גישה חדשה למדידת מרחקים ארוכים במולקולות ובקומפלקסים מולקולריים גדולים
ביולוגיה מבנית היא תחום מחקר העוסק בקביעת המבנה ודינמיקת התנועה של מולקולות ביולוגיות גדולות, בעיקר חלבונים לסוגיהם. יש מספר שיטות ניסיוניות המאפשרות קבלת מידע בתחום זה: קריסטלוגרפיית בקרני X ("רנטגן"), מיקרוסקופיה באמצעות קרני אלקטרונים, תהודה מגנטית גרעינית, פלואורסנציה אופטית ותהודה מגנטית אלקטרונית. לכל שיטה יש יתרונות וחסרונות. פרופ' אהרן בלנק מהפקולטה לכימיה בטכניון בחיפה וצוותו עוסקים בתהודה מגנטית אלקטרונית. זוהי שיטה ספקטרוסקופית, כלומר כרוכה במדידת ספקטרום של רמות אנרגיה או של תדירויות אלקטרומגנטיות, ומתבססת על אינטראקציות בין אלקטרונים לא מזווגים לשדות מגנטיים. שיטה זו נשענת על תכונת הספין של האלקטרון, תכונה שאפשר לדמותה לתנע זוויתי, ונקראת גם תנע זוויתי פנימי, אם כי האלקטרון משול לנקודה ולפיכך זעיר מכדי שיוכל ממש להסתובב סביב עצמו.
תהודה מגנטית אלקטרונית נחשבת ליעילה במיוחד לחקר קומפלקסים מתכתיים או רדיקלים אורגניים (מולקולה רדיקלית מכילה בדרך כלל מספר אי-זוגי של אלקטרונים). תהודה מגנטית אלקטרונית מאפשרת לסמן מקטעים שונים בחלבון במולקולות קטנות פאראמגנטיות – כלומר מגנטיוֹת בנוכחות שדה מגנטי חיצוני בלבד – ולמדוד את המרחק ביניהן באמצעות מדידת חוזק האינטראקציה בין המולקולות הקטנות. הבעיה העיקרית בשיטה זו היא שהיא מוגבלת למרחקים קצרים יחסית בין הסמנים, מפני שהיא מתבססת על אינטראקציה קוהרנטית קוונטית, כלומר אינטראקציה המשמרת את הפאזה היחסית בין פונקציות הגל של שני הסמנים. לאינטראקציה כזאת יש זמן חיים קצר יחסית, ולכן אפשר למדוד רק מרחקים קצרים יחסית בין הסמנים הללו. מחקר זה נועד אפוא לפתח שיטה חדשה המאפשרת מדידת מרחקים בין סמנים פאראמגנטיים הנמצאים על מערכות של חלבונים גדולים בהרבה מאלה שאפשר למדוד כיום.
כדי לאפשר יכולת שכזו, המחקר של פרופ' בלנק וצוותו כולל פיתוח מכשור חדש ושיטות מדידה חדשות בתחום התהודה המגנטית האלקטרונית. המכשור החדש רגיש מאוד למדידת דוגמאות, ורגישות גבוהה זו, יחד עם טכניקת המדידה הייחודית שפותחה – המשלבת דחפים (פולסים) של שדות מגנטיים ודחפי מיקרוגל – מאפשרים יחדיו קבלת מרחקים גדולים (מעבר ל-10 ננו-מטר) בין סמנים פאראמגנטיים. הרגישות הגבוהה מתאפשרת, בין השאר, הודות למהודים ממוזערים שפיתח צוות המחקר, כלומר התקנים זעירים היוצרים סוג זה של תהודה, שמאפשרים מדידת דוגמאות ביולוגיות קטנות במיוחד.מחקר זה נועד לפתח שיטה חדשה שתאפשר מדידת מרחקים בין סמנים פאראמגנטיים הנמצאים על מערכות של חלבונים גדולים בהרבה מאלה שאפשר למדוד כיום.
הפעלת הדחפים של שדות מגנטים חזקים וקצרים מתאפשרת בעזרת מקורות זרם ייחודיים שפיתחו פרופ' בלנק ועמיתיו, וסלילים ממוזערים הממוקמים ליד הדוגמה הנמדדת. בהמשך המחקר מיושמת שיטת המדידה החדשה על מערכות מודל של מולקולות עם מרחק ידוע בין שני סמנים פאראמגנטיים עליהן.
עד עתה פותחו המהודים הממוזערים והוכחה היכולת שלהם למדוד אות תהודה מגנטית אלקטרונית מדוגמאות קטנות, תוך הפעלת שדות מגנטים חזקים התלויים בזמן שמקודדים את מיקום הסמנים הפאראמגטים בדוגמה. בעזרת מהודים שכאלו נמדדה, בין השאר, דיפוזיה (פעפוע) של מולקולות פאראמגנטיות בנוזלים למרחקים של עשרות ננו-מטרים. המדענים מקווים שיכולות אלו יאפשרו בקרוב מדידה של מרחקים בין סמנים פאראמגנטיים במולקולות מודל – דבר שיתרום רבות למחקר במולקולות אלה, להבנת מחלות ואף לעיצוב תרופות חדשות.
