על עברה ועתידה של הכימיה – ההרכבה העצמית והידע האנושי

פרופ' ג'ין-מרי לן, שהשתתף באירוע לכבוד 60 שנות מדע בישראל שהתקיים בטכניון בשבוע שעבר מדבר על ייצירת חומרים שיוכלו להתארגן בעצמם ברמה גבוהה. הוא גם מתייחס למגמה האנטי מדעית הפושה בעולם: “אי אפשר להפסיק לרצות לדעת” * כתבה חמישית בסדרה

“בראשית היה המפץ הגדול, והיקום התחיל,” כך פתח פרופסור ג'ין-מרי לן את הרצאתו באירוע לכבוד שישים שנות מדע שנערך בטכניון השבוע. לן נמנה על אותם זוכי פרס נובל שהם מרצים בחסד, והוא הוביל את הקהל המרותק מראשית היקום ועד לעתיד המדהים שצפוי לנו.

“אם נסתכל במה שקרה מאז המפץ הגדול, נראה שהכימיה לא היתה שם בתחילה. היקום התקרר די במהירות, וכאשר היה קר מספיק האטומים התחברו למולקולות והכימיה החלה. המולקולות החלו להתחבר ביחד ונוצרו אגרגטים של מולקולות מדהימות, ובסוף התהוו מחיצות שהביאו לתאים הפרימיטיביים. ובתהליך שאיננו מבינים עד הסוף, אך אני בטוח שנבין, נוצרו החיים כפי שאנו מכירים אותם היום. אך החיים לא הסתיימו בנו. הם ממשיכים.”

“מהי השאלה הבסיסית? אולי לא החשובה ביותר, אבל הבסיסית ביותר?” שאל לן בלהט, וענה מיד, “איך חומר הופך להיות מורכב? כיצד חומר הפך להיות מורכב עד לאבולוציה של העולם הביולוגי? אלו צורות גבוהות יותר של חומר מורכב עשויות להיווצר או להתפתח?”

כדי לענות על שאלות אלו, סקר לן את רעיון ההרכבה העצמית (Self Organization). זו הדרך בה היקום פועל, ובה נוצרו גם החיים והמחשבה. כימיה היא המדע המנסה להבין את המבנה של החומר והדרך בה הוא יכול להפוך ממולקולה אחת למולקולה אחרת. וכמובן, לקחת מולקולות וליצור משהו אחר מהן.

לן המשיך בסקירת כימאים שונים בהסטוריה שהראו כי היסודות השונים מתחברים ליצירת מולקולות שונות, וכי כל גוף – דומם או חי – מורכב מסידור כזה של מולקולות. הוא הדגיש במיוחד את חלקו של פרידריך וואלר במהפכה המחשבתית, לאחר שהצליח ליצור במעבדה חומר ביולוגי – שתנן (Urea) – מחומרים מינרליים שאינם חיים. המשמעות האמיתית של הניסוי היתה שאין הבדל אמיתי בין החיים ללא-חיים. מאז סינתזו מדענים מולקולות אורגניות מורכבות רבות.

“מה הלאה?” שאל לן ברגש, “תאים אנושיים אינם נראים לראשונה ככימיה, אך יש בהם הרבה כימיה. תאי דם לבנים נצמדים לתא סרטני והורגים אותו, אבל איך הם יודעים שמדובר בתא סרטני? התשובה היא שלתאים מחוברים חלבונים רבים המזהים אחד את השני. השאלה היא כבר לא מה המולקולות, אלא מה קורה כשהן מתחברות ביחד. וזה כבר מדע הכימיה הסופרא-מולקולרית.”

מדע הכימיה הסופרא-מולקולרית עוסק בין היתר בהבנה כיצד מולקולות מכירות זו את זו ומתחברות זו לזו בצורה ספציפית, בדומה למנעול ומפתח. הכימיה יכולה לנסות להבין ע”י מניפולציה של החומר, איך אפשר לייצר מפתח למנעול או מנעול למפתח.

“ברגע שאנו יודעים יותר אודות הכרה מולקולרית, אנו יכולים לחשוב על שימוש בהבנה זו ליצור חומר שיוכל להתארגן בעצמו לחומר בעל מורכבות גבוהה יותר.” אמר לן. “דוגמא ביולוגית פשוטה היא הוירוסים, המתארגנים מאבני-בניין. וירוס מוזאיק הטבק מורכב מ- 2130 תת-יחידות חלבוניות. תת-יחידות אלו מגיבות אחת עם פני-השטח של השניה, ויכולות להתאים זו לזו וליצור בהדרגתיות מבנה הליקלי הדומה למגדל, שמקיף את מולקולת ה- RNA של הוירוס. כאשר ה- RNA מוקף לגמרי, נשלמה יצירת הוירוס.”

במקרה זה, מסביר לן, תכנית היצור מולקולרית ומתהווה מתוך החלבונים שמתרכבים זה עם זה בשל המבנה שלהם. הקשירה הפשוטה ביניהם – התהליך הסופרא-מולקולרי – מביא לחומר מורכב יותר. האלגוריתם הוא דרך הקשירה בין המולקולות, ואם נשנה אותו נקבל חומר אחר.

“כל זה מראה שהיכולת לשלוט בהרכבה העצמית תהיה מאד חשובה בננו-טכנולוגיה. עד עתה כל המחשבים והדברים שיש לנו נוצרו מתוך שינוי העצמים מהם הם מורכבים. נוכל לדחוס יותר ויותר דברים, אבל אנחנו לא רוצים דחיסות. אנחנו רוצים מורכבות! ככל שנתקדם יותר, נוכל לגרום לחומר לסדר את עצמו.” אמר לן והוסיף כי, ” המחשב המורכב ביותר שיש לנו כיום הוא זה שבין האוזניים שלנו. הוא יכול אפילו לסדר את עצמו, ועושה את זה די טוב. אני חושב שבעתיד נוכל לעשות דבר דומה. יש עוד הרבה זמן עד אז, אבל- There's more room at the top.”

לפי לן, ההרכבה העצמית עובדת מסביב לתכנון. המהנדס מתכנן את הלבנים שלו והן עושות את כל היתר. אך לן לקח את ההרכבה העצמית צעד אחד הלאה, ושאל, ” האם אפשר ליצור חומר שיהיה גמיש מספיק כדי שיבחר מהסביבה את מה שהוא צריך כדי לבנות את עצמו? סידור עצמי זה מתקרב יותר למה שקורה בתהליכים ביולוגיים… אם עושים את זה הרי שאפשר ליצור חומר שירפא את עצמו… ניתן גם ליצור חומרים פולימריים שיכולים להתפרק ועל-ידי כך לחזור למחזור האקולוגי.”

לשם כך עלינו למצוא את הדרכים הנכונות לעצב מולקולות שיוכלו להגיב אחת עם השניה. כיצד ניתן לעשות זאת?

” אם אתה יודע איך נראה המנעול, אתה יכול ליצור את המפתח, על-ידי תכנון מראש. אבל זה לוקח המון זמן, כך שדרך אחרת היא באמצעות יצירת מליוני מולקולות ובדיקה איזו מהן עובדת. אבל זה לא יפה מבחינה אינטלקטואלית. כך שהדרך השלישית היא ליצור מגוון של רכיבים – אבני בניין התחלתיות – שירכיבו את המפתח. אבני-הבניין יתחברו ביחד ליצירת מפתחות רבים, ומהם נוכל לבחור את המפתח הנכון, ואז נוכל לעבוד על המפתח ולשפר אותו יותר ויותר.

בדרך זו,” סיכם לן, “באמצעות כימיה דינמית המתבססת על אבני-בניין וברירה, נגיע לאבולוציה כימית המסוגלת להתפתח ולהתאים את עצמה. ואפילו, נוכל לאמר, דרוויניסטית.”

בדקה האחרונה של הרצאתו בחר לן להתייחס למגמה האנטי-מדעית הגדלה במדינות המערב.

“פרומתאוס כבש את האש. איננו יכולים לתת אותה בחזרה. כשאתה שומע אנשים אומרים שנפסיק את זה, זהלא יתכן. אינך יכול להפסיק ידע או לא לדעת אותו יותר. המסלול שלנו מוליך אותנו מעץ הידע לשליטה על גורלנו שלנו.” המילים המנחות את האדם הן אותן המילים החקוקות במצבתו של המתמטיקאי המפורסם דיוויד הילברט,

אנו חייבים לדעת,

אנו נדע.

• הכתבה הראשונה בסדרה – עשרה חתני פרס נובל קראו לממשלה למנוע את קריסת ההשכלה הגבוהה
• לכתבה השניה בסדרה – פרופ' אברהם הרשקו
• לכתבה השלישית בסדרה – פרו'פ דייויד גרוס
• לכתבה הרביעית בסדרה – פרופ' ישראל אומן