Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי פורסם: 27 באוגוסט, 2020

מקרומולקולות זה כל הסיפור: מפלסטיק לדנ“א

תַקצִיר

”אני מרגיש את זה באצבעות הידיים שלי, אני מרגיש את זה באצבעות הרגליים שלי, האהבה שנמצאת בכל מקום סביבי“. אלה אולי מילים משיר פופולרי של חג המולד מהסרט ”אהבה זה כל הסיפור“, אולם זה יכול להיות באותה המידה שיר על מקרומולקולות – מולקולות גדולות שנמצאות סביבנו. מהציפורניים והשיער, עד לקצה הגומי של האוזניות שלכם, מקרומולקולות נמצאות בכל מקום. אתם בנויים ממקרומולקולות, וכך גם העצים ובקבוקי פלסטיק! אנו קוראים להם פולימרים – שרשראות ארוכות של מולקולות זהוֹת עם מגוון של תכונות מועילות, כמו קשיחוּת או מתיחוּת. מתברר שאנו פשוט לא יכולים לחיות בלעדיהם. פולימרים מופיעים באופן טבעי (הדנ”א בתאים שלנו הוא פולימר) ובאופן סינתטי (מיוצר ע“י האדם), כמו פלסטיק, סליים או קלקר. מאמר זה חושף את מִסְתְּרֵי הפולימרים, ומסביר כיצד החומרים המרתקים האלה מעצבים את חיינו כפי שאנו מכירים אותם.

מקרומולקולות – אבני הבניין של החיים

המילה המדעית למולקולה גדולה מאוד היא מַקְרוֹמוֹלֶקוּלָה, מאחר ש”מקרו“ משמעותו גדול. פּוֹלִימֶרִים הם חומרים שבנויים ממקרומולקולות אשר נוגעים כמעט לכל היבט בחיינו. מרבית הסיכויים שרובנו היינו במגע עם לפחות מוצר אחד שמכיל פולימרים – מבקבוקי מים ועד לצמיגים ולגאדג’טים – בחמש הדקות האחרונות. המונח פולימר עצמו נותן לנו מושג על האופן שבו החומרים האלה מעוצבים. ביוונית, ”פולי“ משמעותו ”הרבה“, ו-”מר“ משמעותו חלק. כדי לראות זאת טוב יותר, דמיינו שאתם עונדים שרשרת שמורכבת מחרוזים. כל חרוז מייצג אטום. אתם יכולים להשחיל את החרוזים יחד על חוט בשורה אחת, או שאתם יכולים ליצור צְבִירִים של סוג חרוזים אחד עם סוגים אחרים, ואז להשחיל אותם יחד. בפולימר, החרוזים הבודדים נקראים מוֹנוֹמֶרִים. ברגע ששׂמים אותם יחד, המונומרים מרכיבים את הפולימר. איור 1 מציג באופן מופשט כיצד מונומרים בונים סוגים שונים של פולימרים.

איור 1 - בעולם של מקרומולקולות, פולימרים הם מולקולות שמורכבות מהרבה יחידות חוזרות של מולקולות קטנות יותר שנקראות מונומרים (מוצגות משמאל).
  • איור 1 - בעולם של מקרומולקולות, פולימרים הם מולקולות שמורכבות מהרבה יחידות חוזרות של מולקולות קטנות יותר שנקראות מונומרים (מוצגות משמאל).
  • ביוונית, ”פולי“ משמעותו הרבה, ו”מר“ משמעותו חלק. בעוד שהוֹמוֹפולימרים (Homopolymer) נוצרים מסוג אחד של מונומר (נקודות כחולות), קוֹפוֹלימרים (copolymer) מכילים יותר מסוג מונומר אחד (נקודות כחולות וירוקות). ל”פולימרים מדויקים“ (precision polymer) יש סדר מדויק שמקנה לפולימר מבנה מסוים (נקודות כחולות, ירוקות וכתומות).

כדי להבין פולימרים טוב יותר, עלינו לבחון כל סוג של מונומרים שמהם הם מורכבים. פולימרים מגיעים בצורות ובגדלים שונים, והם נוצרים על-ידי בני אדם או על-ידי הטבע בצמחים וחיות. לדוגמה, חלבונים הם סוג אחד של פולימרים, והם בנויים ממונומרים שנקראים חומצות אָמינוֹ. סוג החלבון תלוי בהרכב חומצות האמינו ובכמות החומצות שמחוברות יחד, והחלבון שמתקבל יכול להימצא בשיער או בציפורניים, בשרירים, בעור, או במנגנון תאי חשוב. פולימר אחר שמופיע באופן טבעי הוא עמילן, המשמש כמקור לאחסון מזון עבור צמחים כמו תפוחי אדמה, תירס וחיטה. עמילן הוא פולימר טעים שאפשר למצוא בלחם ובפסטה! ב-150 השנים האחרונות, בני אדם למדו כיצד לייצר פולימרים סינתטיים (כלומר שנוצרו על-ידי האדם). כיום, אנו יכולים ”לשחק“ עם פולימרים טבעיים כמו תאית (צֶלוּלוֹז) – פולימר שמורכב מגְלוּקוֹז (סוג של סוכר) – או פולימרים סינתטיים כמו טֶפְלוֹן, שמתקבל מנפט.

סיפורן של מקרומולקולות

אף על פי שפולימרים עשויים להיות עתיקים כמו החיים עצמם, אנו מכירים אותם רק משנת 1830 בערך כשמדענים תיארו אותם לראשונה. הפולימר הסינטטי הראשון, שידוע בשם בָּקֶלִיט, שהיה הפלסטיק הראשון, נוצר בשנת 1907 באמצעות תגובה כימית פשוטה ולא יקרה. לאחר מכן, בקליט סייע למהנדסים לייצר הרבה סוגים של צעצועי ילדים וציוד מטבח. אולם רק באזור שנת 1920 הרמן סטאודינגר, מדען גרמני שעבד על הפולימרים הסינתטיים האלה, טבע את המונח מקרומולקולה. לרוע המזל, מדענים רבים לא האמינו לו שמקרומולקולות קיימות, מאחר שבאותו הזמן הרבה כימאים סירבו להכיר בקיומן של ”מולקולות ענק אורגניות“. במקום זאת, הם העדיפו את הרעיון שהרבה חומרים טבעיים – כמו למשל תאית, משי וגומי – הכילו יחידות קטנות שמוחזקות יחד על-ידי כוחות חזקים במיוחד. אחרי שסטאודינגר הכריז על המונח של מקרומולקולה, כימאי אחד ידוע אמר ”אתה יכול באותה המידה לטעון שאיפשהו באפריקה יש פיל שאורכו 500 מטרים וגובהו 100 מטרים“ [1, 2]. באופן משעשע, בעוד שהפיל לא קיים באמת, הפולימר כן, וגילוי הפולימרים יצר מהפכה במדע.

בשנות 1950-1940 חוקרים גילו חלק מהפולימרים שקיימים בטבע בגוף האדם, כולל חלבונים, שכבר תיארנו קודם לכן כפולימרים המורכבים ממונומרים של חומצות אמינו, ודנ”א. דנ“א מורכב ממונומרים שנקראים נוּקְלֵאוֹטִידִים. כשמדענים בנו את המודל הראשון של פולימר דנ”א טבעי, הם הבינו שהמבנה של מולקולת הדנ“א סייע להם להסביר את האופן שבו דנ”א מתפקד בקידוּד כל המידע הדרוש ליצירת אורגניזם.

המבנה של מקרומולקולות

כשהזמן עבר, מדענים התחילו לחקור את המבנה של מקרומולקולות. הם מצאו שפולימרים טבעיים לעיתים קרובות קטנים הרבה יותר מהגרסאות הסינתטיות שלהם. הם גם גילו שהאורך של הפולימרים הסינתטיים האלה, והתבניות שבהן המונומרים מסודרים, הם מה שגורם לפולימרים סינתטיים להיות חזקים, קלים, שקופים וגמישים. אולם לפולימרים גם יש כוח-על אחר – יש להם הרבה צורות שונות! באיור 2A, אתם יכולים לראות שלוש צורות עיקריות של פולימרים: ליניארי, מסועף וקשר-צולב. פולימרים לינאריים ארוכים נראים כמו ספגטי מבושל. שלא כמו פולימרים מסועפים, פולימרים ליניאריים נוטים להסתבך זה בזה ולהפוך לדביקים ואלסטיים. מצד אחר לפולימרים עם מבנה קשר-צולב יש הרבה ענפים, כך ששרשראות הפולימר לא יכולות לנוע זו על פני זו. התכונה הזו גורמת להם להיות קשים, קשיחים ופריכים, ולכן שימושיים ליצירת חומרים קשים כמו גומי בצורת קשר-צולב שמשמש במרבית צמיגי המכוניות והמשאיות. מבנה הקשר הצולב של פולימר הוא הסיבה לכך שצמיגי מכוניות לא נמסים כשאתם נוסעים מהר מאוד, אף על פי שהם מתחממים מאוד מהחיכוך עם הכביש.

איור 2 - (A) פולימרים יכולים להיות בעלי שלושה מבנים שונים: ליניארי (למעלה), מסועף (באמצע) וקשר-צולב (למטה).
  • איור 2 - (A) פולימרים יכולים להיות בעלי שלושה מבנים שונים: ליניארי (למעלה), מסועף (באמצע) וקשר-צולב (למטה).
  • (B) מבנים של מונומרים שיוצרים חלק מהפולימרים הטבעיים והסינתטיים השכיחים. כאן, הקווים הישרים מייצגים קשרים בין אטומים, והאותיות השונות מייצגות סוגי אטומים שונים (O הוא חמצן, N הוא חנקן, H הוא מימן, ומחסור באות משמעותו לרוב אטום פחמן), בעוד ש-R הוא כל אטום או קבוצת אטומים אחרים, וn הוא כל מספר של יחידות חוזרות של פולימרים.

מאז שלמדנו כיצד ליצור ולעבוד איתם, פולימרים כמו פוליאמיד, פוליאסטר ופוליאתילן, הציפו את עולמנו. פּוֹלִיאָמִידִים הם חומרים חזקים כגון חומרים שמשמשים להגנה מפני קליעים – כמו באפודים צבאיים. פוליאסטרים מכילים קשרים חלשים יותר, ואנו משתמשים בהם ליצור דברים כמו תפרים נמסים לטיפול בפצעים. אתם יכולים לראות מבני פולימרים אחרים באיור 2B, כולל חלק מהפולימרים הטבעיים המורכבים שבנויים מסוכרים, מחומצות אמינו ומנוקלאוטידים.

מדוע מקרומולקולות חשובות לבריאות שלנו?

למקרומולקולות יש תפקידים חשובים ביותר בתפקוד היומיומי של התאים שלנו. לדוגמה, כשפולימרים סינתטיים, שמשמשים להשתלות רפואיות במקרים של שברים בעצמות, מְתַקְשְׁרִים עם הגוף שלנו, אנו צריכים לוודא שהם לא יישארו בתוכנו זמן רב מדי, מאחר שהם עלולים להצטבר לכמויות רעילות ולהפוך מסוכנים לבריאות הגוף שלנו! אז, הפולימרים הסינתטיים האלה מעוצבים כך שאחרי שהם יסיימו את משימתם, הם יתפרקו לחלקים קטנים יותר שהתאים שלנו יכולים לעבד באופן טבעי. כתוצאה מההתפרקות שלהם בתוך הגוף שלנו, אנו קוראים לחומרים האלה פולימרים מתכּלים. דוגמה אחת לקבוצה של פולימרים מתכלים הם פוליאסטרים שמשמשים לאינספור יישומים ביו-רפואיים כמו למשל תפרים נמסים, וגם ברגים, צלחות ופינים, שתומכים בעצמות שבורות ומחזיקים אותן יחד. חשוב גם שפולימרים סינתטיים יתאימו לגוף שלנו, מה שנקרא תאימוּת ביולוגית. תאימות ביולוגית מאפשרת לגוף שלנו לתפקד באופן נורמלי בנוכחות של פולימר, בלי שיהיו תגובות אלרגיות או תופעות לוואי לא נעימות מהפולימר.

ברור שהשימוש בפולימרים השפיע על הבריאות שלנו, לעיתים בלי שנהיה כלל מודעים לכך [3]. הנה דוגמה: כשאנו חולים, אנו לפעמים בולעים כדורים שמסייעים לנו להרגיש טוב יותר במהרה. הכדורים האלה נמסים בקיבה שלנו כך שהתרופה תיכנס למחזור הדם. אולם לרוע המזל, לעיתים התרופה נהרסת בקיבה או במעיים לפני שהיא מגיעה למחזור הדם ולאיברים שזקוקים לטיפול, או שלעיתים התרופה לא נמסה בקיבה. תפקיד הקיבה הוא להמיס דברים במהרה, אז האטת התהליך הזה יכולה להיות מאתגרת. פתרון אחד? ליצור תרופה עם פולימרים שמעוצבים בדיוק לכך!

לדוגמה, תרופה שנקראת ניפדיפין משמשת לטיפול בלחץ דם גבוה, שאֵלֶּה חדשות טובות לכמעט מיליארד בני אדם שסובלים מהבעיה הזו ברחבי העולם. אולם החדשות הרעות הן שלניפדיפין בדרך כלל אין מספיק זמן להימס בקיבה. למרבה המזל, מגיע פולימר להציל את המצב. פולימר שנקרא פוליוינילפירולידון, והוא משמש לחיזוק יכולתה של הניפדיפין להימס בקיבה. מדענים מערבבים את הניפדיפין, שהמסיסוּת שלה נמוכה, עם פוליוינילפירולידון כדי ליצור גלולה. באמצעת ציפוי הניפדיפין בכיסוי שבנוי מהפולימר הזה, התרופה מסוגלת להגיע באופן בטוח אל מחזור הדם (איור 3) [4]. זו רק דוגמה אחת מבּין דרכים רבות שהמקרומולקולות יכולות להשפיע באופן חיובי על הבריאות שלנו. לכן, הסוד הבא לבריאות לא בהכרח יכלול שירה לבבית לצלילי שיר חג מולד מהסרט “אהבה זה כל הסיפור”, אלא למעשה יכלול מקרומולקולות.

איור 3 - פולימרים יכולים לסייע לתרופות להיכנס לגופנו ביעילות רבה יותר.
  • איור 3 - פולימרים יכולים לסייע לתרופות להיכנס לגופנו ביעילות רבה יותר.
  • תרופות שלא מתמוססות בקלות יכולות להיות מצופות על-ידי פולימרים ליצירה של גלולה. הפולימרים מסייעים לתרופה להימס בגופו של המטופל, כך שכאשר המטופל לוקח את הגלולה התרופה לא מפורקת בקיבה אלא מגיעה בקצב הנכון אל תוך מחזור הדם.

מילון מונחים

מקרומולקולה (Macromolecule): מולקולה גדולה מאוד שמכילה אלפי אטומים, או יותר.

פולימר (Polymer): מולקולה גדולה, או מקרומולקולה, שמורכבת מהרבה יחידות חוזרות שנקראות מונומרים.

מונומר (Monomer): אבן בניין, או יחידה חוזרת של פולימר.

סינתטי (Synthetic): מיוצר על-ידי האדם מכימיקלים.

דנ"א (DNA): חומר שנושא מידע גנטי על האופן שבו יצור חי נראה ומתפקד.

תאימות ביולוגית (Biocompatibility): היכולת של חומר להתקיים בגוף בלי לפגוע ברקמה החיה.

מסיסות (Solubility): יכולת של חומר להתערבב בתוך נוזל.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

תודות

אנו רוצים להודות למנטורים וליועצים שלנו, דוקטור פאולו דקוצי, דוקטור ליאן סטוקס ופרופסור מארק סירסי. העבודה הזו נתמכה על-ידי BBSRC Norwich Research Park Biosciences Doctoral Training Partnership (BB/M011216/1,1794654) ותוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי תחת הסכם מענק מרי סקולדובסקה קירי מספר 754490.


מקורות

[1] Mülhaupt, R. 2014. Hermann Staudinger and the origin of macromolecular chemistry. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 43:1054–63. doi: 10.1002/anie.200330070

[2] Vandenberg, E. J. 2012. Contemporary Topics in Polymer Science. Vol. 5. New York, NY: Springer Science & Business Media.

[3] Langer, R., and Tirrell, D. A. 2004. Designing materials for biology and medicine. Nature 428:487. doi: 10.1038/nature02388

[4] Marsac, P. J., Konno, H., and Taylor, L. S. 2006. A comparison of the physical stability of amorphous felodipine and nifedipine systems. Pharm. Res. 23:2306. doi: 10.1007/s11095-006-9047-9