התופעה המביכה של הומוכירליות בחיים, שבה ביומולקולות קיימות רק באחת משתי צורות של תמונת מראה, נותרה בלתי מוסברת למרות תשומת הלב ההיסטורית של דמויות מדעיות כמו פסטר, לורד קלווין ופייר קירי. מחקרים עדכניים מראים שהשילוב של שדות חשמליים ומגנטיים עשוי להשפיע על העדפה זו באמצעות ניסויים המראים השפעות אננטיוסלקטיביות על מולקולות כיראליות המקיימות אינטראקציה עם משטחים ממוגנטים, ומציעות ראיות עקיפות להבנת התעלומה הזו.
התופעה המכונה הומוקירליות של חיים, המתייחסת לנוכחות הבלעדית של ביו-מולקולות באחת משתי תצורות תמונת המראה האפשריות שלהן בתוך אורגניזמים חיים, סקרנה כמה דמויות בולטות במדע. זה כולל את לואי פסטר, שזיהה לראשונה כיראליות מולקולרית, ויליאם תומסון (הידוע גם בשם לורד קלווין), ופייר קירי, חתן פרס נובל.
הסבר חד משמעי עדיין חסר, שכן לשתי הצורות יש, למשל, אותה יציבות כימית ואינן נבדלות זו מזו בתכונות הפיזיקו-כימיות שלהן. עם זאת, ההשערה שמשחק הגומלין בין שדות חשמליים למגנטיים יכול להסביר את ההעדפה לצורת תמונת מראה כזו או אחרת של מולקולה – מה שנקרא אננטיומרים – עלתה בשלב מוקדם.
עם זאת, רק לפני שנים ספורות הופיעו העדויות העקיפות הראשונות לכך שהשילובים השונים של שדות הכוח הללו אכן יכולים "להבחין" בין שתי תמונות המראה של מולקולה. זה הושג על ידי חקר האינטראקציה של מולקולות כיראליות עם משטחים מתכתיים המציגים שדה חשמלי חזק למרחקים קצרים.
אם רק ספירלות הליקן שמאליות מופקדות על משטח הקובלט-נחושת, ברור שהם מעדיפים איי קובלט עם כיוון מסוים של מגנטיזציה. בתמונה, לשני איי הקובלט המשולשים יש מגנטיזציה הפוכה; מולקולות ההליקן השמאלי נקשרות כמעט אך ורק לאי מימין ונמנעות מהאי משמאל (למעט מולקולות בודדות בקצה האי). קרדיט: Peter Grünberg Institute/Jülich
המשטחים של מתכות מגנטיות כמו ברזל, קובלט או ניקל מאפשרים אפוא לשלב בין שדות חשמליים ומגנטיים בדרכים שונות – כיוון המגנטיזציה פשוט הפוך, מ"צפון למעלה – דרום למטה" ל"דרום למעלה – צפון למטה" . אם משחק הגומלין בין מגנטיות לשדות חשמליים גורם למעשה להשפעות "אננטיוסלקטיביות", אז עוצמת האינטראקציה בין מולקולות כיראליות ומשטחים מגנטיים צריכה להיות שונה, למשל – תלוי אם מולקולה ימנית או שמאלית "מתיישבת" על השטח.
תמונות מראה מעדיפות שדות מגנטיים מנוגדים
וזה אכן המקרה, כפי שצוות חוקרים בראשות קרל היינץ ארנסט מהמעבדה של Empa's Surface Science and Coating Technologies ועמיתיו במכון פיטר גרינברג ב-Forschungszentrum Jülich בגרמניה דיווחו לאחרונה בכתב העת המדעי. חומרים מתקדמים. הצוות ציפה משטח נחושת (לא מגנטי) ב"איים" קטנים ודקים במיוחד של קובלט מגנטי וקבע את כיוון השדה המגנטי באלה באמצעות מיקרוסקופ מנהור סריקה מקוטב בספין; כפי שהוזכר קודם, זה יכול לפעול בשני כיוונים שונים בניצב למשטח המתכת: צפון למעלה או דרום למעלה. לאחר מכן הם הפקידו מולקולות כיראליות בצורת ספירלה – תערובת של 1:1 של מולקולות הפטהליצין שמאליות וימניות – על איי הקובלט הללו בוואקום גבוה במיוחד.
ואז הם "פשוט" ספרו את מספר מולקולות ההליקן הימני והשמאלי באיי הקובלט הממוגנטים בצורה שונה, כמעט 800 מולקולות בסך הכל, שוב באמצעות מיקרוסקופ מנהור סריקה. והנה: בהתאם לכיוון השדה המגנטי, צורה אחת או אחרת של ספירלות ההליקן התיישבה בצורה מועדפת (ראה בצד ימין של הגרפיקה).
כך באה לידי ביטוי סלקטיביות ספין הנגרמת על ידי כיראליות (אפקט CISS): אלקטרונים (e– או כדורים אדומים וירוקים עם חצים המציינים ספין אלקטרונים, למעלה או למטה) עם כיוון סיבוב (ספין) "שגוי" מוחזקים או מסונן החוצה בעת מנהור דרך מולקולות ספירליות, בהתאם למידת הידיות של הספירלות (שמאליות או ימניות), כך שסוג אחד של ספין אלקטרוני שולט (אלקטרונים כשהחץ מצביע כלפי מטה בצד שמאל). השדה החשמלי של משטח מתכתי (E, מצביע כלפי מעלה, צד ימין) מעביר את האלקטרונים במולקולות ההפטהליות הקשורות; אלה מצטברים מעט בחלק התחתון של המולקולה ליד פני השטח. במקרה של מולקולות כיראליות, גם אלקטרונים עם ספינים שונים מוזזים בצורה שונה בהתאם למידת הידיות של המולקולה. המולקולה הופכת ל"מקוטבת ספין", כלומר גם מגנטית. בהתאם לכיוון המגנטיזציה של המשטח המתכתי, מולקולות כיראליות פועלות איתו בדרגות שונות. בדוגמה זו, הספירלה הסגולה נקשרת אפוא חזק יותר לפני השטח מאשר הצהובה, שכן ספינים מנוגדים "מושכים" זה את זה (האלקטרונים האדומים והירוקים עם ספינים שונים יושבים זה על גבי זה). קרדיט: Empa
יתרה מכך, הניסויים הראו שהבחירה – העדפה לאננטיומר זה או אחר – מתרחשת לא רק במהלך הקישור על איי הקובלט, אלא כבר לפני כן. לפני שהמולקולות תופסות את מיקומן הסופי (המועדף) באחד מאיי הקובלט, הן נודדות למרחקים ארוכים על פני משטח הנחושת במצב מבשר קשור חלש משמעותית ב"חיפוש" אחר מיקום אידיאלי. הם קשורים רק לפני השטח על ידי מה שנקרא כוחות ואן דר ואלס. אלה נגרמים רק על ידי תנודות במעטפת האלקטרונית של אטומים ומולקולות ולכן הם חלשים יחסית. העובדה שגם אלה מושפעים ממגנטיות, כלומר כיוון הסיבוב (ספין) של האלקטרונים, לא הייתה ידועה עד כה.
אלקטרונים עם ספין "שגוי" מסוננים החוצה
באמצעות מיקרוסקופ מנהור סריקה, החוקרים הצליחו גם לפתור תעלומה נוספת, כפי שדיווחו בכתב העת Small בנובמבר האחרון. הובלת אלקטרונים – כלומר זרם חשמלי – תלויה גם בשילוב של יכולת מולקולרית ומגנטיזציה של פני השטח. בהתאם למידת הידיות של המולקולה הקשורה, אלקטרונים עם כיוון אחד של ספין זורמים מועדף – או "מנהרה" – דרך המולקולה, כלומר אלקטרונים עם ספין "שגוי" מסוננים החוצה.
סלקטיביות ספין הנגרמת על ידי כיראליות (אפקט CISS, ראה בצד שמאל של הגרפיקה) כבר נצפתה במחקרים קודמים, אך לא היה ברור אם אנסמבל של מולקולות נחוץ לשם כך או שמא מולקולות בודדות מציגות גם השפעה זו. ארנסט ועמיתיו הצליחו כעת להראות שמולקולות הליקן בודדות מציגות גם את אפקט CISS. "אבל הפיזיקה מאחורי זה עדיין לא מובנת", מודה ארנסט.
חוקר האמפה גם מאמין שממצאיו בסופו של דבר אינם יכולים לענות באופן מלא על שאלת הכיראליות של החיים. במילים אחרות, השאלה שזוכה פרס נובל בכימיה וכימאי ETH ולדימיר פרלוג תיאר כ"אחת הבעיות הראשונות של תיאולוגיה מולקולרית" בהרצאתו בפרס נובל ב-1975. אבל ארנסט יכול לדמיין שבתגובות כימיות מסוימות מזורזות פני השטח – כמו אלה שיכולים היו להתרחש ב"מרק הקדמון" הכימי על כדור הארץ המוקדם – שילוב מסוים של שדות חשמליים ומגנטיים יכול היה להוביל להצטברות מתמדת של צורה כזו או אחרת של הביומולקולות השונות – ובכך בסופו של דבר הידידות של החיים.
