פיתוח חדש: "נוזלים חכמים" ישמשו כחיישנים ביולוגיים רגישים

פיתוח חדש של אוניברסיטת תל אביב יאפשר יצירת "נוזלים חכמים" אשר ישמשו כחיישנים ביולוגיים רגישים. חומרים חכמים הם חומרים שמסוגלים "להרגיש" את סביבתם בכך שיש להם את היכולת להשתנות באופן משמעותי כתוצאה מגירוי חיצוני שנקבע מראש. החידוש המשמעותי בפיתוח הוא שלראשונה, הוצגה במחקר אפשרות לייצר נוזל חכם שמשמש כחיישן ומצב הצבירה הנוזלי פותח פתח לשימוש בחומרים החכמים במגוון שימושים שלא היו אפשריים עד היום בחומרים חכמים מוצקים.

צוות החוקרים מסביר כי הייחודיות של הנוזלים החכמים היא שכתוצאה מהתכונות הכימיות שלהם הנוזלים נשארים נפרדים אחד מהשני ויוצרים טיפות מובחנות, שנקראות קונדנסנטים - כמו טיפות זעירות של חומץ בלסמי שצפות בשמן זית. בעזרת עיצוב מדויק של המבנה וההרכב של המולקולות בתוך אותם קונדנסנטים יכולים החוקרים לקבוע למה להגיב וכיצד להשתנות בהתאם לסביבה.

המחקר נערך בהובלת המאסטרנטית עמית נצר מהמעבדה של ד"ר אילה למפל מבית הספר שמוניס לביו-רפואה וחקר הסרטן, הפקולטה למדעי החיים באוניברסיטת תל אביב. במחקר השתתפו גם חוקרים נוספים מהמעבדה, בהם איתי קציר וד"ר אביגיל ברוך לשם, וכן  ד"ר מיכל ויטמן מאוניברסיטת בר אילן. המחקר פורסם בכתב העת  PNAS.

ד"ר למפל מסבירה שהמחקר שלה נערך בהשראת תהליכים שמתרחשים בטבע. "בתוך התאים בגופנו יש מספר רב של אברונים שמשמשים למטרות שונות, למשל כמיני-מפעלים לייצור מולקולות שנדרשות לקיום ותפקוד התא. חלק מאותם אברונים מוקפים בממברנה, אולם אחרים נבדלים מסביבת התא הכללי בתהליך שנקרא הפרדת-פאזות בין נוזלים - שנובע ממספר רב של אינטראקציות חלשות שמתרחשות בין המולקולות שמרכיבות את האברון, וביחד יוצרות את ההפרדה משאר הסביבה ואת היצירה של קונדנסנט עם מיקרו-סביבה ייחודית".

היא מוסיפה: "בתאים, הקונדנסנטים הללו מורכבים בדרך כלל מתערובת של חלבונים וחומצות גרעין - החומר הגנטי של התא. חלבונים שלמים, שבנויים ממאות חומצות אמינו, הם מאתגרים לעבודה במעבדה. לכן אנחנו משתמשים  ב'מיני-חלבונים' שבנויים משרשראות קצרות של חומצות אמינו במקום בחלבונים ארוכים. בשל אורכם הקצר, המיני-חלבונים לא מתקפלים ונותרים חסרי מבנה יציב, והגמישות הזו היא שמאפשרת להם לייצר את האינטראקציות עם חומצות הגרעין שיוצרות את הפרדת הפאזות ואת הקונדנסנטים".

כמו כן, בעזרת מחקר של רצפי חומצות האמינו שנפוצים בקונדנסנטים שקיימים בטבע, ד"ר למפל וחוקרים אחרים בתחום זיהו רצפים שממלאים תפקידי מפתח ביצירה של מגוון קונדנסנטים שונים בתאים בגוף. "הבנה זו מאפשרת לנו להשתמש ברצפים שונים כמו אבני לגו בעיצוב המיני-חלבונים שלנו כדי לשלוט בפונקציות הספציפיות שאנחנו רוצים שיהיו להם", היא מוסיפה.

במחקרים קודמים, ד"ר למפל הראתה איך לבנות את הקונדנסנטים כך שישחררו את המטען שהם מכילים בתגובה לאור - פיתוח שיכול לשמש לשחרור מבוקר של תרופות בגוף או לתפקודים אחרים. במחקר החדש, היא ניסתה לבחון גישה אחרת לשימוש בנוזלים החכמים כדי שישמשו כ"חיישנים אופטיים" - שהם ישנו את הצבע ועוצמת הפלורוצנטיות שלהם בנוכחות ובתגובה לאנזים ספציפי.

"רצינו לראות אם נוכל לתכנן קונדנסנטים שישמשו כחיישנים. מלנין, הפיגמנט שקובע את צבע העור שלנו, נוצר בגוף כאשר אנזים מסוים מחמצן חומצת אמינו בשם טירוזין. רמות גבוהות של האנזים מאפיינות מחלות עור שונות, החל מהיפרפיגמנטציה וכלה במלנומה. לכן, החלטנו לתכנן את המיני-חלבון שלנו כך שיכיל טירוזין. כתוצאה מכך, כשהוספנו לנוזל את האנזים, הוא חימצן את המיני-חלבונים ושינה את התכונות האופטיות שלהם - הפך אותם פלורוסנטיים. בצורה זו, הראנו שניתן לייצר נוזל חכם שישמש כחיישן ביולוגי, במקרה זה לנוכחות האנזים".

כעת, ד"ר למפל ועמיתיה עובדים על תכנון קונסנסנטים עם מגוון תכונות אחרות, והיא מדגישה כי המחקר שלה ממוקד גם במדע הבסיסי. "אנחנו מנסים לגלות ולהרחיב את השימושים והיכולות של מה ניתן לעשות עם נוזלים חכמים", היא מספרת.

כך, למשל, מעבר לייצור של חיישנים ביולוגיים רגישים, בעזרת שליטה מדויקת בהפרדת הפאזות ניתן לתכנן נוזלים חכמים שישמשו לייצור יעיל ופשוט של תרופות שהיום, כדי לייצר אותן בקנה מידה תעשייתי, יש צורך בתנאים מורכבים ויקרים. ד"ר למפל גם חוזה כי בעתיד הקונדנסנטים יוכלו לשמש ככלים להובלת תרופות לתוך הגוף, ואפילו ישמשו כמפעלים זעירים שמפיקים את התרופות בתוכנו. "אפשר יהיה גם לתכנן אותם כדי שיגיבו לסביבות ספציפיות וכך לשלוט היכן בדיוק בגוף הייצור מתרחש", היא מסבירה.

"זהו תחום מחקר חדש לחלוטין. הוא עדיין לא יודע מה הוא ולמה הוא טוב. אבל הוא מתרחב במהירות. אפשר לראות זאת במספר הרב של פטנטים ומאמרים בתחום שמתפרסמים מדי חודש בחודשו", מסכמת ד"ר למפל.