מקלחת קרה

"לעתים קרובות אנו מואשמים בכך שאיננו רגישים מספיק", אומר פרופ' לוסיו פרידמן מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון ויצמן למדע. פרופ' פרידמן אינו מדבר חלילה על ניתוק רגשי, כי אם על תהודה מגנטית גרעינית (NMR) – כלי דימות וספקטרוסקופיה המשמש לחקר המבנה של מולקולות והדינמיקה שלהן ברזולוציה אטומית. NMR מצוי אמנם בשימוש נרחב במחקר ביולוגי וכימי, אך בו-בזמן ידוע לשמצה בשל חולשת האותות שלו. בשנים האחרונות, פיתחו פרופ' פרידמן וחברי קבוצת המחקר שלו שיטת NMR לחקר ביו-מולקולות בתנאים פיסיולוגיים שהינה בעלת רגישות הגבוהה פי כמה מאות מהשיטות הנהוגות כיום – גבוהה מספיק כדי ללכוד שינויים בארגון הביו-מולקולות בריכוזים הנמוכים משמעותית מאלה שנבדקים בדרך כלל. החוקרים מקווים כי הפיתוח יקדם את המחקר בביו-מולקולות, ובפרט מולקולות אר-אן-אי וחלבונים.

בדומה לדימות תהודה מגנטית (MRI) המוכר יותר – שהוא למעשה סוג מסוים של NMR – תהודה מגנטית גרעינית מבוססת על הפעלת שדות מגנטיים כדי "לסדר" את גרעיני האטומים בדגימה וכך לעקוב אחריהם. עם זאת, האינטראקציות המגנטיות חלשות מאוד – מה שהופך את ה-MRI לכלי עבודה בלתי-פולשני להפליא, אך בו-בזמן גוזל מה-NMR את הרגישות הנדרשת לדימות הדינמיקה של ביו-מולקולות. אפשרות אחת להגברת רגישות, מסביר פרופ' פרידמן, היא היפר-פולריזציה גרעינית – כלומר קיטוב-על שמגדיל באופן משמעותי את מספר הספינים של גרעיני האטומים המסתדרים תחת השפעת השדות המגנטיים בדוגמה הנבדקת. אך היפר-פולריזציה גרעינית דורשת, בדרך כלל, קירור לטמפרטורות נמוכות מאוד שאינן מתאימות לעבודה עם מולקולות ביולוגיות כמו די-אן-אי, אר-אן-אי או חלבונים – במיוחד כאשר המטרה היא לחקור אותם בתנאים טבעיים ופיסיולוגיים.

הדבר החשוב ביותר שלמדנו הוא 'לא לגעת במים'. המים משמשים כמעין בנק גרעינים היפר-מקוטבים עבור המולקולות הביולוגיות, והמקלחת הצוננת מאפשרת לחקור אותן במשך דקה או שתיים באמצעות גישות NMR שונות"

בשנים האחרונות, עוסקים בקבוצת המחקר של פרופ' פרידמן בבעיה זו מזווית חדשה: הם מנסים ליישם היפר-פולריזציה במולקולות ביולוגיות בעזרת מים, או ליתר דיוק, קיטוב-על של גרעיני המימן במולקולות מים בטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט ולאחר מכן התזתם על מולקולות ביולוגיות בתנאים פיסיולוגיים. בתהליך זה יש להמיס את המים המקוטבים (וקפואים) בבת-אחת ולהזרימם אל מבחנה שבה ממתינות הביו-מולקולות הנחקרות בתוך מערך NMR סטנדרטי. בתנאים הנכונים, אטומי המימן במים מתחלפים באופן ספונטני עם מקביליהם בביו-מולקולות – תוך שהם קופצים במהירות בין אטומי החמצן של המים לאטומי החנקן באר-אן-אי או בחלבונים. תחלופה זו אינה משפיעה על קיטוב–העל של גרעיני המימן, ובכל פעם שביו-מולקולה מקבלת גרעין מקוטב מהמים, היא פולטת אות מוגבר, שעוצמתו חזקה פי כמה מאות מתגובת NMR רגילה. פרופ' פרידמן, תלמיד המחקר מיאחלו נובקוביץ והחוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר גרגורי אולסן ניצלו תופעה זו, ובשיתוף פעולה עם חוקרים מפרנקפורט "צילמו" בקצב של כשלוש תמונות בשנייה את הדינמיקה של מולקולות הידועות בשם ריבוסוויץ' (riboswitch) – פיסות אר-אן-אי שליח שעוברות במהירות ממצב אחד למשנהו כאשר הן מופעלות על-ידי קשירה של מולקולה קטנה.

"הדבר החשוב ביותר שלמדנו הוא 'לא לגעת במים' מהרגע שהוזרקו לדוגמה", אומר פרופ' פרידמן. "המים משמשים כמעין בנק של גרעינים היפר-מקוטבים עבור המולקולות הביולוגיות, והמקלחת הצוננת מאפשרת לחקור מולקולות אלה במשך דקה או שתיים באמצעות גישות NMR שונות".

כדי לערוך ניסויים אלה, החוקרים השתמשו בשתי מערכות NMR, שתיהן במכון ויצמן למדע. האחת, שהופעלה בטמפרטורות נמוכות במיוחד ושימשה לביצוע ההיפר-פולריזציה של המים, והאחרת – שבה הוחזקו מולקולות אר-אן-אי בתנאים פיסיולוגיים. תכנון הניסוי והכנת הדגימות התבצעו בשיתוף פעולה עם קבוצת המחקר של פרופ' הרלד שוואלבה באוניברסיטת גתה בפרנקפורט.

כעת, לאחר שהדגימו את היתרונות בשימוש במים היפר-מקוטבים, מתכוונים החוקרים להמשיך ולפתח את השיטה: להרחיב את ניסויי ה-NMR לביו-מולקולות מורכבות יותר, ובהן מולקולות אחרות של אר-אן-אי וחלבונים, וכן לערוך ניסויים שיגיעו לרמות גבוהות עוד יותר של היפר-פולריזציה