פרס נובל בכימיה 2013: מיסתורי המולקולה

באותה עת כבר סייעו מחשבים למדענים לייצג מולקולות גדולות במצב מנוחה, כלומר, לקבוע את הסידור היציב (שמחייב אנרגיה מינימלית) של האטומים השונים במבנה המולקולרי התלת-ממדי. אולם מודל של תגובה כימית דינמית מחייב תכונה נוספת: חישובים קוונטיים של האלקטרונים אשר מעורבים בתהליך שבו אנזים מזרז שבירה או יצירה של קשרים כימיים במערכות ביולוגיות. הבעיה הייתה, שכדי לעשות זאת עבור כל אחד מהאלקטרונים במולקולה, נדרש כוח חישובי עצום. למעשה, חישובים קוונטיים לגבי כל אחד מהאטומים במולקולה גדולה אינם ישימים אף כיום, על אף היכולות המשופרות לאין ערוך בהשוואה לאלו שהיו לפני כ-40 שנה. בעבודתם מצאו השלושה את הקירובים שמאפשרים חישובים קוונטיים במערכות גדולות ומורכבות – על אף מגבלות החישוב.

 

כאשר התחילו את עבודתם המשותפת במכון ויצמן למדע, בזמן לימודי הדוקטורט של ורשל, בהנחייתו של פרופ' שניאור ליפסון, הם נשענו בעיקר על תפיסות מקוריות שפיתח ליפסון, אשר עשה את עבודת הדוקטורט שלו בהדרכת פרופ' אהרן קציר, ובשנת 1949 הצטרף לסגל המכון.

 

עיקר עניינה של עבודת הדוקטורט של פרופ' ליפסון היה פיתוח התיאוריה של תמיסות פוליאלקטרוליטים. מחקרים בתחום זה, שביצע בשנות ה-50, משמשים עד היום אבני פינה להבנת התנהגותן של מאקרומולקולות טעונות, ביולוגיות וסינתטיות, בתמיסות מימיות. פעילותן של מאקרומולקולות ביולוגיות, כגון די-אן-אי, אר-אן-אי, אנזימים וחלבונים נוספים, משתנה בהתאם לתנאים סביבתיים, למשל חום ומליחות. פרופ' ליפסון השתמש בשיטות של מכניקה סטטיסטית כדי לחקור את השינויים המבניים של מולקולות אלה בתמיסה.

 

בהמשך דרכו היה פרופ' ליפסון שותף מרכזי בניסוח התיאוריה של מעבר סליל-פקעת (helix– coil) במאקרו-מולקולות ביולוגיות, תהליך שהסברו חיוני להבנת שינויים מבניים בחלבונים, הקשורים לתהליך הקיפול שלהם. בשלב מאוחר יותר פיתח פרופ' ליפסון שיטה לחישוב יחסי הגומלין בין הכוחות שמרכיבים שונים של מולקולות מפעילים אלה על אלה. שיטה זו, הקרויה "שיטת שדות הכוח המתואמים", מאפשרת לאפיין ולתאר מולקולות (תיאור מתמטי-פיסיקלי), וכן לחזות ולחשב את אנרגיית הקישור הפועלת בין מרכיביהן. חישוב הכוחות הפועלים בין האטומים השונים איפשר הבנה יסודית של מולקולות ביולוגיות, והוביל לפריצות דרך בהבנת קיפול חלבונים ומחלות הנגרמות כתוצאה מקיפול שגוי. כיום מתוכננות עבודות רבות בתחום קיפול החלבונים על בסיס ניבויים שהתקבלו מחישובים. עבודות אחרות מתבססות על הדמיית מחשב כדי לפרש את ממצאי הניסיונות ברמה אטומית. שיטת שדות הכוח המתואמים מאפשרת גם לתכנן תגובות כימיות מדויקות, וכן לחקור את פעילותן של מולקולות שונות במערכות ביולוגיות, כגון קישור בין חלבונים שונים, קשירת יונים למולקולות, עיצוב ותכנון מחדש של מולקולות חלבון, ועוד. שיטה זו עומדת בין היתר בבסיסן של גישות חישוביות תיאורטיות מודרניות בביולוגיה מבנית. בתעשייה, בניית מודלים מולקולריים על בסיס השיטה מייעלת את פיתוחם של תרופות, תוספי מזון, קוטלי חרקים, וכימיקלים רבים נוספים.