כאשר כימאים מעוניינים לייצר כמות רבה של חומר – כמו במקרה של תרופה חדשה – הם לרוב פונים לזרזים (קטליזאטורים, catalysts), תרכובות המזרזות תגובות כימיות
למשימות רבות נדרשים זרזים בעלי ספציפיות גבוהה, ומציאת האחד שמבנהו מתאים בדיוק לקישור עם תרכובות מסוימות הינה מורכבת. זרזים טבעיים, כגון אנזימים בגוף האדם המסייעים לנו בעיכול המזון, מצליחים לפעול באמצעות שינוי המבנה שלהם בכדי להתאים למשימה. הכימאים לא הצליחו להתקדם רבות בהכנת תרכובות סינתטיות אשר תוכלנה לחקות את ההתנהגות החשובה הזו – עד עכשיו.
כימאים מאוניברסיטת אוהיו הכינו זרז סינתטי המסוגל להתאים את מבנהו המולקולארי למבנה ספציפי הנדרש למשימה ספציפית, בדומה לזרזים הטבעיים. בניסויים מעבדתיים, החוקרים הצליחו לגרום לזרז סינתטי – תרכובת דמוית-אנזים המבצעת הידרוגנציה, תגובה המשמשת בעיבוד שמנים בתעשיית המזון – להתקפל למבנה ספציפי, או לתמונת הראי שלה (האננטיומר).
היכולת לייצר במהירות זרז בעל מבנה נדרש תהווה ברכה לתעשיות הכימיות והרוקחיות, אומר Jonathan Parquette, פרופסור לכימיה באוניברסיטת אוהיו. אופן ההתקפלות של תרכובת קובע את המבנה והתפקוד שלה, מסביר הפרופסור. זרזים טבעיים משנים את מבנם שוב ושוב בתגובה לאותות כימיים שונים – כפי שעושים האנזימים בגוף.
כאשר המדענים זקוקים לזרז בעל מבנה או תפקוד ייחודי, הם מסנתזים אותו באמצעות תהליך המורכב מניסויים וטעויות רבים. “אין זה בלתי-שיגרתי לסנתז עשרות זרזים שונים לפני שמקבלים את המבנה הדרוש,” אומר החוקר הראשי. “התרומה החשובה ביותר של מחקר זה טמונה בעובדה שהוא יספק להם דרך פשוטה ומהירה לקבלת הזרז הנדרש.”
הזרז במחקר זה הינו אב-טיפוס בלבד לכל התרכובות האחרות שהכימאים מקווים לייצר, אומר אחד מעמיתי המחקר. “בסופו של דבר, אנו מעוניינים לייצר זרזים לתגובות רבות אחרות תוך שימוש בעקרונות הבסיסיים שחשפנו במחקר הזה,” אומר החוקר. במחקר זה החוקרים סנתזו סדרת זרזי הידרוגנציה במעבדה ואילצו את התרכובות לשנות את המבנה שלהן. השיטה שהכימאים פיתחו מתבססת על דחיפת אטומים מסוימים הנמצאים בהיקף תרכובת הזרז בכיוון הנכון לשם תחילת השינויים במבנה. השינוי מתקדם לעבר קשר כימי חשוב באמצעה של התרכובת. הקשר מתנדנד כעין ציר ומוביל לפיתול בכיוון מסוים אחד המתפשט לעבר כל שאר התרכובת.
בניסויים, הכימאים גרמו לזרזים להתפתל לצד אחד או אחר ליצירת תוצר כימי מסוים או תמונת הראי שלו (האננטיומר המתאים). המבנים השונים בכל שלב ושלב אוששו תוך שימוש בשיטות מדידה מתקדמות כגון תהודה מגנטית גרעינית (NMR). הממצא המרתק ביותר של הכימאים היה בכך שהתרכובות אינן מאמצות לעצמן מבנה יחיד – הן מסתדרות בהתאם לסביבה הקרובה שלהן, כלומר, האות הכימי המתקבל מהחוץ.
“בכדי שתגובות כימיות רבות יפעלו, על התרכובות להתאים לזרז כמו שיד מתאימה לכפפה,” אומר החוקר. “התרכובות הסינתטיות שלנו מיוחדות בשל גמישותן. לא משנה, בדומה לדימוי הפשטני, אם היד קטנה או גדולה – ה”כפפה” תשנה את צורתה בכדי להתאים לה, כל עוד קיימת עדיפות כימית מועטה ביחס לאחת מהידיים. ה”כפפה הגמישה” תמצא דרך להתאים יותר ובכך תסייע בייצור של אחד מהמבנים הנדרשים בלבד.”
למרות עשורים של מחקר, מדענים לא בטוחים בדיוק כיצד התפשטות זו מתרחשת. ייתכן כי היא קשורה לקוטביות של חלקים שונים בתרכובת, או לסביבה הכימית המקיפה את קצוות התרכובת. אך החוקר הראשי טוען כי המחקר החדש מדגים שההתפשטות הזו יכולה לשמש להכנת זרזים סינתטיים היכולים לשנות את צורתם במהירות וביעילות – רעיון מדעי שלא נחקר בעבר. השימוש בתרכובות סינתטיות סתגלניות יוכל אפילו להאיץ את גילויים ופיתוחם של זרזים חדשים.
