידת נוכחותם וכמותם של חלבונים המצביעים על קיומה של מחלה מסוימת בדגימת דם. יישומים מורכבים יותר יכולים לכלול גם שינוי האתרים הביולוגיים הפעילים של הפאג'ים לשם זיקה בררנית לתרכובות מסוימות, תוך כדי לכידתן בתוככי המרווחים או באופן הפוך – מניעת כניסתן של תרכובות מזיקות.

“אבני-בניין אלו יכולות להיות מדומות לאבני משחק הלגו,” אומר דיקרסון בדבר האפשרויות המגוונות לשימוש. “אתה ממש יכול לחשוב עליהן בצורת מונחים הנדסיים תוך שימוש במקבילות מקרוסקופיות כסלסילות או מכסים או נקבים.” לשם הרחבת רשימת האפשרויות לשימוש, הקבוצה כבר החלה לבחון חומרים נוספים שיוכלו להתקבל בתהליך הבניה הבסיסי של הפאג'ים.