מחקר בינלאומי: היכן בדיוק עובר הזרם החשמלי במולקולת דנ"א?

מחקר שהתפרסם ב- Nature Nanotechnology בראשות פרופ' דני פורת מהאוני' העברית הדגים לראשונה הולכת זרם חשמלי משמעותי למרחק רב במולקולות של דנ"א. החוקרים הופתעו לגלות כי ההולכה החשמלית עוברת בשידרת הדנ"א, שנחשבה ערוץ הולכה לא סביר. הגילוי משמש כיום כבסיס לפיתוח גלאי שיוכל לזהות ברגישות ובמהירות סמנים לסרטן ואף את וירוס הקורונה

ההתפתחות הטכנולוגית בעשורים האחרונים הגבירה את הצורך בייצור שבבים ורכיבים אלקטרוניים זעירים כדי ליצור כוח חישובי עוצמתי בפחות נפח אחסון. עד עתה, הושג אותו מזעור בכלים טכנולוגיים מסורתיים בעולם המחשוב, אולם המשך אותה מגמת מזעור דורש חשיבה מחוץ לקופסה. כיוונים חדשים הובילו את החוקרים לפנות בחזרה ל"אמא טבע", שמסתבר שגם בעולם הננומטרי מלמדת אותנו דבר או שניים, כמו למשל השאיפה להשתמש בדנ"א כדי לפתח התקנים חשמליים.

עד כה הקהילה המדעית ביססה את ההשערה שזרם חשמלי יכול לעבור דרך מולקולות הדנ"א, אך מעולם לא נעשה ניסוי חד-משמעי שבו נמדד זרם יחסית גבוה למרחק גדול במולקולת דנ"א דו-גדילית בודדת, והמסביר במדויק את מנגנון ההולכה. בעשרים השנים האחרונות הפרדיגמה המקובלת הייתה שהזרם החשמלי עובר דרך בסיסי הדנ"א הקושרים את שני הסלילים. עם זאת, התוצאות לגבי מנגנון ההולכה לא היו חד-משמעיות ובחלקן אף סתרו את האפשרות שזרם יכול לעבור דרך מולקולת הדנ"א.

במאמר שהתפרסם לפני ימים אחדים בכתב העת היוקרתי "Nature Nanotechnology", צוות מדענים בינלאומי בראשות חוקרים מהאוניברסיטה העברית, בהובלת פרופ' דני פורת מהמכון לכימיה ומהמרכז לננו-מדע וננו-טכנולוגיה, הצליח לראשונה למדוד הולכת זרם חשמלי משמעותי במולקולה דו-גדילית בודדת וארוכה יחסית של דנ"א, ולהסביר את המנגנון העומד מאחורי ההולכה. ההצלחה למקם ולזהות מולקולות בודדות בין אלקטרודות ולמדוד זרמי חשמל במולקולות בודדות של דנ"א, אפשרה לחוקרים להראות שבניגוד לפרדיגמה השולטת מזה כ-20 שנים, מירב הזרם עובר דווקא דרך שידרת הדנ"א (החלק החיצוני של הסליל הכפול – מערכת סוכרים וזרחנים). הייחוד בשיטה זו הוא מידת האמינות, הדירות הניסוי והיציבות שאפשרו ביצוע מגוון רחב של ניסויים, מהם ניתן ללמוד על תכונות ההולכה של הדנ"א ולהבין את מנגנון המוליכות.

לדברי פרופ' פורת, "התמודדנו עם מספר אתגרים טכניים קשים ולאחר שהתגברנו עליהם הצלחנו לבצע את הניסוי המבוקר הזה. הצלחנו למדוד זרמים משמעותיים במולקולות דנ"א ארוכות יחסית ולהראות שמנגנון ההולכה שונה ממה שהניחו בקהילה המדעית עד כה. האתגר העיקרי היה נעוץ ביכולת לוודא שכל ניסוי דוגם מולקולת דנ"א בודדת ולמדוד אותה לאורך זמן. אחרי ניסיונות רבים הצליח סטודנט מוכשר מאוד, רומן ז'ורבל, לפתח טכניקה לחיבור יציב של מולקולה בודדת אל המגעים".

"בזכות מגוון המדידות החשמליות הבנו שהזרם החשמלי שעובר בדנ"א לא מושפע משינויים בסדרת הבסיסים של המולקולה (בדנ"א תאי סדרת הבסיסים קובעת את הקוד הגנטי). המסקנה המתבקשת הייתה שהזרם החשמלי עובר דווקא דרך השידרה החיצונית של הדנ"א, המבנה המשותף לכל המולקולות שסדרת הבסיסים שלהם הייתה שונה", מסביר עוד פרופ' פורת. "כדי לוודא שאכן עיקר הזרם עובר דרך השידרה, יצרנו קיטועים בשידרה עצמה משני צדי הסליל הכפול ואכן ראינו שבמקרה זה לא היה זרם".

מעבר לעובדה החשובה שהממצאים מסייעים בהבנה בסיסית של מנגנוני ההולכה החשמלית בדנ"א, התובנות שעלו מהמחקר כבר משמשות לפיתוח גלאים אלקטרוניים שישמשו, למשל, לזיהוי מוקדם של סוגי סרטן בדיוק גבוה וגם לזיהוי רגיש, יעיל ומהיר של וירוס הקורונה. גלאי כזה ינצל את העובדה שהזרם עובר בשידרה החיצונית של הסליל הכפול. "הגלאי יאפשר לדגום ישירות רנ"א ויראלי בלי תרגום לדנ"א שנדרש עבור שיטות ה-PCR הסטנדרטיות, מה שיכול לזרז ולפשט מאוד את תהליך הגילוי", מסביר פרופ' פורת.

פרופ' פורת מדגיש כי מבחינתו זוהי ההצלחה הגדולה ביותר בקריירה שלו עד כה. "ברמה האקדמית הצלחנו להעמיד במבחן הנחה רווחת בת עשרים שנה ולהראות שמנגנון ההולכה החשמלית בדנ"א עובר בשידרה שנחשבה לערוץ הולכה בלתי-סביר. קיימות עוד שאלות רבות שנצטרך לענות עליהן אבל התקדמנו עוד צעד גם ברמה ההנדסית לכיוון השאיפה הגדולה – לבנות מעגלים אלקטרוניים המבוססים על דנ"א".

זאת ועוד, המדידות המתפרסמות כעת יכולות להוות בסיס להתקנים אלקטרוניים כמו מתגים וטרנזיסטורים זעירים. במדידות קודמות שפורסמו לפני כשש שנים, הצליחו החוקרים להעביר זרם חשמלי למרחק גדול במולקולות המורכבות מארבעה גדילי דנ"א על משטח קשה (המחקר פורסם אף הוא ב-Nature Nanotechnology). מדידות אלו היו בסיס לחוטים מוליכים מבוססי דנ"א. "השילוב בין שתי העבודות יוכל לאפשר בעתיד מימוש התקנים אלקטרוניים מורכבים, על בסיס התארגנות עצמית ובייצור זול", מסביר פרופ' פורת.

המחקר הוא תוצאה של שיתוף פעולה אקדמי בינלאומי פורה, בן מספר שנים. הוא נערך על ידי רומן ז'ורבל בהנחיה והובלה של פרופ' פורת ובשיתוף עם פרופ' אלכסנדר (סשה) קוטליאר מאוניברסיטת תל אביב, ועם חוקרים מקפריסין, מספרד, מארצות הברית ומהודו. בפרט, הוא נערך בשיתוף ובהשראה של פרופ' יוסי שפרלינג ז"ל ממכון ויצמן והמאמר מוקדש לזכרו.