קורים מלאכותיים

קורי העכביש הם אחד החומרים המופלאים בטבע. זנים מסוימים של עכבישים (לרוב העכבישה היא זו שטווה קורים) מסוגלים לייצר קורים חזקים פי עשרה מקוולאר, המשמש בין השאר לייצור אפודי מגן. הם כה גמישים עד שיש ביכולתם להימתח פי שלושה מאורכם הרפוי, ומשקלם קל פי חמישה ממשקל פלדה בקוטר דומה! אולי מדהימה מכל היא העובדה שחוקרים העוסקים בתחום חישבו כי אילו היה בנמצא קור עכביש בעובי של כס"מ אחד, היה בכוחו לעצור מטוס נוסעים במהלך טיסה (לו היה מחובר בחוזקה לקרקע והמטוס עצמו לא היה מתפרק באוויר כמובן).

במשך עשורים ניסו חוקרים במעבדות בכל רחבי העולם ליצור גרסאות משלהם לקורים דומים אך ללא הצלחה. מאות מיליוני דולרים הושקעו במאמץ, הן במסגרת מוסדות אקדמיים והן כחלק ממחקרים שנעשו בחברות פרטיות, אך עד כה לא הצליח אף אחד מהם להציג מוצר בעל תכונות המקבילות לאלו של קור עכביש טבעי.

כל זה עשוי להשתנות בקרוב הודות לפיתוח של חברת Mithril Material Sciences הישראלית, המבוסס על עבודת המחקר של ד"ר שמוליק יטאח מהאוניברסיטה העברית. במשך יותר מעשור עבד יטאח בניסיון לפענח את סודותיו של רצף הדנ"א של העכביש שאחראי על יצירת החלבונים המרכיבים את הקורים. העכבישים מפיקים לא פחות משישה סוגי קורים, לכל אחד מהם תכונות שונות ושימושים שונים (סיב המסגרת, למשל, הוא החזק ביותר ומשמש את העכבישים ליצירת מסגרת הרשת וכקור שעליו הם נתלים). בהתבסס על ידע זה הצליח יטאח לפתח רצף נוקלאוטידי דנ"א מלאכותי, שאינו קיים בטבע, ושעל פיו אפשר לייצר קורים מלאכותיים בעלי מגוון תכונות – חלקן אינן קיימות בהכרח בקורים הטבעיים (למשל קור אטום לאור, בניגוד לקור השקוף הקיים בטבע).

במהלך אוקטובר 2014, כאשר ביקרנו במעבדה הקטנה של חברת Mithril Material Sciences בירושלים, היה קשה לדמיין שדווקא מן המקום הזה עשויה להגיע אחת מפריצות הדרך החשובות בתחום מדע החומרים. למחקר פוטנציאל אדיר ליישומים עתידיים, בהם חוטי תפירה רפואיים חזקים ודקים במיוחד, אפודי מגן גמישים מאוד בעלי כוח עצירה רב, ובעתיד אולי אפילו חומרים מיוחדים לבניית כבלים למעליות חלל במשקל נמוך ובחוזק חסר תקדים. בשביל להגיע לכל אלו צריכה החברה לקחת את דגימות המעבדה של הקורים המלאכותיים שיצרו ולפתח שיטה לייצור תעשייתי בקנה מידה גדול.

את המחקר החל יטאח, אז מסטרנט לביולוגיה, במעבדתו של פרופ' אורי גת באוניברסיטה העברית בראשית שנות האלפיים. יטאח היה החוקר הראשון שפענח כיצד שינויים ברצף הדנ"א משפיעים על ייצור הקור. הוא שינה את הרצף הביולוגי של העכביש מאות פעמים במעבדה ואחרי אלפי שעות של ניסויים הצליח להבין כיצד הרצף משפיע על התכונות השונות של הסיב (ובייחוד על קשיחותו ועל גמישותו). בסופו של דבר יצר יטאח רצף דנ"א סינתטי לחלוטין, השונה מהרצף הטבעי. על הסיב המלאכותי שיצר רשמה האוניברסיטה העברית פטנט.

נקודת הפתיחה של המחקר הייתה במקטע מרצף הדנ"א שבודד על ידי חוקר אנגלי בראשית שנות ה־80 מעכביש מסוג גלגלן הצלב (Araneus Diadematus בשפה המדעית, אוEuropean garden spider). המקטע היה ידוע כאחראי לייצור החלבונים שמהם מופקים קורי העכביש. הקורים עשויים משני חלבונים ידועים, המכונים ADF-3 ו־ADF-4, והם נטווים על ידי העכביש בעזרת כמה חומצות אמינו, תהליך המתרחש בתוך תאים בבטן העכביש. בתהליך זה נוצר מעין שרוך של חומצות אמינו. שרוך זה קוֹרס לתוך עצמו וכך ונוצר החלבון – אבן הבניין של הקור. החלבונים נוצרים על פני שק המצוי בבטן העכביש, השק מתמלא בנוזל עשיר בחלבון, והוא בנוי כשקצהו נעשה צר יותר ויותר, ובסופו הוא מתפצל לכמה צינוריות דקיקות במיוחד. כל קבוצה של צינוריות שולטת על קצב הפקת קור מסוים (כאמור, לעכביש שישה סוגים שונים של קורים) ובאמצעות שריר מיוחד הוא מסוגל לשלוט בסוג הקור שהוא מפיק בכל רגע נתון. באמצעות רגליו הוא מושך את הקורים החוצה ומלפף אותם לפי הצורך.

יטאח הצליח לחזות רצף מלאכותי של חומצות אמינו שאינו קיים בטבע ולהשתמש בתאים של עש במקום בתאים של העכביש. הוא הדביק את תאי העש במקטעי הדנ"א הייחודיים שלו באמצעות נגיף המכונה באקולו־וירוס ,(Baculovirus) המדביק לרוב תאים של חרקים. בשלב זה ציפה יטאח כי תאי העש ייצרו חלבון בלבד והוא יזדקק לנקות אותו ולייצר ממנו סיבים, אלא שלהפתעתו, כאשר התבונן בדגימה במיקרוסקופ הוא גילה שהתהליך הושלם באופן עצמאי – תאי העש יצרו סיבים של ממש (מקטעים של קור הזהים בתכונותיהם לאלו של קור העכביש).

עכבישה מסוג גלגלן הצלב על רשת הקורים שלה; משמאל: הגדלה של הקורים הסינתטיים שהופקו במעבדה
צילום: Mithril Material Sciences

קורים מלאכותיים ושימושיהם

יטאח מספר כי במשך שנים "מציקים" לו חובבי קומיקס ומדע בדיוני בשאלה אם המחקר שלו יאפשר להפוך את גיבור הקומיקס ספיידרמן המסוגל לרחף מבניין לבניין באמצעות חוט דקיק – למציאות. התשובה, לדברי יטאח, היא בהחלט חיובית (לפחות בכל הנוגע לתכונותיו הנדרשות של הקור עצמו). זאת ועוד, חישובים מראים שהחוט הנדרש למשימה הוא בעובי של מ"מ אחד בסך הכל, והוא יוכל להחזיק אדם תלוי באוויר באופן דומה לקור ה־Dragline המחזיק את העכביש (ואם ספיידרמן אינו מדבר אליכם, חשבו על מטפסי הרים).

גיבורי מדע בדיוני פיקטיביים הם כמובן לא היחידים שייהנו מיכולותיו של הפיתוח החדש. מדענים מאמינים כי אפוד שיורכב מקור מלאכותי בעובי דק יחסית, אשר ישולב במצע סופג הדף, יוכל להוות תחליף לאפודי המגן הקראמיים הכבדים והמסורבלים המשמשים כיום לוחמים. אפוד כזה ישקול הרבה פחות מכל אפוד מגן קיים, ויהיה גמיש יותר (בהתאם לתכונות המצע הסופג שייבחר). למעשה, יהיה אפשר לתכנן חליפת הגנה שלמה אשר תגן על הגוף כולו, ולא רק על פלג הגוף העליון כפי שנעשה כיום.

אחד התחומים הראשונים שייהנו כנראה מן הפיתוח החדש, לכשיושלם, התגלה ליטאח לגמרי במקרה. בעקבות פציעה שסחב עוד מתקופת הצבא, הזדמן לו לבקר לא מעט בבתי חולים. בשיחה עם אחד המנתחים עלתה עבודתו לדיון, ועד מהרה התברר ליטאח כי בתחום הכירורגיה יש דרישה לחוט דק וחזק במיוחד. חוטי התפירה הכירורגיים מיוצרים כיום ממשי רגיל, ואם יהיה אפשר להקטין את עובי החוט אך לשמר את חוזקו, צפויות להיוותר צלקות קטנות יותר אצל המנותח. כאשר מבצעים ניתוח של חולה בעל עורקים מסוידים, למשל, יש צורך לפתוח את גופו של החולה ואת העורקים ובהמשך לתפור חזרה עם מחט וחוט עבים, ולאחר התפירה יש להמתין כשעה וחצי כדי לראות שלא קיימת דליפה של דם מאזור התפירה. אף שקיימות מחטים דקות יותר, אין כיום בנמצא חוטים דקים וחזקים מספיק. שימוש בחוט המבוסס על קור מלאכותי יאפשר לבצע תפרים קטנים יותר, שזמן האיחוי שלהם קצר משמעותית. במקרה כזה ניתוח הנמשך כשעה וחצי עשוי להתקצר ב־45 דקות ויותר (זמן קריטי שבו גופו של החולה פתוח והוא עלול לסבול מזיהומים. קיצור ההליך חוסך גם בעלויות הצוות הרפואי). לחוטי תפירה כירורגיים המבוססים על קורים יהיו יתרונות נוספים בתחום הנוירוכירורגיה: בתחום זה יש צורך בחוטי תפירה עדינים מאוד, ובחלק מהמקרים יש גם צורך בחוטי תפירה כירורגיים הנספגים בגוף. ולדברי יטאח, אף שהקורים עצמם אינם נספגים בגוף, יהיה אפשר, על ידי שינויים מסוימים בדנ"א הסינתטי, לייצר חוטים שייספגו בגוף, וכן כאלו שאפשר יהיה לתכנן מראש את זמן הספיגה שלהם, כך שיתאימו בדיוק לזמן האיחוי הצפוי של הרקמה.

עם הפנים קדימה

אפילו לפני שיהיה אפשרי לייצר כמויות גדולות של קורים ארוכים במחיר נמוך יחסית, יהיה אפשר לשלב כמויות קטנות של חלקי קור מלאכותי (כמו אלו שכבר הופקו במעבדה) לשם ייצור חומרים מורכבים חדשים. לדברי יטאח, אפילו כמויות קטנות של קור מלאכותי בשילוב חומרים מתקדמים קיימים יוכלו לספק תכונות משופרות באופן משמעותי. חומרים חזקים וגמישים כאלו יהיו שימושיים בתעשיית החלל והתעופה, וגם – בעתיד הרחוק יותר – בתעשיית הרכב.

אלא שהחזון של יטאח הולך הרחק מעבר לפרויקט ייצור קורי העכביש המלאכותיים. הוא מאמין כי הידע שרכש על האופן שבו הטבע יוצר את קור העכביש ועל האופן שבו תכונות שונות באות בו לידי ביטוי, יוכל לאפשר לו בעתיד לשתף פעולה עם מהנדסי חומרים כדי ליישם את הידע הנרכש על חומרים אחרים לחלוטין (בהם חומרים סינתטיים שאינם מבוססים על חלבונים כלל). יטאח מסכם נקודה זו באומרו כי המהפכה הגדולה צפויה להתרחש בשני מישורים: המישור הביולוגי (המבוסס על חלבונים) שבו יש כבר התפתחויות בשלבי יישום שונים; והמישור השני ייושם בעתיד הרחוק יותר ויכלול סינתזה של הידע הביולוגי הקיים עם ידע מתורת החומרים.

קורי העכביש המלאכותיים שהתקבלו בשלב זה במעבדה הם קצרים (אף שבדיקות מראות שיש להם אותן תכונות של הקורים הטבעיים). השלב הבא, לפני שיהיה אפשר לעבור לייצור מסחרי, הוא לפתח תהליך שייצר מהסיבים הקצרים סיבים ארוכים יותר בעלי תכונות רצויות. נושא זה נמצא בפיתוח, והוא השלב האחרון לפני ייצור תעשייתי מלא של הסיבים.

חברת Mithril Material Sciences כבר גייסה השקעה ראשונית, והיא מאמינה כי בתוך זמן קצר יהיה בידיה סיב מלא ומוכנות לייצור סדרתי. ייצור כזה עשוי להוות פריצת דרך בכל תעשייה קיימת הזקוקה לחומר חזק, קל במיוחד ובעל גמישות גבוהה, ובהמשך גם לפיתוח מוצרים חדשים לגמרי שכיום אינם אפשריים.