חדש: כלוב זעיר גדול במיוחד

אחד מתחומי המחקר הבולטים כיום בכימיה הוא פיתוחם של "כלובים מולקולריים", כלומר רשתות רחבות של מולקולות שיוצרות מבנה בעל חללים שיכולים לאכלס מולקולות קטנות יותר. לאחרונה פיתח צוות מחקר מדבלין כלוב מולקולרי גדול במיוחד. לדברי החוקרים, יש לו פוטנציאל לאפשר שימושים רבים ויעילים במיוחד במולקולות כאלה.

אפשר להגדיר כלובים מולקולריים כרשת של קשרים בין אטומים שיוצרים קומפלקס סגור, כלומר כלוב. אטומי הכלוב יכולים להיות קשורים ביניהם בחוזקה, או להשתמש בקשרים חלשים יחסית שיאפשרו להמיר בין רכיבים שונים של הכלוב ולשנות את תכונותיו ואת צורתו. לרוב תפקיד הכלוב הוא "לארח" מולקולות אחרות, שמסוגלות לחדור לחללים שבו ולהיקשר בהם באופן יציב.

בהתאם לתכונות הכימיות של הכלוב, מולקולות האורח יכולות לעבור בתוכו תגובות כימיות ולהשתנות, בדומה לנעשה על ידי אנזימים במערכות ביולוגיות. לחלופין הן עשויות להישאר קשורות עד שישתחררו בתגובה לתנאי סביבה שמשנים את מבנה הכלוב כך שאינו מסוגל עוד להחזיק בהן. כך אפשר למשל להביא תרופות ישירות ליעדן ולהגביר את יעילותן.

התרחבות תחום המחקר הביאה לפיתוחם של כלובים מולקולריים מגוונים, אך עד כה הם היו מוגבלים ביכולתם לקלוט ולשחרר חומרים במהירות מספקת, או שלא היו גדולים מספיק כדי לתמוך בתגובות מורכבות או לאחסן מולקולות גדולות. המחקר החדש, שהתפרסם בכתב העת Nature Communications, מציג כעת כלוב מולקולרי עצום ובעל כמה חללים שונים, שמסוגלים תאורטית לאכלס כמה סוגי מולקולות בעת ובעונה אחת. למעשה, גרם אחד של החומר החדש הוא בעל שטח פנים של כ-4,000 מטרים רבועים – כמעט כמו מגרש פוטבול שלם.  הכלוב נבנה בתגובה אחת בין נחושת לבין מולקולה אורגנית המסוגלת, עם מולקולה נוספת, לקשור שלושה זוגות אטומי נחושת. בצורה זו נוצר כלוב סגור שקודקודיו מוגדרים על ידי אטומי הנחושת וצלעותיו על ידי המולקולה האורגנית.

צפו בסרטון הממחיש את המבנה המולקולרי של הכלוב (מקור: פרופ' וולפגנג שמיט, טריניטי קולג', דבלין):

על פי וולפגאנג שמיט (Schmitt), כימאי מאוניברסיטת דבלין ומוביל המחקר, הצוות יצר למעשה "כלי כימי או ספוג מולקולרי שמסוגל להחזיק מולקולות שונות עד שאוסף של תנאים ספציפיים מצית בהן חיים". הכלוב שנוצר, לדבריו, "הוא בין הגדולים שיוצרו אי פעם ומורכב מכמה תת-כלובים שמספקים כמה אתרי קישור שונים. לחללים בגודלם הננומטרי יש פוטנציאל לשנות את התגובתיות ואת התכונות של מולקולות שנמצאות בתוכם, וכך הכלובים יכולים לסייע לזירוז תגובות כימיות ולחקות אנזימים ביולוגיים".

שינויים נוספים בהרכב הכימי של הכלוב החדש עשויים להקנות לו תכונות נוספות שיהפכו אותו לבסיס עבור חיישנים או נשאי תרופות. כלוב מולקולרי מתוכנן כראוי יהיה מסוגל לאחסן תרופה ולשנות את מבנהו בתגובה לאתר המטרה שלה בלבד. כך התרופה תשתחרר ותפעל נגד מטרתה – למשל גידול ממאיר – באופן ספציפי תוך צמצום תופעות הלוואי שלה. החוקרים אף מקווים לפתח כלוב מולקולרי מגיב לאור וכך להמיר אור שמש לאנרגיה כימית בדומה לנעשה בתהליך הפוטוסינתזה בצמחים.