מהפכה במדע מולקולרי: מדענים חושפים טכניקה פורצת דרך לזיהוי מולקולות בודדות

מדענים מאוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון פיתחו שיטה חדשה ורגישה מאוד לאיתור ולנתח מולקולות בודדות מבלי להשתמש בתוויות פלורסנט, מה שעלול לשנות את המחקר בגילוי תרופות ובמדעי החומרים.

חוקרים מאוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון פיתחו את השיטה הרגישה ביותר עד כה לאיתור ויצירת פרופיל של מולקולה בודדת – פתיחת כלי חדש שמכיל פוטנציאל להבנה טובה יותר כיצד אבני הבניין של החומר מתקשרות זו עם זו. לשיטה החדשה עשויות להיות השלכות על עיסוקים מגוונים כמו גילוי תרופות ופיתוח חומרים מתקדמים.

ההישג הטכני, מפורט במאמר שפורסם בכתב העת טֶבַע, מסמן התקדמות משמעותית בתחום המתפתח של צפייה במולקולות בודדות ללא עזרת תוויות ניאון. בעוד שהתוויות הללו שימושיות ביישומים רבים, הן משנות מולקולות בדרכים שיכולות לטשטש את האופן שבו הן מתקשרות זו עם זו באופן טבעי. השיטה החדשה נטולת התוויות הופכת את המולקולות לכל כך קלות לזיהוי, שזה כמעט כאילו היו להן תוויות.

"אנחנו מאוד נרגשים מזה", אומר רנדל גולדסמית', פרופסור לכימיה מאוניברסיטת UW-Madison שהוביל את העבודה. "לכידת התנהגויות ברמה של מולקולות בודדות היא דרך אינפורמטיבית להפליא להבנת מערכות מורכבות, ואם אתה יכול לבנות כלים חדשים המעניקים גישה טובה יותר לפרספקטיבה הזו, הכלים האלה יכולים להיות חזקים מאוד."

בעוד שחוקרים יכולים ללקט מידע שימושי מחקר חומרים ומערכות ביולוגיות בקנה מידה גדול יותר, גולדסמית' אומר שהתבוננות בהתנהגות ובאינטראקציות בין מולקולות בודדות חשובה להקשר של מידע זה, ולעתים מובילה לתובנות חדשות.

"כשאתה רואה איך מדינות מתקשרות זו עם זו, הכל מסתכם באינטראקציות בין אנשים", אומר גולדסמית'. "אפילו לא הייתם חושבים להבין איך קבוצות של אנשים מתקשרות זו עם זו תוך התעלמות מהאופן שבו אנשים מקיימים אינטראקציה זה עם זה."

החשיבות של תצפית מולקולה בודדת

גולדסמית' רודף אחרי הפיתוי של מולקולות בודדות מאז שהיה חוקר פוסט-דוקטורט באוניברסיטת סטנפורד לפני יותר מעשור. שם הוא עבד תחת הכימאי WE Moerner, שקיבל את פרס נובל לכימיה ב-2014 על פיתוח השיטה הראשונה לשימוש באור כדי לצפות במולקולה אחת.

מאז הצלחתו הראשונית של מורנר, חוקרים ברחבי העולם המציאו ושיכללו דרכים חדשות להתבונן בפיסות החומר הזעירות הללו.

השיטה שפיתח צוות UW–Madison מסתמכת על מכשיר הנקרא מיקרו-תהודה אופטי, או מיקרו-חלל. כפי ששמו מרמז, המיקרו-חלל הוא חלל זעיר ביותר שבו אור יכול להילכד גם במרחב וגם בזמן – לפחות לכמה ננו-שניות – שבו הוא יכול לקיים אינטראקציה עם מולקולה. מיקרו-חללים נמצאים בדרך כלל במעבדות לפיזיקה או הנדסת חשמל, לא במעבדות כימיה. ההיסטוריה של Goldsmith של שילוב מושגים מתחומים מדעיים שונים הוכרה בשנת 2022 עם פרס Polymath מ-Schmidt Futures.

מיקרו-חללים בנויים ממראות קטנות להפליא המעוצבות ממש על גבי כבל סיבים אופטיים. מראות סיבים אופטיות אלו מקפיצות את האור קדימה ואחורה פעמים רבות במהירות רבה בתוך המיקרו-חלל.

יישומים פוטנציאליים והתפתחויות עתידיות

החוקרים נותנים למולקולות לצנוח לתוך החלל, לתת לאור לעבור דרכו, ולא רק לזהות את נוכחות המולקולה, אלא גם ללמוד עליה מידע, כמו כמה מהר היא נעה במים. מידע זה יכול לשמש כדי לקבוע את צורת המולקולה, או הקונפורמציה.

"קונפורמציה ברמה המולקולרית חשובה להפליא, במיוחד לחשיבה על האופן שבו ביומולקולות מתקשרות זו עם זו", אומר גולדסמית'. "בוא נגיד שיש לך חלבון ויש לך איזו תרופה בעלת מולקולות קטנות. אתה רוצה לראות אם החלבון ניתן לסמים, כלומר, 'האם לתרופה יש איזושהי אינטראקציה גדולה עם החלבון?' דרך אחת שאולי תוכל לראות זאת היא אם זה יציג שינוי קונפורמטיבי."

ישנן דרכים אחרות לעשות זאת, אך הן דורשות כמויות גדולות של חומר לדוגמא וניתוחים גוזלים זמן. עם טכניקת המיקרו-חללים החדשה שפותחה, אומר גולדסמית', "נוכל לבנות כלי קופסה שחורה כדי לתת לנו את התשובה תוך עשרות שניות."

הצוות, שכלל את ליסה-מריה נידהם, חוקרת פוסט-דוקטורט לשעבר שכיום היא מנהלת מעבדה באוניברסיטת קיימברידג', הגישה פטנט על המכשיר. גולדסמית אומר שהמכשיר והשיטות ישוקנו כעת במהלך השנים הקרובות. בינתיים, הוא אומר שהוא ומשתפי הפעולה שלו כבר חושבים על הדרכים הרבות שבהן זה יכול להיות שימושי.

"אנחנו נרגשים מיישומים רבים אחרים בספקטרוסקופיה", הוא אומר. "אנחנו מקווים שנוכל להשתמש בזה כאבן דרך לדרכים אחרות ללמוד על מולקולות."

מחקר זה מומן בעיקר על ידי ה המכונים הלאומיים לבריאות (R01GM136981), עם בניית תהודה נתמכת על ידי מרכז הקוואנטום Q-NEXT, משרד האנרגיה האמריקאי, משרד המדע, המרכז הלאומי לחקר מידע קוונטי, תחת הפרס מספר DE-FOA-0002253.