חומצות אמינו בנויות בשתי צורות שהן תמונות ראי זו של זו, אבל רק אחת מהן היא הבסיס לאבני הבניין של החיים. מחקר חדש מנסה להסביר איך זה קרה
"איך היה מוצא חן בעיניך לגור בבית המראה, תולי? מעניין אם היו נותנים לך שם חלב! אולי חלב-של-מראה אינו טוב לשתייה". כתב לואיס קרול בספר "מבעד למראה ומה שאליס מצאה שם" (בתרגומה של רנה ליטוין). ספר ההמשך, שראה אור ב-1871, ליצירת המופת "הרפתקאות אליס בארץ הפלאות".
באותה תקופה כבר ידעו מהי כיראליות, עובדה שכנראה לא נעלמה מעיניו של קרול. אומנם עוד לא ידעו לבודד את מולקולת הראי של לקטוז, הסוכר המרכזי בחלב, אך כיום אנו יודעים שקרול צדק: חלב מבעד למראה הוא אכן לא טוב לשתייה.
יד ימין ויד שמאל הן דוגמה לכיראליות בגוף האדם. יד שמאל מונחת על יד ימין | Greenni, Shutterstock
ראי מעוות
כיראליות היא תכונה יסודית בכימיה. לשתי מולקולות יכול להיות מבנה כימי זהה: יהיו להן אותם אטומים ואותם הקשרים הכימיים ביניהם – אטום פחמן מסוים קשור לאטום מימן מסוים, אטום חנקן מסוים קשור לאטום חמצן מסוים וכולי – אך סידורם במרחב ביחס למרכז המולקולה יהיה שונה, כמו גם פעילותן הכימית ותכונותיהן, כי הן תמונת מראה זו של זו. תמונות המראה האלה לא חופפות זו את זו (non-superimposable) - כמו כפות הידיים שלנו. "כייר" (χειρ) ביוונית היא יד, ומכאן השם כיראליות. ברוח זו הוצע השם העברי "ידנות", אך ההצעה לא אושרה על ידי האקדמיה ללשון העברית.
הבנת הכיראליות קשורה בעבותות לתעלומת ראשית החיים. נראה שיש ביקום כמויות זהות של מולקולות עם כיראליות ימנית ומולקולות עם כיראליות שמאלית. עם זאת, בעולם החי, לסוג מסוים של מולקולות תהיה בדרך כלל כיראליות אחת מבין השתיים. באופן כמעט בלעדי, לחומצות האמינו, שהן הבסיס לחלבונים, אבני היסוד של החיים, יש כיראליות שמאלית, ולסוכרים, שהם מרכיב מרכזי ב-DNA וב-RNA, יש כיראליות ימנית. שנים רבות מנסים להבין מדוע, וכעת מסתמן כיוון חדש ומבטיח במחקר.
פסטר גילה שאחד מגבישי החומצה הטרטרית מסיט את האור, והשני לא. חומרים בעלי כיראליות שונה מסיטים את האור אחרת | magnetix, Shutterstock
כטוב ליבו של פסטר ביין
חקר הכיראליות החל בצרפת באמצע המאה ה-19. לואי פסטר, שלעיתים מוכתר כאבי המיקרוביולוגיה המודרנית, היה בראש ובראשונה קריסטלוגרף, חוקר גבישים. ב-1848, בראשית דרכו המחקרית, הוא בחן גבישים של חומצה טרטרית, חומצת יין שנתנו לו ייננים צרפתים שביקשו לשפר את איכות היין. הוא גילה שגבישים שונים של החומצה הזאת מגיבים בצורה שונה לאור מקוטב, שהוא אור שמתקדם בכיוון מוגדר אחד. אחד הגבישים מסיט את האור, אך גביש אחר לא מסיט אותו; זו תכונה מובהקת של חומרים כיראליים. שני סוגי הגבישים הם תמונת מראה זה של זה – אננטיומרים (enantiomers) בז'רגון הכימי; אולם, כיצד נקבע אם מולקולה היא ימנית או שמאלית? השאלה המהותית הזאת נותרה בגדר תעלומה.
אחרי כמאה שנה, הכימאי ההולנדי יוהנס בייפוט (Bijvoet) פיתח שיטה לזיהוי מולקולות כיראליות על סמך תכונותיהן המקרוסקופיות – פיזור האור עם קרני רנטגן, שיטה שנחשבה אזוטרית כי היא דורשת ידע מתקדם בטכניקות רנטגן.
בשנות ה-80 במאה שעברה הוכיחו הפרופסורים מאיר להב ולסלי ליזרוביץ מהמחלקה לכימיה של פני שטח במכון ויצמן, עם שותפיהם למחקר, שיש קשר בין המבנה הפנימי והחיצוני של הגביש לבין הסימטריה המרחבית שלו, ובפרט הכיראליות שלו, כלומר בין המבנה של מולקולה בודדת לבין המבנה המקרוסקופי. כך, אחרי 140 שנות תעלומה, הצליחו החוקרים לזהות איזו מולקולה היא שמאלית ואיזו ימנית. כך נפתח תחום מחקר חדש: סטריאוכימיה של גבישים אורגניים. סטריאו ביוונית פירושו מוצק, ובהשאלה – מרחבי, וסטריאוכימיה היא מדע המרחב והמבנה של גבישים אורגניים. הסטריאוכימיה חיונית לפיתוח תרופות על בסיס ההבנה של מנגנונים לגדילת גבישים במערכות ביולוגיות, למשל במחלת המלריה. על תרומותיהם אלה זכו להב וליזרוביץ בפרס ישראל לחקר הפיזיקה והכימיה ב-2016 ובפרס וולף לכימיה ב-2021. בהרצאה שנתן להב עם צירופו לאקדמיה הלאומית הישראלית למדעים, הוא הדגים כיראליות בחיי היומיום: במחווה רשמית כגון לחיצת יד, שתי ידיים ימניות נפגשות, ואילו במחווה רומנטית כגון החזקת ידיים, יד ימנית פוגשת יד שמאלית.
לכיראליות יש עוד ביטויים, שחלקם הרסניים. התרופה תלידומיד, שנשים בהיריון לקחו נגד בחילות בראשית שנות ה-60, גרמה ללידתם של תינוקות עם מומים חמורים בגפיים. האננטיומר הימני של מולקולת התרופה מקל על בחילות, אך התברר שהאננטיומר השמאלי גורם לעובר נזקים בלתי-הפיכים. באירופה התרופה שווקה ללא מרשם רופא, אך בארצות הברית הרופאה הערנית פרנסיס קלסי (Kelsey) הטילה ספק בבטיחותה ואסרה על שיווקה. על כך קיבלה מהנשיא קנדי את עיטור הנשיא על שירות אזרחי פדרלי נכבד.
מימין תלידומיד בעל כיראליות ימנית, שגרם למומים בעוברים ומשמאל הימני, נוגד בחילות. שני אננטיומרים של מולקולת תלידומיד, מרכז המולקולה בצהוב | Alfred Pasieka / Science Photo Library
אלה החיים
למה מולקולה מסוימת היא כיראלית? למה מולקולה כיראלית מסוימת נפוצה יותר בעולם החי? גם אם בראשית ימיו של כדור הארץ היה בו עודף של מולקולות עם כיראליות שמאלית, לא הייתה ערובה לכך שהעדיפות תתקיים לאורך זמן. לשם כך אולי נדרש כוח חיצוני שיתחזק את ההטיה לשמאל. מחקר חדש שהתפרסם בכתב העת Nature ניסה לפתור את החידה הזאת.
החוקרים, ממכון סקריפס בסן דייגו, ניסו להתחקות אחרי שלבי הגדילה הראשוניים של גבישים כיראליים. הם האיצו היווצרות של דיפפטידים, תצמידים של שתי חומצות אמינו, באמצעות זרז גופרתי שהיה אמור להיות רגיש לכיראליות של החומצות. הם בחרו חומצות אמינו מסוימות וזרז גופרתי וערכו ניסויים בסביבה מימית כדי לדמות תהליכים כימיים שכנראה קרו בעת התפתחות החיים. התוצאות היו מפתיעות: 80 אחוז מהדיפפטידים שנוצרו היו הטרוכיראליים, עם חומצת אמינו אחת שמאלית והשנייה ימנית, ושאר 20 האחוזים היו הומוכיראליים – שתי חומצות האמינו עם כיראליות זהה. פסלו של אוגוסט רודן (Rodin), "הקתדרלה", הוא הדגמה ציורית לכך: יש בו שתי ידיים ימניות שנכרכות זו בזו, בדרך שאדם לא יכול לחקות.
"חשבנו שאלה חדשות רעות", אמרה דונה בלקמונד (Blackmond), החוקרת הראשית שהייתה שותפה לכתיבת המאמר: ההנחה הייתה שההטיה תתפוגג בחלוף הזמן ככל שייווצרו חלבונים חדשים. אם מניחים שהמולקולות שמעידות על חיים הן שמאליות, הממצא לא מסביר איך ההטיה נשמרה מיליארדי שנים; הרי רוב התצמידים שנוצרו הם הטרוכיראליים, ואילו מקרומולקולות יסודיות, למשל DNA, הן הומוכיראליות.
משמאל חומצת אמינו בעלת כיראליות שמאלית שיכולה להרכיב שרשרת חלבונית ומימין תמונת המראה שלה. חומצות אמינו | Jacopin / Science Photo Library
אפקט הדומינו
החוקרים התחילו את ניסויי הגדילה של הדיפפטידים מתערובת עם עודף קל של חומצות אמינו שמאליות – 60 אחוז. אומנם נוצרו דיפפטידים הטרוכיראליים, אך היו מעורבות בכך כמויות זהות של מולקולות ימניות ושמאליות, וכך ההטיה הראשונית נשמרה בתהליך. כך גדלה הסבירות שייווצרו דיפפטידים הומוכיראליים שמאליים שמבוססים רק על המולקולות השמאליות.
"זה כמו אפקט דומינו", אמר מת'יו פאונר (Powner), כימאי החוקר את ראשית החיים, שמחקריו קדמו למחקר הנוכחי. לדבריו, התגובה ההטרוכיראלית הראשונה מעודדת את היצירה של יותר מולקולות הומוכיראליות. "זה תהליך שתקף לכל חומצות האמינו".
הגילוי החדש לא מספיק. בניסויי המשך נמצא שדיפפטידים הטרוכיראליים יוצרים משקעים בתוך תמיסה מהר יותר תוך כדי התגובה, בהשוואה לדיפפטידים ההומוכיראליים. עוד לא ברור לחוקרים מה גרם לפער הזה, אך הם סבורים שמדובר באפקט הטיה נוסף שמשמר את העדיפות של מולקולות מסוג אחד. ניסויי המשך ינסו בוודאי להרחיב את הממצאים החדשים לשרשראות פפטידיות ארוכות יותר, שכוללות יותר משתי חומצות אמינו.
הדרך להבנת סוד החיים ארוכה ומפותלת. אף פעם לא נפסיק ללכת, אך בעת המסע, הבה לא נשכח להביט במראה.
