מ-IBM לפרס נובל: החוקר שהקדיש את חייו למולקולות

פרופ' ויליאם מורנר, זוכה פרס נובל לכימיה לשנת 2014, גילה לפני 25 שנה את השיטה למפות מולקולות ושינה את האופן שבו אנחנו מסתכלים על חומרים ■ היום התגלית שלו משפיעה גם על המחקר בתחומי הרפואה

פרופ' ויליאם מורנר / צילום: רויטרס
פרופ' ויליאם מורנר / צילום: רויטרס

רובנו כבר יודעים היום שהגוף שלנו עשוי ממולקולות ושאינטראקציות בין מולקולות מכתיבות את החיים שלנו, את המתרחש בתוכנו ובעולם שמסביב. אבל עד לפני כ-25 שנה אף אחד בכלל לא ידע איך נראית מולקולה. גם במיקרוסקופים הכי מדויקים שהיו בנמצא חוקרים יכלו לראות רק צברים של מולקולות והם הסיקו על המבנה שלהם רק מהתבוננות בהתנהגותם. פרופ' ויליאם מורנר מאוניברסיטת סטנפורד, זוכה פרס נובל לכימיה לשנת 2014 ופרס וולף ב-2008, הוא מהראשונים שראו מולקולה יחידה, והשיטה שפיתח לצפות במולקולות יחידות הובילה להבנה שהן בעצם מתנהגות באופן שונה מאוד מכפי שחשבו (ראו מסגרת). להבנה הזאת יש היום השלכות נרחבות על האופן שבו מעבדים חומר, והיא מיושמת גם בתחום הנדסת החומרים וגם בתחום הרפואה.

ותודה ל-IBM

כמו גילויים והמצאות רבות של זוכי פרס נובל, גם על הגילוי של מורנר אמרו שהוא בלתי אפשרי, עד שהוכח שכן.

- מה הוביל אותך לתקוף את הבלתי אפשרי? זה סיכון.

"בתחילת הדרך בכלל לא יצאתי לראות את המולקולה האחת. עבדתי אז במעבדות המחקר של ענקית המחשבים IBM. זו הייתה תקופה שבה כל אחת מחברות ההיי-טק הגדולות הפעילה מעבדת מחקר ענקית שעסקה במחקר יישומי לצד מחקר בסיסי. מה ש-IBM ביקשה ממני לעשות זה לאגור מידע בתוך היחידה הקטנה ביותר האפשרית של חומר ביולוגי, במחשבה ששיטת אגירה כזו תחליף את הזיכרון המגנטי שאנחנו מכירים היום. ניסיתי לאגור מידע בתוך מולקולות באמצעות חיבור תגים זוהרים אליהן, ושליטה בהדלקה ובכיבוי של אותם תגים. אז ראינו שהמולקולות מתנהגות באופן משונה - לא כולן זוהרות באותו זמן. הן נדלקות ונכבות, ובכל פעם זוהרת רק מולקולה אחת בכל סביבה. פתאום הבנתי שאני יכול אולי להשתמש בזה כדי למדל מיקום של מולקולה בודדת. ידעתי שזה נחשב בלתי אפשרי, וזה מה שהיה לפתע מלהיב כל כך.

"אחד הדברים שגיליתי בתהליך הזה הוא שתמיד יש דינמיקה בין המדע הניסויי למדע התיאורטי. כשהתחלתי לחקור את התחום בעקבות התצפיות שעשיתי, כמעט שלא היו תיאוריות לגבי מה נראה כשנגיע לרמה של המולקולה האחת, כי הרי אף אחד לא חשב שנגיע לשם ונוכל להפריך או להוכיח את התיאוריות האלה, אז בשביל מה? מרגע שהייתה תצפית, חלה פריצה אדירה גם בתחום התיאורטי.

"בדיעבד הבנתי שהיו כל מיני סימנים בניסויים קודמים לאותו גילוי מפתיע - דינמיקה של מולקולות בתוך מוצקים, בעיקר בפולימרים ומוצקים אמורפיים, ולכן זה לא עד כדי כך בלתי מתקבל על הדעת כפי שחשבנו תחילה, שמולקולות יזוזו וישתנו במוצק. כלומר, עוד לפני המחקר שלי, העולם הבין שלא הכול גלוי לנו ביחס להתנהגות המולקולות, אבל עדיין לא היה אפשר לראות את זה".

- פיתחתם לבסוף את זיכרון המחשב הביולוגי שהיה הטריגר לכל המאמץ?

"ובכן, לא, ולאו דווקא משום שזה בלתי אפשרי, אלא משום שהחלופה המתחרה, הזיכרון המגנטי (זה שבו אנחנו משתמשים עד היום), התפתחה כל כך מהר, ועברנו במהירות מאגירת קילוביט למגהביט לג'יגהביט של מידע באותו היקף מקום, עד שבאיזשהו שלב כבר לא היה תמריץ להשקיע בחקר טכנולוגיה מתחרה".

- מדוע עזבת את IBM וחזרת לאקדמיה?

"המעבדות הללו, שפעלו בכל חברות המחשוב והתקשורת הגדולות, פשוט הלכו והצטמצמו עם השנים. תעשיית המחשוב הפכה כל כך תחרותית, עד שהמוצרים הפכו מחדשנות שמשלמים עליה הון למוצרי צריכה זולים. כבר לא היה משתלם לחקור ברמה הזאת. מעבר לכך, ידעתי שהיישומים הכי מלהיבים לטכנולוגיה שלי יהיו דווקא בביולוגיה. רציתי חופש רב יותר לחקור אותם, ובIBM זה לא היה אז רלוונטי".

- כשהצלחת לצפות במולקולה אחת, מיד הבנת שזה "זה"?

"אחרי הניסוי הראשון חששנו מאוד ובמשך שישה חודשים בדקנו שאכן מדובר במולקולה אחת. רצינו להיות מאוד בטוחים שזה באמת זה. כל דבר שראינו היה דבר חדש, שמעולם לא נראה בעבר, ולכן זה היה מלהיב מאוד אבל גם קצת מבהיל. כיוון שתיקפנו את הממצאים שלנו כל כך טוב, המאמר שלנו התקבל על ידי העמיתים שלנו די מיד. לא היינו צריכים להתווכח אם באמת ראינו מה שראינו או אם זה חשוב. לא היינו צריכים 'לשווק' את הגילוי".

- ידעת מיד שזה גילוי שראוי לנובל.

"למעשה, כן. כשזה קרה אמרתי לעצמי שפריצת הדרך מדהימה וראויה לנובל, אבל זה היה לפני 25 שנה, ולא רציתי להתאכזב בכל שנה. לכן שידלתי את עצמי לשכוח מזה. כשזה הגיע, באמת ובתמים הופתעתי. זה היה כיף ומרגש".

רמז לכך שמורנר עשוי לזכות בפרס נובל ניתן לו כאמור ב-2008, כשזכה בפרס וולף, פרס הניתן בישראל לחוקרים מכל העולם ולעתים קרובות מנבא את הזכייה בנובל, בעיקר בתחומי הכימיה והפיזיקה. בין היתר זכתה בו פרופ' עדה יונת ממכון ויצמן.

- חייך השתנו בעקבות הזכייה?

"יש כמובן הרבה יותר פניות שגוזלות זמן. קשה מאוד לבחור בין ההזדמנויות השונות לראיונות והרצאות, וזה אתגר החיים שלי כרגע. החלטתי על סדר עדיפויות - קודם כול אני מחויב למעבדה ולסטודנטים שלי. רק אם ברור לי שהמעבדה מתנהלת כמו שצריך, אני יכול לנסוע ואז אני מעדיף את ההרצאות שבהן אני יכול להשפיע על קהל צעיר, להלהיב אותם לגבי הבחירה במדע כמקצוע, כי חסרים לנו היום בארה"ב מדענים. אני נוסע רק כמה פעמים בשנה כדי לשמור על הבריאות שלי, ואני גם צריך להיזהר יותר בדבריי כי אנשים חושבים שכל מה שאני אומר זה נורא חשוב, אבל אני בעצם בן אדם רגיל".

מעבר לזה, אומר מורנר, "הייתי רוצה לקרוא יותר. לטייל בטבע. לפני עשור הייתי עושה את הדברים האלה עם הבן שלי, כי לא הייתה ברירה. בינתיים הוא גדל, ושכחנו".

איך צריכה להיראות מחברת

מורנר אולי רואה את עצמו כאדם רגיל, אך הביוגרפיה שלו חושפת ילד שהצטיין בלימודיו ועסק בפעילויות רבות במקביל - נגינה בבסון, הדרכה בצופים, השתתפות בנבחרת עימותים מילוליים וחוג דרמה, ואפילו עריכת עיתון בית הספר. "נראה שכיוון שהייתי די חכם, לא הייתי צריך להשקיע הרבה מדי בלימודים ויכולתי לעשות עוד דברים", הוא אומר היום. "אני מוחה על ההגדרה שהייתי טוב בכול. לא הצטיינתי בספורט והיו גם אנשים שהתבטאו בכתב טוב ממני, כפי שאמא שלי, המורה לאנגלית, נהגה לציין".

מורנר, שנולד בקליפורניה אך העביר את רוב שנות ילדותו בטקסס, טוען שהוא היה עלול לבלות את כל החיים האקדמיים שלו בטקסס אלמלא אחד היועצים בבית הספר עודד אותו להירשם לתוכנית מצטיינים במדעים באוניברסיטת וושינגטון. "התוכנית הייתה מצוינת, וגם המעבר עצמו למדינה אחרת בארה"ב הוציא אותי באופן מוצלח מאזור הנוחות שלי", הוא מספר.

באוניברסיטת וושינגטון חש עד מהרה בנוח והשלים שלושה תארים ראשונים - במתמטיקה, בפיזיקה ובהנדסת חשמל. אחד המרצים שלו ציין בעבר שהוא עדיין שומר את מחברות המעבדה של מורנר, כדי להראות לתלמידים מהי מחברת מעבדה מסודרת ומאורגנת, שאפשר לעבוד איתה.

- איך אתה מסביר את ההתלהבות הזאת שלך ממדע, עד כדי השלמת שלושת התארים הראשונים הקשים ביותר באוניבריסטה?

"אמא שלי, שהייתה כאמור מורה, ואבי המדען לימדו אותי מדע בצורה מאוד חווייתית. הם יזמו איתי ניסויים מדעיים שביצענו בחצר האחורית והקצו את המחסן לפעילות הזאת שלי. כל דור הילדים שגדלתי איתו היו דור של ילדי מדע, בזכות ההתלהבות ממרוץ החלל, הצורך שבער בנו לנצח את ספוטניק (החללית ששיגרה ברה"מ לחלל לפני האמריקאים - ג"ו), וגם לראות בעצמנו עולמות אחרים.

"בעוד המשיכה שלי למדע הייתה טבעית, והכישרון כנראה מולד, אני חושב שההורים שלי הם אלה שהטמיעו בי את הערך של עבודה קשה, ואת החשש מפני בזבוז זמן. לאמא שלי היה משפט קבוע, 'הבטלה היא חדר העבודה של השטן'.

"היום אני רואה את עצמי עדיין כסטודנט נצחי, וזה מה שמדרבן אותי הלאה. אני תמיד אוהב ללמוד תחומים חדשים. כך, אחרי שלמדתי פיזיקה, התמקדתי בפיזיקה הכימית ולמדתי גם כימיה ועכשיו אני מלמד את עצמי ביולוגיה. אין כמו הלימוד של תחום חדש לגמרי".

- איך אתה מתמודד עם אתגרים? במחקר לא הכול הולך כצפוי, גם לך.

"ודאי. כשרוצים להיות בחזית המדע, לפעמים הולכים יותר מדי רחוק ומבינים שזה באמת לא הולך לעבוד. הדרך היחידה שאי מכיר להתמודדות עם הכישלון היא להתייחס אליו כחוויית למידה, כי אם תכננת היטב ונכשלת, סימן שקרה משהו בדרך שלא צפית וזה בדיוק הדבר שצריך ללמוד. אם יש תשוקה ללמוד דברים נוספים, זה מה ששולף אותך מהכישלון, כי הסקרנות המחודשת תופסת את המקום של התסכולים וחוסר הביטחון".

כישלון שקשה לו יותר להתמודד איתו קשור בהגשת בקשות למענקים. "העבודה באקדמיה נהדרת", הוא אומר, "אבל כתיבת הבקשות למענקים עד היום שואבת ממני כל כך הרבה זמן. עד היום חלק מהבקשות נכשלות, וזה, איך לומר, דווקא לא סוג הכישלון שמעודד אצלי את היצירתיות. הלוואי שהייתה לי דרך להשיג מענקים בלי לכתוב את הבקשות האלה".

דברים שרואים באור זוהר: הדרך לתגלית של מורנר

"יש מכונות קטנות מאוד בתוך התאים שלנו, שזזות ויוצרות מבנים ומפעלים קטנים בתוך התא, וזה מה שמאפשר לתא החי לעבוד", אומר מורנר על המולקולות, "אבל עד לפני 25 שנה לא היינו יכולים לראות את הפרטים שלהם, משום שאורך הגל של האור הוא גדול מהמבנים הללו עצמם, ולכן צפייה באור המוחזר אינה נותנת לנו מידע, אנחנו רואים בעצם רק הילת אור מטושטשת, ולא ידענו איך חלקים שונים בתוך התא שלנו נראים ופועלים בדיוק. היה לנו רק ניחוש גס".

מורנר למעשה תייג מולקולות באור זוהר, פלורסנטי. "עוד לפני שניתן היה לראות מולקולה, היה אפשר לנחש מספיק לגבי המבנה שלהם, כדי להנדס "זנבות" שידבקו לכל מולקולה קיימת בדגימה ויוסיפו לה תכונות. למשל, ניתן היה להדביק "זנב" זוהר, חומר פלורסנטי שפולט אור משלו. אלה אותם חומרים שגורמים לטושים לזהור ולשרוכי נעליים להאיר בחושך", אומר מורנר. חומרים זוהרים משמשים בתעשיית הכימיה והביולוגיה זה זמן רב, אולם בניסיונות שעשה מורנר בצביעה פלורסנטית של מולקולות, הוא גילה תכונה שאפשרה לו לזהות את המיקום של של מולקולה יחידה בכל פעם. התברר שכאשר מחברים למולקולות הללו תג פלורסנטי מסוים שגילה מורנר, הוא לפעמים נדלק ולפעמים נכבה, ולא כל המולקולות נכבות ונדלקות בבת אחת. הן מנצנצות באופן אקראי, פעם זו ופעם זו.

"זו הייתה הפתעה", אומר מורנר, "מדוע שיהיה הבדל בין שתי מולקולות שיושבות זו ליד זו ואחת תידלק ברגע מסוים ואחת ברגע אחר? מתברר שהמולקולות כל הזמן משתנות, כל הזמן מחליפות צורה ומיקום, והן עושות זאת באינטראקציה עם הסביבה שלהן. כל מולקולה מושפעת קצת אחרת מסביבתה". גילוי התכונה הזאת פתח למעשה את הדרך למיפוי של מולקולות בודדות, משום שכאשר רק מולקולה אחת באזור מסוים נדלקת, ניתן להניח שמרכז הילת האור שנובעת ממנה הוא מיקומה האמיתי. לעומת זאת, אם הרבה מולקולות באותה הסביבה היו מאירות באותו זמן, נקודות האור היו מתערבבות ומפריעות זו לזו, ולא היה ניתן לדעת היכן נמצא המקור של כל אחת ואחת. ניתן לדמות זאת לניסיון לזהות מיקום של אדם עם פנס בלילה. אם הוא מאיר במדבר חשוך, ניתן לזהות אותו מיד, אם הוא מנופף בפנס בעיר גדולה שיש בה אורות רבים, לא ניתן לזהותו. מורנר למעשה גילה שיטה המאפשרת לכל אדם בעיר להדליק את הפנס שלו בזמן אחר.

- אז התנהגות התג הזוהר על גבי המולקולה היה גם חלק מהגילוי וגם הכלי שבו השתמשתם כדי לבצע גילויים נוספים.

"נכון. אם בעבר ההנחה הייתה שכל המולקולות הזהות מתנהגות באותו אופן, התברר שהתנהגותן הרבה יותר מורכבת, והן משתנות תמיד, כל אחת באופן עצמאי. המחקר התגלה כהרבה הרבה יותר מסובך ממה שחשבנו. כעת אנחנו עובדים על כך".

במעבדתו של מורנר עובדים היום על מיפוי מדויק של מבני חיידקים, כדי להבין היכן ניתן להפריע לחיידקים להתחלק, להתרבות ולחבור חיידק לחיידק לשם יצירת מושבות חיידקים עוצמתיות. "עד כה החיידקים נראו לנו תמיד כגוש גדול. הם היו מאוד לא בפוקוס, וזה לא משהו שאפשר לשפר עם עדשה", אומר מורנר. "אנחנו חוקרים את ההתלכדות של חלבונים במחלות ניווניות של המוח, כמו הנטינגטון. החלבונים הללו חוברים זה לזה ויוצרים מבנים מורכבים שכנראה אחראים להתקדמות המחלה. באמצעות השיטה שלנו ניתן להבין הרבה יותר טוב איך נראים המבנים האלה ואיך מתרחש החיבור בין החלבונים".

אחד החוקרים במעבדה הוא הישראלי ד"ר יואב שכטמן, שבוחן איך ניתן ליישם את רעיון מיקום המולקולות בשיטה של מורנר כדי לקבל תמונה תלת-ממדית של מבנים מולקולריים. אבל לדברי מורנר, לא רק במעבדה שלו אלא בכל העולם הגילוי הוביל לפרץ של מחקרים חדשים.

מורנר יגיע לישראל ב-15 בפברואר עם משלחת של 9 פרופסורים לכימיה מאוניברסיטת סטנפורד ובהם חתן פרס נובל בכימיה לשנת 2013 פרופ' מיכאל לויט. המשלחת היא אורחת הכבוד של הכנס השנתי של החברה הישראלית לכימיה שיתקיים בתל אביב, בשיתוף חברת טבע, שיעמוד בסימן 80 שנה להקמת החברה הישראלית לכימיה ויתקיימו בו הרצאות, תערוכה וחלוקת פרסים למדענים מצטיינים. לראשונה מתקיים הכנס בשיתוף פעולה גם עם קרן וולף.

היישומים לטכנולוגיה של מורנר
 היישומים לטכנולוגיה של מורנר

רוצה להשאר מעודכן/ת בנושא גלובס טק?
✓ הרישום בוצע בהצלחה!
צרו איתנו קשר *5988