Archive

Archive for אוגוסט, 2013

רכילות, להג והמדען הטוב ביותר בעולם

אחד הויכוחים הישנים, הטרחניים והמשעשעים ביותר בספורט נסוב סביב השאלה מיהו הטניסאי הגדול בכל הזמנים. בשנה שעברה שודרה בארה"ב תוכנית טלוויזיה שבה דורגו 100 הטניסאים הטובים בכל הזמנים. שלושת הראשונים ברשימה היו רוג'ר פדרר (Federer), שטפי גראף (Graf) ורוד לייבר (Laver). הבעיה היא שכל אחד מהם שיחק בתקופות שונות, מול יריבים שונים, מבנה הטורנירים וכספי הזכיות היו שונים ואפילו הציוד היה שונה באופן מהותי והוביל לסגנונות משחק שונים. גם אם ניתן לבחור קריטריון כלשהו כגון מספר זכיות בטורנירי גראנד-סלאם אין באמת דרך להכריע בסוגיה בצורה משכנעת. ולמרות זאת, הדיון מבדר ומידי פעם משעשע לחזור אליו.

Steffi_Graf_2005

תמונה 1: שטפי גראף בפריס 2005. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Wikigo.

***

לפני מספר שנים התארחתי להשתלמות קצרה במרכז מחקר גדול לביופיזיקה באוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין, שהיא אחת האוניברסיטאות הטובות בארה"ב. אחד משני המנהלים של המרכז הוא פרופסור בשם Taekjip Ha (מוצא קוראני, לא יודע איך הוגים ולכן לא ניסיתי לתעתק). Ha הוא ביופיזיקאי ידוע (לפחות בקהילה) המשתמש בשיטות פיזיקליות מתוחכמות כדי להשיג שליטה על תנועתן של מולקולות בודדות, ועל ידי כך להבין תהליכים בסיסיים בביולוגיה.

כשנה אחרי הביקור גונבה שמועה לאוזני ש-Ha פרסם מאמר חדש בעיתון מדעי מוביל בנושא שמשיק לתחום עבודתי (הוא מפרסם הרבה מאמרים בהרבה נושאים). כאשר הקשתי את השם שלו במנוע החיפוש כדי לאתר את המאמר, גיליתי שיש עליו דף ויקיפדיה. תוך עלעול בדף צדה את עיני העובדה שהוא עבד באוניברסיטת סטנפורד תחת הנחייתו של אחד סטיבן צ'וּ, והעובדה הזאת עוררה בי זיכרון עמום.

מספר חודשים לפני כן נכחתי בטקס הענקת פרס סאקלר בביופיזיקה. נזכרתי בהלצה מעט מיוזעת שרצה במהלך אותו הטקס על כך שכדי לזכות בפרס צריך לעבוד אצל אחד סטיבן צ'ו בסטנפורד. הסיבה לבדיחה היתה שפרט ביוגרפי זה היה משותף לשני הזוכים.

הפרס הוענק לפרופ' סטיבן קווייק (Quake) מסטנפורד ולפרופ' שיאווי זואנג (Zhuang) מהרווארד, שני מדענים שפיתחו טכנולוגיות חדשות. קווייק פיתח (בין היתר) מקבילה למעגלים משולבים באלקטרוניקה בתחום המיקרופלואידיקה. כלומר הוא תכנן ובנה מערכת מורכבת של צינורות ומספר רב של שסתומים בסדרי גודל מיקרוניים המקבילה במובנים מסוימים למערכת של חוטי מתכת ומספר רב של טרנזיסטורים. המערכת מאפשרת שליטה עדינה ומדויקת להפליא על הזרימה של הנוזל בצינורות. אחד השימושים שהוא עשה במערכת הוא עבור ריצוף מהיר מאוד של DNA, מה שמקדם אותנו באופן משמעותי אל ריצוף גנטי זול ומהיר ואולי גם אל רפואה בהתאמה אישית. אבל זהו רק קצה הקרחון אצלו.

זואנג פיתחה טכניקת מיקרוסקופיה בסופר-רזולוציה המכונה STORM שבאמצעותה ניתן לעקוף את גבול הדיפרקציה, כלומר לראות דברים כל כך קטנים שלפי התיאוריה לא נוכל לראות באמצעות מיקרוסקופית אור. זהו נושא מרתק שעליו כתבתי בעבר בהרחבה.

צירוף המקרים עורר את סקרנותי. מיהו אותו סטיבן צ'ו ששמו שב ועולה? הקלדתי את השם אל תוך מנוע החיפוש אך לאכזבתי כל מה שקיבלתי היו כתבות על סטיבן צ'ו אחר שהיה עד לא מזמן שר האנרגיה במשטר אובמה ושהיה ידוע בתמיכתו הנמרצת במחקר באנרגיות מתחדשות. מתוך תסכול נכנסתי לדף הויקיפדיה של אותו פקיד בכיר צ'ו ושם גיליתי את העובדות המדהימות הבאות: 1) מדובר למעשה בזוכה פרס נובל לפיזיקה לשנת 1997 (ביחד עם קלוד כהן-טאנוג'י וויליאם דניאל פיליפס) על תרומתו למחקר בנושא קירור ולכידה של אטומים בעזרת לייזר, 2) במהלך עבודתו בסטנפורד החל לעסוק גם בביופיזיקה וזכה להצלחה רבה גם בתחום זה, 3) כל הצ'ו האלה שמצאתי הם אותו אדם.

Steven_Chu_official_DOE_portrait

תמונה 2: פרופ' סטיבן צ'ו, זוכה פרס נובל לפיזיקה ועד לא מזמן שר האנרגיה בממשל ברק אובמה. המקור לתמונה: Department of Energy, דרך ויקיפדיה.

***

אז מיהו איש המדע הגדול בכל הזמנים? אייזיק ניוטון, אלברט איינשטיין, אולי לואי פסטר?

הבעיה היא שכל אחד מהם שיחק בתקופות שונות, מול יריבים שונים, מבנה הטורנירים וכספי הזכיות היו שונים ואפילו הציוד היה שונה באופן מהותי והוביל לסגנונות משחק שונים. גם אם ניתן לבחור קריטריון כלשהו כגון מספר פרסומים בעיתונים מדעיים מובילים אין באמת דרך להכריע על ההשפעה שהיתה לכל אחד מהם על עולם המדע ועל עולמנו. ולמרות זאת, הדיון מבדר ומידי פעם משעשע לחזור אליו.

אם הייתי נגרר לתוך הויכוח הזה הייתי מציע מספר קריטריונים. לא חייבים להצטיין בכולם, הניקוד מצטבר.

1) מספר פרסומים מדעיים בספרים או בעיתונים מובילים.

2) תרומה כללית לעולם המדע.

3) תרומה לקהילה (המחקר רלוונטי רק במגדל השן או גם מחוצה לו? למשל פענוח מבנה ה-DNA רלוונטי לכולנו כי לכל אחד יש).

4) אימפקט לטווח ארוך (תורת היחסות רלוונטית גם היום, מודל פודינג השזיפים למבנה האטום כבר לא).

5) המציא משהו חדש או עומד על כתפי ענקים? (יש גם גוונים של אפור).

6) הצלחה במספר דיסציפלינות (רבגוניות).

7) תלמידים מפורסמים שיצאו תחת הנחייתו (ואני לא מתכוון לידוענים כג'ורג' קלוני אלא למדענים מובילים).

אז מי לפי דעתכם הוא איש המדע הגדול בכל הזמנים? מה היו הקריטריונים שלכם? אתם מוזמנים לשתף. וזכרו, בדומה לויכוח על הטניס, המטרה היא לא הכרעה אלא דיון.

אני כבר אבנה את עצמי בעצמי בחושך, על הרכבה עצמית (self assembly)

מהי הדרך הפשוטה ביותר לבנות בית?

דרך אחת היא לקנות את חומרי הבניה, לשכור קבלן ואז לחכות כמה חודשים (אופטימי ללא תקנה) עד שהפועלים יחפרו יסודות ויניחו לבנה על לבנה ורעף על רעף. אפשרות שניה היא לקנות את כל חומרי הבניה, להשליך אותם לתוך בור גדול, להוסיף מים ולנער היטב. רגע מה?!

בואו נדבר על תהליכים כימיים-פיזיקליים שעושים פחות או יותר את זה ונקראים 'הרכבה עצמית' או 'self assembly' בלעז. אבל לפני שאתם מפטרים את הקבלן שלכם אני ממליץ להמשיך לקרוא.

Wood-framed_house

תמונה 1: ברור שצולם בארה"ב. בית הנבנה על מסגרת עץ. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Jaksmata.

מהי הרכבה עצמית?

הרכבה עצמית היא תהליך שבו מתוך מערכת לא מסודרת של רכיבים מתהווה מבנה מאורגן או תבנית כתוצאה מאינטראקציות בין הרכיבים עצמם וללא יד מכוונת מבחוץ. בדרך כלל מדובר באינטראקציות מקומיות, כלומר קצרות טווח, ולכן ניתן לומר שהמערכת המסודרת 'בונה את עצמה'.

מערכות הרכבה עצמית נבדלות מריאקציות כימיות רגילות בכך שהמבנה שנוצר עקב הרכבה עצמית חייב להכיל דרגת סדר גבוהה יותר מהרכיבים הבודדים, למשל סידור מרחבי מחזורי או רכישת יכולת לבצע פעולה. כמו כן הקשרים הכימיים שמשחקים תפקיד בהרכבה עצמית הם קשרים חלשים (לדוגמא קשרי ואן-דר-וואלס), בניגוד לקשרים כימיים חזקים המייצרים מולקולות יציבות (כמו קשרים קוולנטיים).

כעת בואו נבחן כמה דוגמאות להרכבה עצמית.

קרום תא כתופעה ספונטנית

לַמולקולות הנקראות פוספוליפידים יש ראש אחד ושני זנבות. הראש והזנבות נבדלים אחד מהשני במספר היבטים, אבל החשוב לענייננו הוא יחסם למים. הראש אוהב מאוד מים והזנבות ממש לא. 'אהבת מים' נקראת הידרופיליות ו-'שנאת מים' נקראת הידרופוביות. אם נשים טיפת מים על משטח הידרופובי (כמו עלה או קליפה של אפרסק), הטיפה תקבל צורה של כדור מכיוון שכך מתאפשר מגע מינימלי בין המים למשטח (ראו תמונה 2). לעומת זאת, אם נשים טיפת מים על משטח הידרופילי היא תשפך על המשטח ותתפרש כדי להגדיל את שטח המגע. בשפה יותר מדעית, מגע של טיפת מים עם משטח הידרופובי מעלה את האנרגיה ומגע שלה עם משטח הידרופילי מוריד אותה. כל מערכת שואפת להיות במינימום אנרגיה.

טיפות על עלים

תמונה 2: טיפות מים על משטח הידרופובי של דשא. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Staffan Enbom.

נחזור לפוספוליפידים. כאשר הן נחשפות למים המולקולות יסתדרו מיוזמתן זוגות-זוגות בשתי שורות כך שכל זוג מצמיד זנבות (ראו איור 3). בצורה זאת רק ראשים נוגעים במים והזנבות מוגנים בתוך השכבה הכפולה שנוצרת כך שאנרגית המערכת מינימלית. שכבה זאת נקראת lipid bilayr, והיא הבסיס לממברנה המקיפה את התאים בגופנו. היתרון הגדול של המבנה הזה הוא שלמרות שהוא עדין ועוביו רק כמה ננומטרים, הוא חוסם לחלוטין מעבר של מולקולות מים וחומרים שמתמוססים במים כמו מלחים וסוכרים.

יש לציין שקרום התא אינו מורכב רק משכבה כפולה של ליפידים, אלא גם מכולסטרול ומחלבונים שונים ומשונים המשמשים להעברת מלחים מבוקרת, תקשורת בין תאית ועוד.

Phospholipids_aqueous_solution_structures

איור 3: שלושת המבנים העיקריים שנוצרים על ידי פוספוליפידים בנוזל. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמשת Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHats.

בואו נהנדס לנו שכבה

תכונות פני השטח של חומרים חשובות לחיינו. אם הרצפה חלקה מידי לא נוכל ללכת עליה מבלי ליפול. אם פני השטח של פרוסת הסיליקון שלנו מחוספסת או מזוהמת באטומים זרים הטרנזיסטורים שלנו לא יעבדו.

אחת הדרכים לשלוט ולשנות תכונות של משטחים היא על ידי ציפויים במולקולות של חומר אחר, ואין כמו הרבגוניות של מולקולות אורגניות. Self assembled monolayers  או בקיצור SAM הן שכבות של מולקולות אורגניות שייווצרו באופן ספונטני ומסודר על משטח אם נדאג לתנאים הנכונים. המולקולות בדרך כלל מגיעות מתוך נוזל שבא במגע עם המשטח.

מולקולה אורגנית מוגדרת בכימיה כמולקולה המכילה כמות משמעותית של פחמן. נגדיר שלושה חלקים המרכיבים מולקולות אורגניות המשמשות להרכבת SAM. קבוצת הראש, שהיא הקבוצה הכימית שנקשרת ספונטנית למשטח, קבוצת הזנב שמורכבת משרשרת אטומי פחמן ובקצה הזנב נמצאת הקבוצה הפונקציונלית (ראו איור 4).

SAM_schematic

איור 4: ייצוג סכמטי של SAM. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Abnak.

על ידי התאמה של קבוצת הראש למשטח נוכל לקבל שכבה מסודרת של מולקולות אורגניות שכולן פונות עם הקבוצה הפונקציונלית כלפי חוץ. קבוצות ראש מסוג silane מתאימות למשל לעבודה עם סיליקון (נקשרות לקבוצות הידרוקסיליות) וקבוצות מסוג thiol מתאימות לעבודה עם מתכות.

גם את הקבוצה הפונקציונלית ניתן לבחור בהתאם למטרה של השכבה. השכבה יכולה לשמש כחוצץ המגן על פני החומר משינויים כימיים (פאסיבציה) ובמצב כזה נבחר מולקולה ללא קבוצה פונקציונלית. שימוש אחר הוא חיבור רכיבים חשמליים מוצקים לחומרים ביולוגיים רכים. כל מה שעלינו לעשות הוא לבחור קבוצה פונקציונלית שמתאימה לקשירה של חלבונים (למשל amine). בדומה, נוכל גם לכוון את פני השטח להיות יותר הידרופיליים או הידרופוביים על ידי בחירה של קבוצות פונקציונליות מתאימות.

שכבות אלה נמצאות בשימוש בפרויקטים רבים בתחום הננו-טכנולוגיה, אם כי בעיקר בתחומי מחקר ולא בתעשיה. קשה עדיין לייצר את השכבות גם באיכות גבוהה וגם בכמות מסחרית, אבל נראה שהפתרונות כבר בדרך. ישנן כיום כמה שיטות חכמות להדפסה מדויקת וממוכנת של השכבות. חפשו למשל מידע על Microcontact printing או על Dip-pen nanolithography.

נבנה לנו בית

ישנן כמובן דוגמאות נוספות להרכבה עצמית בחיי התא למשל קיפול חלבונים וגם בהקשרים הנדסיים כגון DNA אוריגמי (חפשו את דר' עדו בצלת מאוניברסיטת בר-אילן).

לסיום בואו נחלום יחדיו על ילדי העתיד שהולכים לחנות לממכר רהיטים שבדיים להרכבה עצמית וחוזרים הביתה עם מספר אבקות אותן הם שופכים לתוך גיגית מים. לצלילי שוליית הקוסם ממתינים הילדים לרהיט שירכיב את עצמו. וכל זה ללא צורך להבין כיצד בורג c נכנס לחור p בקורה k, למה זה יצא עקום ולמה נשארו חלקים לאחר סיום ההרכבה. החיים הטובים.