חומרים רכים הם מערכות פיזיקליות שמתעוותות, או שהמבנה שלהן משתנה בקלות, כאשר מופעל עליהן כוח חיצוני. בין החומרים הרכים אפשר למנות נוזלים, תרחיפים, תחליבים, פולימרים, קצף, ג’ל ומערכות ביולוגיות כגון עור, דם, שרירים, תאים וחלבונים, ובקיצור: כל מה שאינו מוצק וגבישי. חומרים אלה חיוניים למגוון יישומים, ובהם חומרי מבנה ואריזה, קצף, דבק, חומרי ניקוי וקוסמטיקה, צבעים, תוספי מזון, חומרי סיכה ותוספי דלק.
ד”ר נעמי אופנהימר, פיזיקאית מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב, חוקרת חומרים רכים ואת התכונות המאפיינות אותם, כגון אלסטיות וזרימה. זאת, במטרה להבין כיצד הם פועלים ולייצר מטא-חומרים – בעלי תכונות חדשות שניתן לשלוט בהן ולשנותן לפי הצורך. “פעמים רבות שאלות המחקר שעוסקות בחומרים רכים הן ביולוגיות, אבל אנחנו למעשה בוחנים את תכונותיהם המכניות. אפשר למשל לראות עד כמה החומר הרך מתכווץ, מתעוות או זורם – ולהבחין במיקרוסקופ בתנועות של תאים וחלקיקים. רוב השאלות שאני עוסקת בהן קשורות לזרימה של החומרים הרכים – למשל של תאי דם בוורידים ושל חלבונים על פני תאים – מה שמאפשר להבין תופעות פיזיולוגיות ולחקור מחלות”.
במחקרם האחרון, שזכה במענק מהקרן הלאומית למדע, בדקו ד”ר אופנהימר וצוותה חלבונים שנעים על פני ממברנת התא (הקרום שעוטף את התא), ובייחוד את החלבון ATP סינתאז. חלבון זה נמצא בממברנה של המיטוכונדריה, שם הוא מייצר ATP (ה”דלק” שדרוש לתאי הגוף, לתפקודם ותחזוקתם). מדובר למעשה במעין מנוע קטן ויעיל שמפיק אנרגיה בצורת מולקולות של ATP ואשר מהווה חלק עיקרי בתהליך הנשימה התאית. לדברי ד”ר אופנהימר, “ATP סינתאז מסתובב מהר מאוד על פני הממברנה של המיטוכונדריה, ויוצר סביבו מערבולת. ניסויים הראו שהוא מסתדר בכוחות עצמו בתבנית מסודרת, ולכן נשאלת השאלה כיצד נוצר הסדר הזה, בזרימה כה כאוטית?”.
בכל השיטות – במשוואות, בסימולציות ובניסויים – גילו החוקרים שחלבוני ATP סינתאז מסתדרים בתבנית מסודרת.
החוקרים בחנו את השאלה הזאת בכמה שיטות. תחילה כתבו את משוואות התנועה של חלבוני ATP סינתאז ולאחר מכן בחנו אותן בסימולציות במחשב (שהציגו חלקיקים המדמים את החלבונים). “כללנו את הרכיבים החשובים בבעיה – זרימת המערבולת והאופן שבו חלבוני ATP סינתאז דוחים את שכניהם, חלבונים אחרים, כדי לא להתנגש בהם – וניסינו לפתור אותה. בזכות הסימולציה גילינו את התנועות של החלבונים והמערבולות שהם יוצרים”, מסבירה ד”ר אופנהימר. לאחר מכן, בניסויים במעבדה, בנו החוקרים מנועי פלסטיק עם מדחף, שגודלם כמה סנטימטרים, הפעילו אותם בתוך נוזל צמיגי (שמן), וצפו במערבולות שיצרו סביבם (כך קיבלו הדמיה נוספת של חלבוני ATP סינתאז ותנועתם בממברנה).
בכל השיטות – במשוואות, בסימולציות ובניסויים – גילו החוקרים שחלבוני ATP סינתאז מסתדרים בתבנית מסודרת. בסימולציות ראו גם שאם חלק מהחלבונים מסתובבים מהר וחלק לאט, הם מתפצלים לשתי אוכלוסיות. “התחלנו עם תערובת של חלבונים ובסוף הסימולציה הם נפרדו מעצמם – החלבונים המהירים יצרו עיגול קטן, ומחוץ לו הסתובבו החלבונים האטיים. כלומר, נמצא שהחלבונים הללו נפרדים, מה שיכול לשמש ללימוד טכניקה להפרדת חלבונים או חלקיקים בתעשייה (לייצור תרופות למשל)”, מציינת ד”ר אופנהימר.
בהמשך נמצא כי ATPסינתאז מסתדר מעצמו בתבנית מסודרת בשל שימור גיאומטרי: “אלפי חלבוני הממברנה נשארים באותו שטח בזכות המערבולת. היא יוצרת שדה שכולא אותם שם, וזה מה שגורם להם להסתדר. זאת, בנוסף להתנגשויותיהם שמתרחשות באופן טבעי. וכך, במבנה מסודר שכזה, הם לא מתחרים על משאבים בסביבתם ויכולים לייצר יותר אנרגיה תאית”, מסכמת ד”ר אופנהימר.
