פרסומת

פרס נובל לרפואה לשנת 2026 [1] יוענק על תגליות שהובילו לפיתוח האופטוגנטיקה [2] – שיטה לחקר המוח המשתמשת באור כדי לשלוט בפעילותם של תאי עצב. שלושת חתני הפרס - פיטר הגמן (Hegemann), גיאורג נאגל (Nagel) וקרל דיסרות' (Deisseroth) - תרמו לשלבים שונים של הדרך: הגמן ונאגל גילו ואפיינו חלבונים שמאפשרים לתאים להגיב ישירות לאור, ודיסרות' הראה כיצד אפשר להשתמש בחלבונים האלה כדי לשלוט בפעילות של תאי עצב באמצעות הארה.

כדי להבין את האופן שבו המוח עובד, חוקרים מודדים את פעילות המוח ומעלים השערות בקשר לאופן שבו היא מייצרת פעולות, רגשות ותהליכים קוגניטיביים אחרים. אולם כדי להוכיח או להפריך את השערותיהם באופן משכנע, חוקרי המוח רוצים גם לשלוט בפעילות המוח באופן ישיר וספציפי. זו משימה לא פשוטה, בהתחשב בכך שהפעילות המוחית מתבטאת בפולסים חשמליים קצרים שלרוב נמשכים אלפיות-השנייה בלבד, בין מיליארדי תאי עצב המקושרים זה לזה בדרכים מסועפות. כיצד אפשר להתערב בפעילות הזאת בצורה מדויקת, מהירה, ועוד באורגניזם חי?
אור הוא דרך מעולה לעשות זאת. פוטונים של אור יכולים לגרום לשינויים מהירים במגוון רחב של מולקולות, וחלק מהמנגנונים הרגישים לאור כבר קיימים באופן טבעי בכמה יצורים חיים. אחת הדוגמאות הבולטות היא מערכת הראייה, שבה תאי עצב הראייה הרגישים לאור מאפשרים לקלוט אור ולהמיר את המידע הזה לאותות חשמליים שמתורגמים למה שאנחנו רואים. חוקרים רבים ניסו להטמיע בתאי עצב את החלבונים שמעורבים בתהליך הראייה, ואז להאיר עליהם באמצעות לייזר, אך שיטות אלו לא נשאו פרי. הסיבה העיקרית לכך הייתה שבעוד שהחלבון הראשוני הגיב לאור, נדרשו בתאי העצב תהליכים נוספים כדי להמיר את התגובה הזו לאות חשמלי. לכן בסופו של דבר השיטות הללו היו איטיות מדי כדי לחקור את פעילות המוח בזמן אמת.
פיטר הגמן בכלל לא היה מדען מוח. לאחר סיום הדוקטורט שלו, הוא עבר לאוניברסיטת פנסילבניה ושם רצה לחקור את המנגנון שמאפשר לאצות חד-תאיות לנוע לעבר אור. לחלק ממיני האצות החד-תאיות ישנו אברון המשמש כמו עין, אשר קולטת את הכיוון שאור מגיע ממנו ומכתיבה את תנועת האצות באמצעות השוטונים שלהן. הגמן מצא שהתגובה של האצות לפולס של אור מהירה בצורה מדהימה – מיליוניות-שנייה בודדות. כשבדק לעומק את המנגנון, התברר שהוא נשען על חלבון לא מוכר שמתפקד כתעלת יונים רגישה לאור. כאשר אור באורך גל מתאים פוגע בחלבון, התעלה נפתחת ויונים יכולים לזרום דרך קרום התא. כך אפשר לתרגם את האור לשינוי במתח החשמלי של התא ישירות – ללא צורך בשרשרת ארוכה של תהליכים מולקולריים. בהמשך זיהה צוות המחקר של הגמן את הגנים המקודדים לשני חלבונים כאלו, וכינה אותם תחילה channelopsin-1 ו-channelopsin-2.
בשלב זה הגמן יצר קשר עם גיאורג נאגל, מומחה לתעלות יונים ולאלקטרופיזיולוגיה במכון מקס פלאנק בפרנקפורט. יחד [3] הם הצליחו להחדיר את הגנים מהאצה החד-תאית לתאי ביצה של צפרדע והדגימו שבאמצעות אור אפשר לייצר פולס חשמלי גם בתאים אלה. אחד מהגנים הללו, channelopsin-2, התברר כמגיב לאור כחול. באמצעות הנדסה גנטית הם גם קיצרו את אורך החלבון באופן משמעותי, ונתנו לחלבון המהונדס את השם channelrhodopsin 2 (או בקיצור ChR2).
החוליה האחרונה בשרשרת התגליות והפיתוחים הייתה החוקר קרל דיסרות', פסיכיאטר בהכשרתו שבדיוק הקים מעבדה באוניברסיטת סטנפורד. דיסרות' החדיר את הגן של החלבון ChR2 לתאי עצב חיים בתרבית, והראה שהם אכן שולחים אות חשמלי בתגובה להארה. בשלב הבא הצליחו דיסרות' ועמיתיו להחדיר את ההוראות לייצור החלבון לתאי העצב אל מוחם של עכברים חיים, ובאמצעות סיב אופטי שהושתל במוחם להאיר על האזור במוח ששולט בתנועת הזיפים שעל אפם. כשהאירו אור כחול דרך הסיב האופטי, הזיפים של העכבר נעו מייד בתגובה [4]. ניסוי זה הראה שאפשר להשתמש ב-ChR2 כדי לשלוט בפעילות של תאי עצב במוח של בעל חיים חי, במהירות ובדיוק גבוהים.
שיטה זו שינתה את תחום חקר המוח [5]. היא פתחה אפשרות להתערב בפעילות של תאים ומעגלים עצביים ספציפיים באורגניזם חי, ובכך לבחון באופן ישיר את הקשר הסיבתי בין פעילות עצבית ובין התנהגות. מאז פיתוח האופטוגנטיקה נעשה שימוש נרחב ב-ChR2 ובחלבונים אופטוגנטיים נוספים במחקרי מוח, והשיטות האלה הפכו לחלק מרכזי מארגז הכלים של חוקרי המוח במאה ה-21.

מאת: תום הרן

עריכה: שיר רוזנבלום-מן

פרס נובל לפיזיקה ניתן השנה לפרנסיס הלזן (Halzen) מאוניברסיטת ויסקונסין–מדיסון שבארה"ב, מהוגי ניסוי ה-IceCube וממוביליו- לגילוי חלקיקי נייטרינו [1].

אחת השאלות הבסיסיות הגדולות בפיזיקה היא מהם החלקיקים הבסיסיים ביותר שמהם מורכב הטבע ומהם הכוחות הפועלים ביניהם. לחלקיקים הבסיסיים הללו אנו קוראים חלקיקים אלמנטריים. הנייטרינו הם חלקיקים אלמנטריים בעלי מסה זעירה, כמעט אפסית ביחס לזו של חלקיקים אלמנטריים אחרים, כגון האלקטרון. נייטרינו נעים במהירות הקרובה למהירות האור והם חמקמקים: הם כמעט שאינם מקיימים אינטראקציה (פעולת גומלין) עם חלקיקים אחרים. הסיבה לכך היא שהם אינם נושאים מטען חשמלי ואינם נושאים מטען הקשור לכוח החזק, מטען המכונה "צבע". האינטראקציה היחידה שהם מקיימים היא האינטראקציה החלשה.

לנייטרינו המגיעים לכדור הארץ יש כמה מקורות. חלקם מגיעים מהשמש, לאחר שנוצרו בתהליכים גרעיניים בליבת השמש. נייטרינו אחרים מגיעים לכדור הארץ בעקבות אירועים קוסמיים, כלומר אירועים שאינם קשורים למערכת השמש, למשל התפרצויות קרני גמא.

חלקיקי נייטרינו בדרך כלל חולפים דרך חומר, אולם לעיתים נדירות הם נבלעים בו. ניסוי IceCube, שממוקם בקוטב הדרומי, נועד לגלות חלקיקי נייטרינו בעלי אנרגיה גבוהה. הרעיון הוא לבנות גלאי המורכב מקוביית קרח אדירה, בנפח של קילומטר מעוקב, באזור נקי יחסית מרעש רקע – בקוטב. מדי פעם, עקב האינטראקציה החלשה של הנייטרינו עם החלקיקים שבקוביית הקרח, נפלטים חלקיקי אור (פוטונים), שאותם ניתן לקלוט בגלאים. מניתוח מאפייני הפוטונים ניתן להסיק מהי אנרגיית הנייטרינו ואפילו מהו סוג הנייטרינו.

למעשה, קיימים שלושה סוגים של חלקיקי נייטרינו בטבע: נייטרינו אלקטרוני, נייטרינו מיואוני ונייטרינו טאו. בעזרת IceCube ניתן לגלות בעיקר נייטרינו מיואוניים באנרגיות אדירות.

אפשר ללמוד מהניסוי הן על נייטרינו שנפלטו מהשמש והן על נייטרינו שנפלטו בעקבות אירועים קוסמיים. ייתכן שניתן יהיה ללמוד גם על נייטרינו שמקורם בחומר אפל – חומר מסתורי שעדיין לא התגלה.

פרנסיס הלזן הוא איש ידוע לא רק בזכות המחקר שלו, אלא גם בזכות ספר הלימוד המצוין שכתב על חלקיקים.

ברכות לפרופסור הלזן!

מאת: עדי ארמוני

פרס נובל בכימיה 2026 מוענק לאנרי קגן ולקנסו סואי על פריצת דרך בחקר האסימטריה המולקולרית

ועדת פרס נובל הכריזה [1] כי פרס נובל בכימיה לשנת 2026 יוענק לאנרי קגן (Kagan) ולקנסו סואי (Soai), על מחקרים שנוגעים באחת התעלומות הגדולות של הכימיה ושל ראשית החיים: מדוע החיים על פני כדור הארץ בחרו דווקא ב"יד" אחת?

מולקולות רבות יכולות להופיע בשתי צורות שהן תמונות ראי זו של זו, ממש כמו יד ימין ויד שמאל. בכימיה קוראים לתופעה הזאת כיראליות [2,3]. בסביבה שאינה כיראלית, לשתי הצורות, הקרויות אננטיומרים, יש תכונות כימיות כמעט זהות. כאשר יוצרים מולקולה כיראלית מחומרים שאינם כיראליים, ובתגובה אין שום גורם שמעדיף את אחד הצדדים, בדרך כלל מקבלים את שתי הצורות באותן כמויות. אבל כאשר התגובה מתרחשת בסביבה שבה כבר יש חומרים כיראליים, יכולה להיווצר העדפה לאחת הצורות. חישבו על כפפות כדי להבין את הרעיון: כפפה ימנית ושמאלית דומות מאוד, אך רק אחת מהן תתאים היטב ליד ימין. 

דוגמאות לכיראליות -תמונת מראה ידיים ומולקולות נוצר באמצעות gemini

באופן מפתיע, בעולם החי ההבדל בין שתי "הידיים" המולקולריות נעשה מכריע. החלבונים שלנו בנויים כמעט רק מחומצות אמיניות מסוג תמונת ראי אחת, ואילו הסוכרים שב־DNA שייכים דווקא לצורה האחרת. נראה כאילו החיים בחרו רק כפפה אחת, והביוכימיה היא לרוב בעלת כיראליות זהה – הומוכיראלית.

הומוכיראליות אינה רק פרט מסקרן: האחידות הכיראלית של החומצות האמיניות והסוכרים חיונית למבנה ולתפקוד של חלבונים, אנזימים, DNA ו־RNA. בלי הבחירה העקבית הזאת ב"יד" אחת, צורות החיים המוכרות לנו לא היו יכולות להתקיים כפי שהן.

במשך שנים זו הייתה אחת התעלומות הגדולות בביוכימיה ובחקר ראשית החיים. כאמור, כאשר יוצרים במעבדה מולקולה כיראלית בלי שום גורם שמעדיף צד מסוים, מתקבלת בדרך כלל תערובת שווה של שתי צורות הראי, שנקראת תערובת רצמית. אם כך, בעולם הקדום, לפני שהיו תאים, אנזימים או DNA, איך נוצרה ההעדפה הכמעט מוחלטת של צד אחד? האם אירע משהו שהיטה מעט את הכף, ואז ההטיה הזעירה הזאת הלכה והתחזקה? השאלה הזאת מעסיקה את קהילת המדע מאז המאה ה־19.

כבר ב־1953 הציע הפיזיקאי צ'רלס פרנק פתרון תאורטי מבריק: די בכך שייווצר במקרה עודף זעיר של אחת מצורות הראי, אם קיימת תגובה שבה אותה צורה גם מעודדת את היצירה שלה עצמה, ובמקביל נחלשת יצירת הצורה המתחרה. זהו מעין "אפקט כדור שלג" מולקולרי: יתרון מקרי זעיר יכול להפוך עם הזמן לשליטה כמעט מוחלטת. אלא שבמשך עשרות שנים זו הייתה בעיקר אפשרות מתמטית, לא דבר שמישהו הצליח באמת לממש בכימיה.

כאן נכנסים לתמונה חתני הפרס. קגן הראה בשנות השמונים שבתגובות שבהן משתמשים בזרז (קטליזטור) כיראלי, הקשר בין מידת הכיראליות של הזרז ובין זו של התוצר אינו חייב להיות פשוט ולינארי. הבדל קטן בהרכב הזרז יכול ליצור הבדל גדול הרבה יותר בהרכב התוצרים. כך הוא הראה מנגנון ממשי שיכול להגביר אסימטרייה מולקולרית.

סואי הלך צעד נוסף ומדהים. הוא פיתח תגובה אוטוקטליטית, כלומר תגובה שבה התוצר עצמו משמש זרז ליצירת עוד מאותו תוצר, שבה המולקולה הכיראלית הנוצרת מסייעת לייצר עוד מאותה "יד". בתחילת התגובה נוצרות שתי צורות הראי, אבל די בעודף זעיר של אחת מהן כדי להעניק לה יתרון. היתרון הזה מתחזק מסבב לסבב, עד שאחת הצורות יכולה להגיע ל־99.99% מתערובת התוצרים. בניסויים מסוימים הצליחה המערכת להגביר אפילו עודף אננטיומרי זעיר ביותר עד לקבלת תוצר שכמעט כולו "יד" אחת.

חשוב להדגיש: תגובת סואי אינה שחזור של התהליך שהתרחש בראשית החיים, והיא אינה מוכיחה שזהו המנגנון שיצר את ההומוכיראליות הביולוגית. חשיבותה היא כהוכחת היתכנות: היא הראתה שכימיה לבדה יכולה לקחת הבדל זעיר בין שתי צורות ראי ולהגביר אותו עד שכמעט רק אחת מהן נותרת. למעשה, ועדת פרס נובל מציינת שהתגובה עצמה אינה מתאימה ישירות לכימיה המימית שבה מחפשים כיום את מקורות ההומוכיראליות של החיים.

הישגיהם של קגן וסואי מקרבים את המדע לתשובה אפשרית לשאלה עתיקה הרבה יותר: כיצד מתוך עולם כימי סימטרי, יכול להיוולד עולם חי שבחר צד, ומאז, במשך מיליארדי שנים, כמעט לא החליף אותו.

למחקרים האלה יש גם צד מעשי מאוד. בתרופות, בחומרי טעם וריח, בחומרי הדברה ובחומרים מתקדמים, לא פעם חשוב מאוד איזו מצורות הראי של המולקולה מייצרת התעשייה. בגוף החי אננטיומרים שונים עשויים לפעול אחרת זה מזה, משום שגם הקולטנים והאנזימים שלנו כיראליים. 

דוגמה בולטת לכך היא התרופה תלידומיד [4,5] שבשלהי שנות החמישים נרשמה לנשים הרות למניעת בחילות, וגרמה למומים מולדים קשים בעוברים שלהן. אחד האננטיומרים שלה הוא טרטוגני, כלומר גורם למומים בעובר, בשעה שהאננטיומר השני פחות בעייתי במידה ניכרת. אך במקרה של תלידומיד יש בעיה נוספת, והיא שהצורה הלא בעייתית לכאורה הופכת לצורה הטרטוגנית בתנאים ביולוגיים בגוף האדם. 

ההבנה של קגן את ה"אפקטים הלא־לינאריים" מאפשרת לכימאים להבין טוב יותר כיצד פועלים זרזים כיראליים ולתכנן תגובות שמייצרות בעיקר את הצורה הרצויה. עבודותיהם של קגן וסואי הן אפוא גם חלק מהיסודות שעליהם נשענת כיום הסינתזה האסימטרית המודרנית – היכולת לייצר באופן מבוקר מולקולות בעלות "יד" מסוימת.

וכמה מילים על הזוכים עצמם: אנרי קגן, יליד 1930, הוא כימאי צרפתי ופרופסור אמריטוס באוניברסיטת פריז־סוד, ומחלוצי הסינתזה האסימטרית. קנסו סואי, שנולד בהירושימה ב־1950, הוא פרופסור אמריטוס באוניברסיטת טוקיו למדע. תגובת סואי, שעליה עבד במשך שנים, מתוארת במסמך של ועדת נובל כאחד הניסויים הכימיים האלגנטיים ביותר שנעשו אי פעם – ניסוי שבו הכימיה עצמה מראה כיצד יתרון כמעט בלתי מורגש יכול להפוך לעולם שלם שבוחר צד אחד.

מאת: ידיד העמותה ד"ר איתן קריין

עריכה: גליה הלוי שדה

מקורות והרחבות

1.1 פרס נובל 2026 - רפואה
1.2 אופטוגנטיקה
1.3 תיאור מציאת ChR2 על ידי הגמן ונאגל
1.4 ניסוי האופטוגנטיקה הראשון בעכברים
1.5 מאמר סקירה על התפתחות שיטת האופטוגנטיקה
2.1 פרס נובל 2026 - פיזיקה
3.1 הכרזת ועדת פרס נובל על הזוכים בכימיה
3.2 חומצה טרטרית – מדע גדול בקטנה
3.3 פוסט עבר על כיראליות
3.4 על הכיראליות של תלידומיד
3.5 תלידומיד: ברכה וקללה בכדור אחד – מדע גדול בקטנה