הזוכים בפרס נובל בפיזיולוגיה או ברפואה לשנת 2023 הם הביוכימאית ההונגריה קטלין קריקו (Karikó) והאימונולוג האמריקאי דרו וייסמן (Weissman) [1.1]. הם יקבלו את הפרס עבור השינויים שביצעו במולקולות RNA-שליח (mRNA) של יצורים שונים כשהן מסונתזות במעבדה. שינויים אלו הם שאפשרו את הפיתוח של חיסוני ה-mRNA של חברות Moderna ו-BioNTech (בשיתוף עם Pfizer), ששימשו אותנו בעת מגפת הקורונה (CoVid19), ויוסיפו לשמש אותנו בהמשך המגפה (לא, היא לא הסתיימה!) ובפיתוח חיסונים רבים נוספים.

מאת דרור בר-ניר

עד סוף העשור הקודם רוב החיסונים היו מבוססים על חיידקים או על נגיפים שלמים, מומתים או מוחלשים, או על חלבונים שבודדו מהם, שחלקם שובטו ויוצרו עבורנו בנגיפים, בחיידקים, בשמרים או בתרביות תאים (חיסונים רקומביננטיים). כל זה מצריך משאבים רבים וזמן.  

חלבוני המעטפת של אותם חיידקים ונגיפים מחוללי מחלות, שהם המטרה העיקרית שנגדה החיסון צריך לפעול, מיוצרים במקור בהתאם ל-RNA השליח (ה-mRNA, שהוא בעצם העתק של המידע שב-DNA) של אותם גנים מקודדים. כבר בשנות השמונים של המאה הקודמת עלה הרעיון שניתן להשתמש בחיסון ישירות ב-mRNA של חלבון מסוים. הכוונה היא לשימוש ב-mRNA שהרצף שלו ידוע וניתן לייצר אותו במעבדה בקלות ובמהירות, ללא התעסקות בנגיפים או בתאים לסוגיהם השונים, כדי שיחדור לתאים באזור ההזרקה ויגרום להם לייצר את חלבוני המעטפת.

אלא שאז צצו כמה בעיות. ה-RNA הוא חומר מאוד לא יציב, ובנוסף היה צריך למצוא דרך להוביל אותו בגוף. כדי להתמודד עם חוסר היציבות עטפו את ה-RNA בליפוזומים (בועיות שומניות), אך אז צצה בעייה נוספת: הזרקת העתק מעבדתי של mRNA גרמה לדלקת חמורה במקום ההזרקה, דבר שכמעט גרם לפסילה של הרעיון… 

בראשית שנות ה-90, באוניברסיטת פנסילבניה, נכנסה לתמונה קטלין קריקו, שעיקר מחקרה עסק בשימוש ב-RNA לריפוי. הצטרף אליה למחקר האימונולוג דרו וייסמן, שהתמקד בחקר תאים דנדריטיים, תאים בעלי תפקיד מכריע בזיהוי אנטיגנים זרים ובהצגתם לתאים אחרים במערכת החיסון. 

התאים הדנדריטיים של וייסמן זיהו  את ה-RNA המעבדתי של קריקו כגורם זר שיש לסלקו מהמערכת (זו הדלקת שהתפתחה), בעוד RNA שמקורו בתאים אחרים לא זוהה כזר. קריקו, שידעה ש-RNA טבעי יכול לעבור שינויים כימיים לאחר ייצורו, חיפשה נוקלאוטידים חלופיים לנוקלאוטידים ה"רגילים", שימנעו מהתאים הדנדריטיים לזהות את ה-RNA כזר. ביחד הם מצאו כמה נוקלאוטידים כאלה, והעיקרי שבהם היה הנוקלאוטיד פסאודויורידין, שיכול להחליף את הנוקלאוטיד הטבעי יורידין. תגליתם זו התפרסמה ב-2005 [1.2] .

בפרסומי המשך שלהם, ב-2008 וב-2010, הם הראו שה-RNA המלאכותי מאפשר ליצור כמות חלבונים גדולה יותר משמאפשר RNA טבעי [3]. (היורידינים שב-RNA מפעילים חלבון בקרה המכונה PKR, אשר מצמיד אטום זרחן לחלבון מטרה ובכך מקטין את כמות העותקים של החלבון הנוצרת על-פי אותו RNA; גם הפסוידויורידינים מפעילים את החלבון הזה, אך ביעילות פחותה). הייצור היעיל של החלבונים שאפשר בהמשך להקטין את כמות ה-RNA המלאכותי שבחיסון הסופי.

עיצוב: יעל פרידמן-לוי

ב-2010 נכנסה הטכנולוגיה שפיתחו קריקו ווויסמן אל מעבדות המחקר שמפתחות חיסונים. פותחו חיסוני mRNA נגד נגיף הזיקה ונגד נגיף ה-MERS (מקבוצת נגיפי הקורונה), חיסונים אשר לא יצאו ממעבדות המחקר, בשל סיבות שונות.  

בסוף 2019 פרצה מגפת ה-CoViD19, ובתחילת 2021 נכנסו לשימוש שני חיסונים שונים נגד נגיפי ה-SARS2 המבוססים על אותה טכנולוגיה, שבהם נעשה שימוש ב-mRNA של הגן המקודד לחלבון ה-Spike הנגיפי. החיסונים של חברת BioNtech (בשיתוף עם פייזר) ושל חברת Moderna הצליחו להפחית את חומרת המחלה ולהקטין במידה משמעותית את שיעור התמותה ממנה. 

צפוי כי הטכנולוגיה תשמש לפיתוח חיסונים נוספים, לא רק נגד גורמי מחלות זיהומיות, אלא גם נגד מחלות סרטניות. במקרה של האחרונות ישתמשו ב-mRNA המקודד לחלבון המאפיין את תאי הרקמה הסרטנית ואינו נמצא בתאים בריאים, כדי לגרום להפעלתה של מערכת החיסון נגד אותם תאים. 

קודם לזכייה בנובל הוענקו לקאריקו ולווייסמן פרסים נחשבים בעולם המדע, ביניהם פרס הארווי שניתן בטכניון בישראל ונחשב ל"מנבא" טוב של זכיה בפרס נובל. 

לקטלין קריקו לא היה קל באקדמיה. הקשיים שנתקלה בהם במהלך מחקרה על ריפוי ב-RNA לא התקבלו בהבנה באוניברסיטת פנסילבניה, היא התקשתה לגייס כספים למחקריה וכתוצאה מכך הודחה מהמסלול האקדמי. ב-2013 היא נאלצה לעזוב את האוניברסיטה והפכה לסמנ"כלית של BioNtech. רק ב-2021, בעקבות ההצלחה המוכחת של מחקריה, היא חזרה לאוניברסיטת פנסילבניה כמרצה מן החוץ.

פרס נובל בפיזיקה לשנת 2023 יוענק לפייר אגוסטיני מהאוניברסיטה של מדינת אוהיו בארה"ב, פרנס קראוס ממכון מקס פלאנק לאופטיקה קוונטית שבגרמניה ואן ל'הולייר מאוניברסיטת לונד בשוודיה, עבור עבודתם פורצת הדרך בפיתוח שיטה ליצירת הבזקי אור אשר נמשכים פרק זמן קצר ביותר [2.1]. עבודתם של זוכי הפרס תרמה רבות למחקר המעשי בתחומי פיזיקה שונים. 

מאת ולרי פרומקין ועדי ארמוני

כדי לצלם תהליכים מהירים נדרשת מצלמה מהירה, אך איזו מהירות נדרשת? ובכן, התשובה לשאלה תלויה בתהליכים שאותם רוצים לצלם. מצלמות מהירות בטלפונים חכמים יכולות לרוב לצלם בין 240 ל-480 פריימים לשנייה, ומצלמות פנטום, שעולות מאות אלפי דולרים, מגיעות למאות אלפי פריימים לשנייה. אלו קצבים מרשימים, אך הם אינם מתקרבים למהירויות שבהן מתרחשות תופעות קוונטיות רבות וחשובות, כגון מינהור של אלקטרונים, מעבר בין רמות אנרגיה שונות בתוך האטום או תנועת אלקטרונים בתוך מתכות. כדי "לצלם" תהליכים אלו ולחקור אותם נדרשת יכולת ליצור הבזקי אור שנמשכים כמאה אטו-שנייה (אטו-שנייה היא 10 בחזקת מינוס 18 של שנייה, כלומר מיליארדית של מיליארדית השנייה).

הפיתוח מבוסס על עבודתה החלוצית של אן ל׳הולייר משנת 1987, שבה גילתה שכאשר מקרינים גז אציל באור לייזר, האלקטרונים שבגז פולטים הבזק אור קצר [2.2]. בשנת 2001 המשיכו אגוסטיני וקראוס את עבודתה של ל'הולייר, ויצרו הבזקי אור קצרצרים של 250 ו-650 אטו-שנייה [2.3, 2.4].

הטכנולוגיה שפיתחו אגוסטיני, ל׳הולייר וקראוס אפשרה לראשונה לחקור תהליכים דינמיים של חלקיקים בחומר ברזולוציה חסרת תקדים, והובילה לפריצות דרך חשובות רבות בפיזיקה אטומית, פיזיקה מולקולרית ופיזיקה של מצב מוצק.

פרס נובל בכימיה לשנת 2023 יוענק לאלכסיי אקימוב, המדען הראשי של חברתNanocrystals Technology מניו יורק, ארה"ב, לואיס ברוס מאוניברסיטת קולומביה בניו יורק ומונגי בוואנדי מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) שבארה"ב, עבור עבודותיהם בתחום של נקודות קוונטיות (quantum dots). עבודותיהם היוו בסיס מדעי לפיתוח יישומים שונים, שחלקם בשימוש כבר כיום [3.1].

מאת שי אבישר

תכונותיהם של יסודות כימיים נקבעות על ידי מספר האלקטרונים שהם מכילים והאופן שבו אלקטרונים אלו מסודרים. זהו העיקרון שלפיו נבנתה הטבלה המחזורית של מנדלייב [3.2], ועל בסיס זה ניתן לשלוט בתכונותיהם של חומרים שונים. אך יש דרך נוספת להשפיע על תכונותיהם של חומרים, גם ללא שינוי היסודות שבהם (הרכבם הכימי), והיא שינוי גודל החלקיקים שמהם מורכב החומר בממדים הננומטרים (ננומטר = מילארדית המטר), שבהם מתחילות להתרחש תופעות קוונטיות.

נקודות קוונטיות הן חלקיקים גבישיים זעירים, בסדר גודל של ננומטרים ספורים. הם זעירים כל כך, עד שאפשר לומר שבאופן מעשי הם מוגבלים לנקודה אחת במרחב, ומכאן השם "נקודות קוונטיות" [3.3]. בשל גודלן הזעיר, החלקיקים נושאי המטען שבהן כלואים ומוגבלים על ידי רמות אנרגיה בדידות, כאילו היו אטומים בודדים או חלקיק הכלוא בקופסה.

כאשר מעניקים לאטומים בודדים אנרגיה, אפשר לגרום לעירור האלקטרונים שבהם, כלומר להביא את האלקטרונים לרמת אנרגיה גבוהה מהרמה שבה הם נמצאים. כאשר האלקטרונים חוזרים לרמת האנרגיה הנמוכה, נפלט פוטון (חלקיק אור) בעל אנרגיה שווה בדיוק לאנרגיה ששימשה לעירור. הצבע שהאטום פולט (אורך הגל של האנרגיה הנפלטת) תלוי בזהות היסוד שממנו הוא עשוי. זאת מכיוון שלרמות האנרגיה באטומים יש סט ערכים קבוע, או בשפה מדעית – הן "מקוונטטות" (בדידות).

נקודות קוונטיות מתנהגות באופן דומה, אבל במקרה שלהן ההבדל בצבע תלוי בגודל הנקודה, או בגודל ה"קופסה" שבה כלוא החלקיק, ולא בזהות היסוד. ככל שהקופסה גדולה יותר, אורך הגל גדול יותר והצבע יהיה קרוב יותר לאדום, וככל שהיא קטנה יותר, אורך הגל קטן והצבע יתקרב לכחול. הסיבה לכך הם פערי האנרגיה (band gap) הקיימים בין הרמות בנקודות הקוונטיות, אשר משתנים כתלות בגודל הקופסה. נקודה קוונטית קטנה יותר (קופסה קטנה יותר) תהיה בעלת פער אנרגיה גדול יותר, ולכן תדרוש יותר אנרגיה לעירור, ואילו לנקודה קוונטית גדולה יהיה פער אנרגיה קטן, ותידרש פחות אנרגיה לעירור.

למעשה, כבר במאה ה-16 נעשה שימוש ב"נקודות קוונטיות" של זהב לצביעת זכוכית. האומנים פשוט לא ידעו שאלה "נקודות קוונטיות", הם רק ידעו שאפשר ליצור תמיסת זהב בצבע אדום [3.4].

בתחילת שנות ה-80 של המאה הקודמת, הפיזיקאי הרוסי אלכסיי אקימוב גילה לראשונה את תופעת הנקודות הקוונטיות במוצקים. הוא הדגים שינוי בצבע של זכוכית ובה נקודות קוונטיות עשויות נחושת-כלוריד כתוצאה משינוי גודלן של הנקודות [3.5]. בהמשך, בסוף שנת 1982, גילה הכימאי האמריקאי לואיס ברוס את אותה תופעה בתמיסות קולואידיות (חלקיקים מוצקים קטנים המפוזרים בחומר זורם – נוזל או גז) [3.6]. לבסוף, הכימאי הצרפתי מונגי בוונדי פיתח ושכלל שיטה לייצור כימי של נקודות קוונטיות באיכות גבוהה, הנדרשת לשימושים יישומיים רבים [3.7].

שימושיהן של הנקודות הקוונטיות נקבעים על ידי התכונות האופטיות שלהן, ולכן השימושים המובנים מאליהם הם ליישומים אופטיים – נורות ומסכי LED וטכנולוגיית מסכי LCD. אך יש להן גם שימושים נוספים – כחיישנים, כסמנים במחקר ובתעשייה הביו-רפואית, במחשבים קוונטים, בתאים סולריים ועוד. עבודותיהם של אקימוב, ברוס ובוונדי היוו את הבסיס החשוב לכל הפיתוחים האלו, ובוודאי יובילו לפיתוחים נוספים בעתיד.

עריכה: סמדר רבן

מקורות והרחבות

[1.1] ההודעה לעיתונות באתר פרס נובל על הזכייה

[1.2] המאמר מ-2005

[1.3] המאמר מ-2010

[1.4] כיצד עובד חיסון mRNA

[2.1] ההודעה על הזכייה באתר פרס נובל

[2.2] המאמר של ל’הולייר

[2.3] המאמר של אגוסטיני

[2.4] המאמר של קראוס

[3.1] ההודעה על הזכייה באתר פרס נובל

[3.2] כתבה על הטבלה המחזורית – מדע גדול, בקטנה

[3.3] הסבר על המדע שמאחורי נקודות קוונטיות

[3.4] מאמר על ננו גבישים ובו מתוארת גם ההיסטוריה של נקודות קוונטיות

[3.5] מאמר סקירה של אקימוב על התכונות האופטיות של נקודות קוונטיות בזכוכית

[3.6] המאמר של ברוס

[3.7] המאמר של בוונדי