מותק, את ערה? נראה לי שעליתי על משהו! על הגברת DNA

באחד מימי שישי של אביב 1983 נהג קארי ב. מאליס (Mullis), דוקטור לביוכימיה שהועסק במשרה אפורה למדי בחברת ביוטכנולוגיה, מכיוון ברקלי למחוז מנדוסינו בקליפורניה, שם היתה לו בקתה ביער. את הדרך בחר לעשות בשעת לילה, עם חברתו ג'ניפר שישנה במושב לידו.

באותה תקופה הוכנסו לחברה בה עבד מכונות אשר הפכו את עבודתו של מאליס להרבה יותר קלה וכך נותר לו זמן פנוי לעסוק ביוזמות משלו. למאליס היה רעיון לשיפור משמעותי בשיטה המקובלת לריצוף DNA (קביעת סוג הבסיסים המרכיבים קטע DNA נתון) והוא ניצל את זמן הנהיגה הארוך לחשוב.

מאליס לעולם לא יצליח לממש את הרעיון המקורי שלו לשיפור ריצוף DNA. אך בזמן אותה נהיגה ומתוך המחשבות איך לפצח את הבעיה עלה במוחו רעיון לדרך פשוטה להפליא לשכפול מאסיבי של מקטעי DNA. רעיון זה יוביל אותו לפיתוח שיטת ה-PCR (קיצור של Polymerase Chain Reaction) ולקבלת פרס הנובל בכימיה לשנת 1993 על התגלית.

מכשיר PCR מעבדתי. המקור: וויקיפדיה.

נתחיל מההתחלה: מהו DNA?

ה-DNA (קיצור של Deoxyribonucleic Acid) הוא מולקולה ענקית שנמצאת בכל תא ושמכילה את הקוד הגנטי, כלומר את המידע התורשתי והוראות היצירה והתפעול מרמת החלבון הבודד ועד האורגניזם השלם. ה-DNA מורכב מרצף ארוך של ארבעה סוגי נוקליאוטידים (סוג של תרכובות אורגניות) המסודרים בזוגות אלה מול אלה בצורת סליל כפול (ראו איור). אותם ארבעה נוקליאוטידים מסומנים באותיות A,T,C ו-G לפי האות הראשונה בשמם ודרך קשרים כימיים תמיד מסתדרים בזוגות A-T ו-C-G.

שיכפול DNA. המקור: וויקיפדיה.

בזמן חלוקת התא מתבצע שכפול של ה-DNA. ישנם כמה מנגנונים של חלוקת תא ושל שכפול DNA אך העיקרון הכללי דומה. אזור מסוים בסליל הכפול "נפתח", כלומר הנוקלאוטידים משני הצדדים נפרדים. אנזים הנקרא DNA polymerase 'נוסע' על הסליל הבודד ומשלים עליו נוקליאוטידים מתאימים מהסביבה הנוזלית בקרבתו (ראו איור). הפולימראז תמיד מתחיל את פעולתו מאזור בו יש מפגש בין סליל בודד לכפול ומשם 'נוסע' על הסליל הבודד ומשלימו לכפול.

אאוריקה!

בתקופה שקדמה לאותה נסיעה גורלית הועסק מאליס בחברת ביוטכנולוגיה בייצור פיסות DNA קטנות (אוליגונוקלאוטיד או פריימר) שאותן ניתן לקשור לסליל בודד ואז להשתמש בהן כנקודת התחלה עבור הפולימראז. כפי שהוזכר, היה לו רעיון כיצד לשפר את תהליך ריצוף ה-DNA. בזמן הנסיעה הוא ניסה לפתור בעיה שהטרידה אותו בפיתוח התהליך: נוקליאוטידים שהיו בתמיסה שבה מתבצע הריצוף היו עלולים להפריע לתהליך אותו ניסה לפתח.

הפתרון שלו היה להפריד את הסליל הכפול לשני סלילים בודדים על-ידי חימום, להוסיף לתמיסה פריימרים לשני הסלילים וגם כמות מסוימת של פולימראז. הפולימראז, שיפגוש את הסלילים הבודדים והפריימרים, יתחיל להשלים את הסלילים. לצורך זה הוא ישתמש בנואוקלודיטים שבתמיסה: ובתוך כך 'ינקה' אותה. ואז נדלקה נורה מעל ראשו ברגע של אאוריקה!

מאליס הבין שהתהליך שהוא מתאר בדמיונו יכול לשמש לשכפול מאסיבי של מקטע DNA מסוים. כדי להבין את המשמעות של מה שגילה מאליס ואיך זה עובד נעבור שלב אחרי שלב בתהליך ונבחן את תוצאותיו.

שיטת ה-PCR

מתחילים מסליל אחד כפול וארוך של DNA. מחממים את התמיסה (המכילה פריימרים ונוקליאוטידים ואת הסליל הכפול) לטמפרטורה של כ-95 מעלות צלזיוס בה הסליל הכפול מתפרק לשתי פיסות בודדות. מורידים את הטמפרטורה ל-50-65 מעלות והפריימרים ששמנו בתמיסה נקשרים למקומות המתאימים להם על גבי הפיסות. כעת משנים את הטמפרטורה לכזאת שמתאימה לפעולת הפולימראז שמשלים את הפיסות הבודדות לכפולות. לסליל ה-DNA יש כיווניות בצורה שבה הוא בנוי ומסיבה זאת הפולימראז ישלים את פיסת ה-DNA הבודדת תמיד לצד אחד ולאותו כיוון. זהו סוף הסיבוב הראשון (ראו איור). שימו לב כי לא חזרנו למצב הראשוני. שתי הפיסות הכפולות החדשות מכילות פיסה אחת קטועה.

איור סכמטי של שיטת ה-PCR: סיבוב ראשון.

כעת מבצעים שוב את אותו תהליך: פירוק, פריימרים והשלמה על ידי הפולימראז. בסוף הסיבוב השני, מהפיסות הבודדות הקטועות בצד אחד תיווצרנה פיסות בודדות הקטועות משני הצדדים (ראו איור). בסיבוב השלישי נקבל מפיסה בודדת הקטועה משני צידיה פיסה כפולה הקטועה משני צידיה (ראו איור). הפיסה הזאת היא החלק ב-DNA המקורי שתחום בין שני הפריימרים. בכל שלב נוסף פיסה כפולה המורכבת משתי פיסות קטועות תשוכפל ולכן כל שלב נוסף יכפיל את מספר הפיסות האלו פי שתיים. זה אומר שמספרם יגדל באופן מעריכי וכמות הפיסות מהסוגים האחרים בתמיסה יהפך בטל בשישים.

איור סכמטי של שיטת ה-PCR: סיבוב שני שלישי וכל השאר.

סוף דבר

מה שהתקבל בתמיסה זה מקטע DNA שהוגדר מראש על ידי הפריימרים ושוכפל בכמויות אסטרונומיות כרצוננו. גם אם היו בתמיסה המקורית פיסות DNA לא רצויות (אולי זיהום) הן לא יוגברו. לכן ניתן לקחת במעבדה כמות זעירה של DNA ולהגדיל אותה לרמה שאותה יכולים המכשירים במעבדה לזהות. השיטה קידמה מאוד את המחקר בתחום מדעי-החיים והרפואה. בנוסף ניתן לאסוף דגימות מזעריות של DNA מזירת פשע ולהגביר אותן לשם זיהוי. ולבסוף, ה-PCR משמש גם לזיהוי מחלות מסוימות.

במשך הזמן הוכנסו שיפורים לשיטה כגון שימוש בפולימראז המופק מבקטריה הנקראת Thermus aquaticus שנמצאה במעיינות חמים והיא חסינה לטמפרטורות גבוהות. פולימראז זה אינו מתפרק בתמיסה בגלל החום (כפי שהיה קורה בעבר) ולכן אין צורך לחדש את המלאי שלו תוך כדי התהליך.

מאליס היה 'טיפוס' (במלעיל) ובאוטוביוגרפיה שלו מ-1998 הביע חוסר הסכמה עם הקונצנזוס המדעי בקשר לאיידס, התחממות גלובלית ואפילו אסטרולוגיה, וטען לקונספירציות כאלו ואחרות. אני מעדיף לחשוב עליו כממציא שיטת ה-PCR וכאדם שתמיד יגרום למדענים בני זמנו לשאול: מי זה המאליס הזה ואיך אני לא חשבתי על זה קודם? הרי הכול כבר היה שם!

לקריאה נוספת:

ההרצאה שנתן מאליס בטקס קבלת פרס הנובל

הסבר קצר על PCR באתר של מכון דוידסון הכולל שני סרטוני Youtube מתורגמים לעברית.

פרק באלכימיה מודרנית: איך לבנות חומרים חדשים ומופלאים ואז להעלם

האלכימאים של ימי קדם רצו (בין היתר) למצוא דרכים להפוך מתכות פשוטות למתכות יקרות ולגלות את הכוחות המאגיים הטמונים בחומרים שונים.

בשנת 2000 הוצג לעולם חומר חדש אשר הראה תכונות מוזרות שלא היו קיימות בשום חומר אחר בטבע. אותו חומר, מעשה ידי אדם, נוצר על ידי סידור במרחב של אבני בניין פשוטות. חומרים חדשים אלו מכונים 'מטא-חומרים'. בהמשך התגלה כי ניתן לנצל חומרים אלו לשלל יישומים מופלאים למשל מתקני הסוואה והעלמות (cloaking device, כן, כן, כמו ב-'מסע בין כוכבים' ו-'הטורף').

מי הם האלכימאים החדשים, מהם אותם מטא-חומרים וכיצד ניתן להעלם בעזרתם? על כך ברשימה הבאה.

'האלכימאי', ציור מאת ג'וזף רייט, משנת 1771. המקור: וויקיפדיה.

הכל החל עם סר ג'ון פנדרי (Pendry), פיזיקאי מהאימפריאל-קולג' בלונדון ששימש גם כיועץ לחברת טכנולוגיה שעסקה בייצור חומרים מבוססי פחמן אשר יכלו להסתיר ספינות מלחמה מראדאר. פנדרי גילה כי היכולת של החומר לספוג את הקרינה נבעה לא מסוג החומר אלא בעיקר מצורת הסיבים הארוכים שלו. אז עלה במוחו הרעיון שאפשר יהיה לשלוט בתכונות של חומר על ידי כוונון המבנה הפנימי שלו בסקלה הקטנה מאורך הגל שעליו החומר אמור להשפיע.

ניקח אתנחתא הכרחית מהסיפור כדי להבהיר כמה מושגים בסיסיים (יותר או פחות). מה משותף לקרני רנטגן, אור על-סגול (UV), האור הנראה, קרינה אינפרא-אדומה, קרינת מיקרוגל וגלי רדיו? למעשה הם כולם שמות לאותה תופעה: קרינה אלקטרומגנטית. מה שמבדיל ביניהם הוא אורך הגל. הקרינה האלקטרומגנטית נוצרת משילוב של שדות חשמליים ומגנטיים משתנים ומכאן שמה.

הספקטרום האלקטרומגנטי ואורך הגל. מקור חלקי: וויקיפדיה.

האינטראקציה של קרינה אלקטרומגנטית עם חומר תלויה בתגובה של החומר לשדה חשמלי ולשדה מגנטי. אחד הדברים הנובעים מהאינטראקציה זאת הוא שבירה של אור במעבר תווך. אור העובר למשל מאוויר לזכוכית, חלקו מוחזר כמו ממראה וחלקו עובר לזכוכית ונשבר לפי חוק סְנל (ראו איור). אך שום חלק מהאור לא מקיים למשל את התרחיש הימני בציור [1]. כך קבע הטבע. לכן הדברים שניתן לעשות עם אור הם מוגבלים לשימושים המוכרים באופטיקה כגון עדשות.

אבל…אם נדמיין עולם שבו למשל התרחיש השלישי אפשרי, אז נוכל לעשות דברים שהאופטיקה הקיימת אינה מאפשרת. כמה חבל שאין בעולמנו חומר טבעי שכזה. רגע…אולי ניבנה אחד כזה בעצמנו?

חוק סְנל אנד ביונד.

ג'ון פנדרי, זוכרים אותו? זה בדיוק מה שהוא הגה במאמר תיאורטי ופרסם את זה בכתב עת מדעי בשנת 1999. הרעיון הוא שעל ידי הטמעת מערך מסודר של לולאות נחושת קטנות (שאינן מגנטיות באופן טבעי) בתוך חומר אחר ניתן יהיה לעורר תגובה מגנטית. בתגובה לקרינה, נוצר על הלולאות זרם חשמלי המייצר שדה מגנטי (תופעה דומה מתרחשת באנטנות הקולטות גלי רדיו). את אופי התגובה המגנטית נוכל להנדס לפי דרישה על ידי קביעת המבנה.

שנה לאחר מכן מומש הרעיון על ידי דייוויד סמית, פיזיקאי ניסיוני אז מאוניברסיטת קליפורניה וכיום מאוניברסיטת דיוק. בהסתמך על הרעיונות של פנדרי הוא הצליח ליצר חומר שהתגובה שלו לשדות מגנטיים וחשמליים הייתה כזאת שלא קיימת בטבע [2].

מערך טבעות נחושת ליצירת מטא-חומר עם מקדם שבירה שלילי. המקור נאס"א, לקוח מוויקיפדיה.

כעת, כאשר בידי המדענים דרך ליצר חומרים חדשים בעלי תכונות אשר לא היו קיימות לפני כן בטבע, היה זה רק עניין של זמן עד שיישומים אקזוטיים יחלו לבצבץ. למיודעינו פנדרי היה רעיון כיצד לנצל את החומרים החדשים להסתרת חפצים ובמהלך כנס הזכיר את גלימת ההעלמות של הארי פוטר. זמן קצר לאחר מכן פנה אליו סמית והודיע לו שבכוונתו לבנות מתקן העלמות כזה. ואכן ב-2006 הציגו שניהם מכשיר העלמות. כיצד עשו זאת?

אנו רואים דברים מכיוון שאור נתקל בהם, משנה מסלולו על ידי החזרה או שבירה ומגיע אל עינינו. מכיוון שבעזרת מטא-חומרים אנו יכולים לשלוט על התגובה לאור באופן נקודתי, הרעיון הוא לגרום לאור לעקוף את המכשול ולהתאחד חזרה לגל המקורי כך שלא יהיה ניתן לדעת שהיה מכשול. דבר זה דומה לאבן בולטת המפריעה לזרימה של מים בנחל. המים עוקפים את האבן מצידיה. אם נתרחק מהאבן מספיק לא נוכל לדעת על פי צורת הזרימה על קיומה של אותה אבן. הרעיון מודגם יפה בסרטון שהפיקה האוניברסיטה עם הפרסום. הם שמו גליל מתכת, הקרינו עליו בקרינת מיקרוגל והראו שכאשר הם הציבו את מתקן ההעלמות סביבו הקרינה במרחב מתנהגת כאילו הגליל איננו.

וכעת הזמן לפזר מעט את האופטימיות. א) ההדגמה היתה בקרינה בתחום המיקרוגל ולא באור הנראה. זאת מכיוון שקל יותר לבנות את המבנים הדרושים להסתרה: האלמנטים צריכים להיות קטנים מאורך הגל ובמיקרו גלים הוא יחסית גדול. ב) המתקן היה מותאם לתחום צר מאוד של אורכי גל אך הראיה שלנו היא בתחום רחב של אורכי גל (400-700 ננומטר). כלומר כיום מתקן כזה יוכל לדוגמא להעלים רק את הצבע הצהוב אבל לא את כל התמונה. ג) ישנן בעיות של בליעת אור במתקן שפוגעות באפקט ההסתרה. אם אור נבלע במתקן, גל האור שאחריו אינו זהה לגל האור שלפניו. ד) כיום ניתן להסתיר רק חפצים קטנים.

אך בעיות במדע וטכנולוגיה טיבן להיפתר בדרך זו או אחרת וכבר ב-2009 התפרסמו עבודות על מתקני הסתרה בתחום אורכי-גל רחב יותר. כולי תקווה שכבר החלו לעבוד על מכשירי אנטי-העלמות.

לקריאה נוספת:

Metamaterial Revolution: The New Science of Making Anything Disappear – Discover magazine

דר. אהרון האופטמן על 'גלימת העלמות טכנולוגית'

דר. גלי וינשטיין על 'להיעלם עם הארי: מדענים מפתחים גלימת היעלמות'.

—————————————————————————————

[1] למי שלמד פיזיקה: בכדי לקבל את התרחיש הימני אני צריך מקדם שבירה שלילי לחומר הימני וחומר כזה אינו קיים בטבע.
[2] בעצם הם הצליחו ליצור מבנים אשר הגיבו לשדה אלקטרומגנטי כמו חומרים בעלי פֶרְמיטיביות (מקדם דיאלקטרי) ופֶרְמאביליות שליליות כאשר חומרים כאלו, כאמור, לא קיימים בטבע.