חוקרי מדעי הטבע חוקרים את העולם שסביבם, אך רק מעטים מהם יכולים לנצל את הידע המדעי שצברו כדי לבנות (לסנתז) מבנה כלשהו מאבני הבניין שלו. אסטרונומים ופיסיקאים, למשל, לא יודעים ליצור כוכבי לכת חדשים. כימיה, לעומת זאת, היא מדע שאפשר ליצור בעזרתו חומרים מגוונים, ואפילו מבנים מולקולריים.
במאה השנים האחרונות השקיעו כימאים מאמצים רבים כדי למצוא דרכים יצירתיות לבנות מולקולות שונות ומשונות. הם עשו זאת בעיקר על ידי שבירה ויצירה מחדש של הקשרים הכימיים החזקים שנוצרים בין אטומים כשהם חולקים אלקטרונים (קשרים קוולנטיים). אמנות הסינתזה הכימית שוכללה עד כדי כך שאנו יודעים כיום לבנות תרכובות של מאות אטומים ואף אלפים ולארגן אותן לפי תכנון מוקדם במבנה המרחבי הדרוש לנו.
מרשים ככל שזה נשמע, יכולות ההרכבה האטומיות הללו הן משחק ילדים לעומת פעולות ההרכבה העצמית שמתרחשות באופן טבעי ויומיומי בכל תא חי, ללא יד מכוונת. בכל תא חי מורכבות גם מערכות גדולות שבנויות ממספר רב של מולקולות שאינן קשורות זו לזו בקשר קוולנטי ונקראות "קומפלקסים".
קומפלקס הוא מערכת של מולקולות שקשורות זו לזו על ידי מגוון רחב של קשרים חלשים יחסית, כמו כוחות ון-דר-ולס או קשרי מימן. הקשרים החלשים האלה מאפשרים את קיומם של מבנים ענקיים שבנויים מהמון מולקולות וחיוניים לקיום חיים, כגון הסליל הכפול של הדנ"א. הקשרים הלא קוולנטיים הללו אחראים גם על המבנה התלת-ממדי הייחודי של אנזימים שמאפשר להם לשמש כזרזים, ועל סידור השומנים בקרום התא.
הרכבה עצמית מלאכותית
הקשרים הלא קוולנטיים שנחוצים לתהליך ההרכבה העצמית בטבע מאפשרים גם לשלב מבנים מולקולריים כדי ליצור מהם מבנים גדולים אפילו יותר. חומצות שומן, למשל, מתארגנות יחד ליצירת קרום התא; התאים בתורם מתארגנים לרקמות והרקמות מתארגנות לאורגניזמים כגון בני אדם. האם כימאים יכולים להרכיב מבנים מהרמה האטומית ועד למבנים מורכבים וגדולים, כפי שהטבע עושה בצורה שגרתית?
תהליכי ההרכבה העצמית בכימיה נמצאים כיום בחיתוליהם לעומת היכולות האדירות שפיתח הטבע במשך מיליוני שנים של אבולוציה, אבל לא מן הנמנע שבעתיד יוכלו כימאים לייצר חומרים שירכיבו את עצמם בצורה מתוכננת מראש למבנים מורכבים ובעלי משמעות, בדיוק כמו שעושה הטבע. צעדים ראשונים בכיוון הזה כבר נעשים.
בעשרות השנים האחרונות אפשרו מחקרים לפתח כמה כללי יסוד בקשר ליצירת קשרים חלשים. נמצא למשל שחומרים בעלי תכונות דומות נמשכים זה לזה. היחסים בין חומרים הידרופוביים (ששואפים לא להיות במגע עם מים) לחומרים הידרופיליים (ששואפים למגע של מים) מדגימים את זה היטב. החלקים ההידרופוביים של חלבונים נמשכים זה לזה ונדחים בעוצמה מהמים שבסביבה התאית, לכן, כשהחלבון מתקפל, החלקים ההידרופוביים שלהם מתקבצים יחד בליבת החלבון ואילו החלקים ההידרופיליים נצמדים פעמים רבות זה לזה במעטפת החלבון החשופה למים, כך המים באים במגע רק עם החלקים ההידרופיליים של החלבון.
דוגמה נוספת לכך הן חומצות שומן, שמתקבצות יחד ויוצרות את קרום התא הדו-שכבתי. החלק ההידרופובי של חומצות השומן יוצר יחסי גומלין עם החלקים ההידרופוביים של חומצות שומן אחרות וכך מגביל את האינטראקציה שלהן עם מים. הראשים ההידרופיליים שלהן פונים יחדיו החוצה ויוצרים אינטראקציה עם המים שבתוך התא ומחוץ לו.
כימאים למדו להשתמש בחוקים בסיסיים כאלה כדי להרכיב קומפלקסים מולקולריים פשוטים למדי, אך לעתים שימושיים. למשל הם הרכיבו ממברנה דו-שכבתית (ליפוזום), שהיא מבנה גמיש ואטום למחצה שמאפשר רק לחומרים מסוימים לחדור אותו, ממש כמו קרום התא. הממברנה הדו-שכבתית המלאכותית מאפשרת להוביל תרופות בתוך הגוף לרקמות נגועות במחלות כמו סרטן.
למולקולות מסוימות שתוכננו לעבור הרכבה עצמית יש תכונה מיוחדת – אפשר להשתמש בהן כמתג הפעלה, משום שיש להן היכולת להתנדנד ממצב יציב אחד למצב יציב שני. מולקולות כאלה מציתות את הדמיון בזכות הפוטנציאל הרב שיש להן לשימוש במחשבים עתידיים.
במחשבים מודרניים, המזעור של המעגלים החשמליים נעשה על ידי חיתוך של המרכיבים לגדלים הרצויים. אולם בגדלים המאוד קטנים הטכנולוגיה הזו הופכת יקרה מאוד וגם הולכת ומתקרבת לקצה גבול המזעור האפשרי שלה. בשלב מסוים פשוט ישתלם יותר לבנות את המרכיבים הללו בצורה כימית מלמטה למעלה, ,כלומר מהאטומים הבודדים עד למערכות מורכבות, במקום מלמעלה למטה כפי שנעשה היום.
הקשיים שבדרך
הבעיה היא שלא קל לגרום להרבה מרכיבים מולקולריים להתארגן בצורה מדויקת. מאחר שהכוחות שמדריכים את ההרכבה העצמית של המבנה הם כוחות חלשים מאוד, קשה למנוע יצירה של מבנים מולקולריים שגויים. למעשה, שגיאות הרכבה כאלה נפוצות מאוד אפילו בפעולות ההרכבה העצמית שמתרחשות בתאים חיים.
חלבונים, למשל, צריכים להתקפל למבנה תלת-ממדי מדויק ביותר כדי למלא את תפקידם. הקיפול התלת-ממדי הוא הרכבה עצמית מורכבת, וסביר להניח שכל שגיאה קטנה תיצור פגם רציני בפעילות החלבון. פגמים בתהליך הקיפול של החלבונים מתרחשים באופן תדיר וממגוון סיבות. למזלנו, תהליך ההרכבה העצמית בתא מלווה בתהליך מקביל של בקרת איכות ההרכבה. חלבונים מסוימים בתא יודעים לזהות חלבונים שלא התקפלו כהלכה למבנה התלת-ממדי הנכון שלהם ולפרק אותם לפני שיגרמו נזק.
דוגמה נוספת לכך היא הרכבת מולקולת הדנ"א, שאוצרת את המידע הגנטי שלנו. שגיאות במלאכת העתקת המידע הגנטי מתרחשות פעמים רבות, בכל פעם שתא מתחלק, אולם יש בגרעין התא מערכות רבות שתפקידן לזהות טעויות כאלה ולתקן אותן.
קשה להאמין שכימאים יצליחו לתכנן מערכות הרכבה מולקולרית עצמית רצינית בלי מערכת כלשהי שתטפל במקביל בשגיאות ההרכבה. בד בבד קשה לשער איך יצליחו כימאים להתגבר על המכשול של ייצור מערכות בקרת איכות דומות לאלו שקיימות כבר בתאים חיים. ייתכן שכדי להגשים את היעד השאפתני הזה יצטרכו כימאי העתיד לחקות את האסטרטגיות שבהן נוקט הטבע או למצוא דרך לנצל כלים שכבר קיימים בו כדי ליצור מערכות כימיות מלאכותיות.
תובל בן יחזקאל
המחלקה לכימיה ביולוגית
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בתגובה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
