ירושלים, 23 באפריל 2026 (TPS-IL) — המסתורין מדוע החיים מעדיפים "יד" מולקולרית אחת על פני תמונת המראה שלה עשוי להיות קרוב יותר להסבר המושרש בפיזיקת קוונטים, ממצא שיכול בסופו של דבר להשפיע על כל דבר, החל מתרופות ועד אלקטרוניקה מהדור הבא.
מחקר ישראלי חדש מציע שתכונה קוונטית זעירה של אלקטרונים, הידועה כ"ספין", עשויה לסייע להסביר מדוע הביולוגיה משתמשת באופן עקבי רק בגרסה אחת של מולקולות רבות במקום במקבילות תמונת המראה שלהן.
מולקולות ביולוגיות רבות מגיעות בשתי צורות מראה, הנקראות אננטיומרים. בכימיה סטנדרטית, שתי הצורות אמורות להתנהג זהה ולהופיע בכמויות שוות. אך במערכות חיות, זה לא המצב. החיים כמעט תמיד משתמשים בגרסה אחת בלבד: חומצות אמינו הן בדרך כלל שמאליות, בעוד שסוכרים הם ימניים. דפוס זה, הידוע כהומוכירליות, חידה מדענים למעלה ממאה שנה.
צוות חוקרים ישראלי בראשות פרופ' יוסי פלטיאל מהאוניברסיטה העברית בירושלים מצא שהתשובה עשויה להימצא באופן שבו אלקטרונים עוברים דרך מולקולות אלו. לאלקטרונים יש תכונה הנקראת ספין, המשפיעה על האופן שבו הם מקיימים אינטראקציה עם חומר. המחקר מצא שכאשר אלקטרונים עוברים דרך מולקולות כיראליות, הספין שלהם מתנהג באופן שונה בהתאם לגרסת מראה שהם פוגשים.
הממצאים פורסמו בכתב העת המדעי המוערך Science Advances.
"החיים הם הומוכירליים. זה לא מובן מאליו, שכן בכימיה סטנדרטית לשתי מולקולות המראה יש את אותה סיכוי להיווצר," אמר פלטיאל לשירות העיתונות של ישראל. "המחקר שלנו שואל מדוע הטבע הוא כיראלי וכיצד הסימטריה נשברת. המאמר הנוכחי מציע שאינטראקציות ספין אלקטרוניות עשויות להסביר את שתי ההשפעות."
הבדלי ספין זעירים משנים
למרות שלשתי גרסאות של מולקולה יש את אותה אנרגיה בתנאים סטטיים, הן אינן מתנהגות זהה במהלך תהליכים דינמיים כמו העברת אלקטרונים ותגובות כימיות. הממצאים מראים שהבדלים אלו יכולים להשפיע על יעילות ההשתתפות של כל צורה בתגובות הכוללות אלקטרונים. לאורך תקופות זמן ארוכות, אפילו הבדלים קטנים מאוד ביעילות יכולים להיות משמעותיים. החוקרים מציעים שאם צורה מולקולרית אחת מתפקדת באופן עקבי מעט טוב יותר בתנאים אלו, היא יכולה בהדרגה להפוך לדומיננטית. זה יכול לעזור להסביר כיצד הביולוגיה הגיעה להעדפת "יד" אחת של מולקולות בכל החיים הידועים.
הממצאים משלבים עבודה תיאורטית, תוצאות ניסוי וחישובים של התנהגות אלקטרונים במערכות כיראליות. הם מצביעים על תפקיד שעד כה הוערך בחסר של אפקטים קוונטיים בתהליכים שהם יסודיים לביולוגיה.
פלטיאל אמר ל-TPS-IL שהמחקר "יש לו יישומים בשוק התרופות, אנרגיה ירוקה, ושיפור מוליכים לתעשיית השבבים."
בתחום התרופות, הגילוי יכול לסייע בשיפור האופן שבו תרופות מעוצבות ומיוצרות. תרופות רבות קיימות בשתי צורות מראה, אך בדרך כלל רק אחת יעילה בגוף האדם. אם ספין אלקטרוני יכול להשפיע על איזו צורה מולקולרית הופכת לדומיננטית, ייתכן שיהיה אפשר לייצר את הגרסה הנכונה ביעילות רבה יותר ובדיוק גבוה יותר.
בתחום האלקטרוניקה וטכנולוגיית המוליכים למחצה, הממצאים עשויים לסייע בטיפול באחד האתגרים הגדלים של התעשייה: ניהול חום בשבבים קטנים וחזקים יותר ויותר. המחקר מציע שחומרים המעוצבים עם תכונות "כיראליות" המושפעות מספין אלקטרוני יכולים לשפר את האופן שבו חום ואותות חשמליים נשלטים. פלטיאל אמר ל-TPS-IL שרעיון זה כבר נחקר מסחרית, ואמר שסטארט-אפ הקשור למחקר עובד על "ציפויים כיראליים ומתכות כיראליות המתמודדות עם ניהול חום בתעשיית המוליכים למחצה."
בתחום האנרגיה ומדע החומרים, המנגנון יכול להוביל לדרכים חדשות לעיצוב חומרים יעילים יותר לתגובות כימיות והעברת אנרגיה. מכיוון שהאפקט קשור לאופן שבו אלקטרונים נעים דרך חומר, הוא עשוי לסייע בשיפור זרזים וחומרים מוליכים המשמשים במגוון טכנולוגיות, כולל מערכות אנרגיה ירוקה. באופן רחב יותר, הוא מרמז על שינוי בגישה, שבה מדענים יכולים לעצב חומרים לא רק על בסיס מבנה כימי אלא גם על בסיס האופן שבו ספין אלקטרוני מקיים אינטראקציה עם צורה מולקולרית.