כימיה

ג'פרי קלי

צ'ואן הא

הירואקי שוגה

"על גילויים חלוציים המאירים את התפקודים וההפרעות הפתולוגיות של RNA וחלבונים, ופיתוח אסטרטגיות לשימוש בביו-פולימרים אלה בדרכים חדשות למיגור מחלות באדם".

ג'פרי קלי הוא פרופסור לכימיה במכון המחקר סקריפס. קלי קיבל את התואר הראשון שלו בכימיה מאוניברסיטת ניו יורק בפרדוניה. הוא קיבל דוקטוראט בכימיה אורגנית מאוניברסיטת צפון קרולינה בצ'פל היל (1986), וביצע מחקר פוסט-דוקטורט בכימיה ביו-אורגנית באוניברסיטת רוקפלר (1989).

רוב מולקולות החלבון חייבות להתקפל למבנים תלת ממדיים מוגדרים כדי שתוכלנה לפעול באופן הנכון. עם זאת, חלק מהחלבונים יכולים להתקפל בצורות נוספות, כאשר הצורה הפעילה ביולוגית יציבה אך במעט מצורות הקיפול השגויות. אותם חלבונים המקופלים באופן שגוי, עלולים להתלכד לצברים רעילים ולגרום למחלות. דוגמה בולטת לתופעה הזאת הם משקעי עמילואיד בצורת סיבים, הקשורים לניוון עצבי במחלת אלצהיימר ובמחלות רבות אחרות. כל התאים בגוף החי מכילים מערך יעיל של צ׳פרונים וגורמים אחרים, המסייעים לקיפול הנכון של החלבונים. בכך הם מונעים את צורות הקיפול הפתוגניות ובעיקר את יצירתם של הצברים הרעילים. אבל מערכות הגנה אלו נוטות להחלש בתהליך ההזדקנות, ולהיכשל במניעת היצירה של צברים פתוגניים רעילים.

מחקריו של פרופ. קלי מתמקדים בהבנת קיפול חלבונים, קיפול שגוי ויצירת צברים. הוא משתמש בגישות כימיות וביולוגיות לפיתוח אסטרטגיות טיפוליות חדשות למחלות הנגרמות מקיפול שגוי וצברי חלבון. הוא תרם באופן משמעותי למאבק במחלות ניווניות של מערכת העצבים על ידי גילוי מנגנון הצבירה של מולקולות החלבון במחלות עמילואיד אשר תוקפות את הלב ומערכת העצבים. הוא הדגים את המנגנון שבאמצעותו החלבון טרנסטיריטין מתפרק ומתקבץ לאשכולות שהורגים תאים, רקמות, ובסופו של דבר, גם בני אדם. הוא פיתח גישה מולקולרית להילחם בתופעה על ידי ייצובו של החלבון זה.

קלי פיתח בהצלחה את התרופה הראשונה, “tafamidis vyndaqel”, שאושרה לשימוש קליני. תרופה חלוצית זו, המשווקת ברחבי העולם, מאטה משמעותית את התקדמותה של המחלה פולינוירופתיה עמילואידית משפחתית, וכן את התקדמותה של המחלה קרדיומיופתיה משפחתית ספורדית, TTR , המובילה לאי ספיקת לב.

ג'פרי קלי זוכה בפרס וולף על פיתוח אסטרטגיה חדשה בעלת השפעה קלינית לשיפור מחלות הנגרמות על ידי צבירת חלבון פתולוגית. תרומותיו המכוננות חשפו מאפיינים בסיסיים של הומאוסטזיס חלבון (פרוטאוסטזיס) ברמה המולקולרית, כולל משחק הגומלין בין קיפול חלבון, קיפול שגוי ויצירת צברי חלבון. חוסר ויסות של פרוטאוסטזיס קשור בספקטרום של מחלות באדם. המעבדה של קלי השתמשה בתובנות היסודיות הללו כדי לפתח את התרופה טפמידיס, שעוצרת או מאטה את התקדמות המחלה בחולים הסובלים מעמילואידוזיס טרנסטירטין. גישה זו עשויה להיות ישימה בטיפול בהפרעות אחרות המבוססות על פרוטאוסטזיס.

הירואקי שוגה

ג'פרי קלי

צ'ואן הא

"על גילויים חלוציים המאירים את התפקודים וההפרעות הפתולוגיות של RNA וחלבונים, ופיתוח אסטרטגיות לשימוש בביו-פולימרים אלה בדרכים חדשות למיגור מחלות באדם".

פרופ. שוגה למד לתואר ראשון (1986) ושני בהנדסה (1989) באוניברסיטת אוקיימה. הוא קיבל דוקטוראט בכימיה מ-MIT (1994) וביצע מחקר פוסט-דוקטורט בבית החולים הכללי של מסצ'וסטס. שוגה החל את הקריירה העצמאית שלו באוניברסיטת ניו יורק בבאפלו (1997-2003). בשנת 2003 עבר למרכז המחקר למדע וטכנולוגיה מתקדמים באוניברסיטת טוקיו. מאז 2010 שוגה הוא פרופסור מן המניין במחלקה לכימיה באוניברסיטת טוקיו. כיום, הוא מכהן כנשיא האגודה היפנית לכימיה. תחומי המחקר של פרופ. שוגה כוללים כימיה ביו-אורגנית, ביולוגיה כימית וביוטכנולוגיה הקשורה ל- RNA, תרגום ופפטידים. כחוקר צעיר, הוא פרץ דרך בשימוש באנזימים מבוססי RNA, או ריבוזימים, ככלי לשילוב חומצות אמינו לא טבעיות ב- tRNA. טכנולוגיה זו, המכונה "Flexizyme", הרחיבה מאוד את הפוטנציאל לתכנות מחדש של הקוד הגנטי.
באמצעות מחקר נוסף על תרגום חוץ-גופי של חלבונים, באמצעות ריבוזומים משוחזרים, הצליח פרופ. שוגה לשלב חומצות אמינו לא טבעיות בפפטידים כדי ליצור מולקולות היוצרות פפטידים מקרוציקליים באופן ספונטני. פרופ. שוגה השתמש בתצוגת אוליגונוקלאוטידים ובשיטות של אבולוציה מונחית, כדי לבנות את מערכת ה- RaPID. זוהי פלטפורמה לייצור ובחירה של מיליארדי פפטידים מאקרוציקליים כקושרים, אשר ביניהם כאלו בעלי זיקה גבוהה לחלבוני מטרה, כולל רבים שנחשבו בעבר כיעדים בלתי אפשריים לטיפול תרופתי.

בשנת 2006 , יסד פרופ. שוגה את חברת PeptiDream כדי לקדם וליישם את מערכת ה- RaPID, ולנצלה למציאת פפטידים טבעתיים קושרי חלבונים, במיוחד לצורך שיבוש אינטראקציות חלבון-חלבון. תגליותיו אפשרו בניית מולקולות מורכבות בקנה מידה גדול, דבר שהיה בלתי אפשרי בשיטות קונבנציונליות. הטכנולוגיה של שוגה יצרה מולקולות לא טבעיות ייחודיות יותר מכל גישה אחרת. המולקולות הללו הינן בעלות סטריאוכימיה ייחודית, צפיפות גבוהה של קבוצות פונקציונליות וארכיטקטורה תלת-ממדית, הנחוצים לחקירה ובקרה של תהליכים ביולוגיים. טכנולוגיה זו סללה את הדרך לדור חדש של תרופות. PeptiDream הפכה לחברה הנסחרת בבורסה של טוקיו והיא אחת מחברות הסטארט-אפ המצליחות ביותר ביפן.

פרס וולף מוענק להירואקי שוגה על פיתוח מערכת בחירה חדשנית (in vitro), ליצירת פפטידים טבעתיים כמעכבים של אינטראקציות חלבון-חלבון. הוא המציא את ה- flexizyme, זרז מבוסס RNA, המתעלה מעל מנגנונים טבעיים ומרחיב באופן ניכר את מגוון חומצות האמינו שניתן לשלב במערכות ריבוזומליות. האסטרטגיה של שוגה מאפשרת בנייה וסריקה מהירה של ספריות גדולות של פפטידים טבעתיים. הגילוי הייחודי שלו הוביל לגישה חדשה לכימיה רפואית ויצר כלים חדשים לגילוי תרופות.

צ'ואן הא

ג'פרי קלי

הירואקי שוגה

"על גילויים חלוציים המאירים את התפקודים וההפרעות הפתולוגיות של RNA וחלבונים, ופיתוח אסטרטגיות לשימוש בביו-פולימרים אלה בדרכים חדשות למיגור מחלות באדם".

צ'ואן הא, ביולוג כימי סיני-אמריקאי, פרופ. באוניברסיטת שיקגו וחוקר במכון הרפואי ע״ש הווארד יוז. הא בוגר אוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין בכימיה (1994). סיים דוקטורט במכון הטכנולוגי של מסצ׳וסטס, ופוסט-דוקטורט באוניברסיטת הרווארד. הוא הפך לחבר סגל במחלקה לכימיה באוניברסיטת שיקגו בשנת 2002. וכיהן כמנהל המכון לדינמיקה ביו-פיזיקלית (2012-2017).

מולקולות RNA שבתוך התאים מכילות יותר ממאה וחמישים שינויים מבניים המתרחשים באלפי אתרים לאחר תהליך השעתוק. חלק מהשינויים הללו הם דינמיים ועשויים להיות להם תפקידי בקרה קריטיים, המקבילים לשינויים ב- DNA ובמולקולות חלבון. לכן, להבנת ההיקף והמנגנונים של שינויים דינמיים ב- RNA משמעות קריטית בביולוגיה וברפואה, והם מייצגים חזית מחקרית מתפתחת.

פרופ. צ'ואן הוא מומחה ברמה עולמית החוקר שינויי RNA לאחר השעתוק, את התפקיד ששינויים אלו ממלאים בתהליכים תאיים, ואת השפעתם הרחבה על התפתחות יונקים ומחלות באדם. מחקריו, המשתרעים על מגוון רחב של תחומי הביולוגיה כימית, כימיה של חומצות גרעין, ביולוגיה, אפיגנטיקה, וכימיה ביואיאורגנית, מתמקדים בהבנת השינויים הדינמיים של RNA ו- DNA ותפקידיהם בוויסות הביטוי של גנים.
הא הוא אבי הרעיון ששינויי RNA הם הפיכים ויכולים לשלוט בביטוי הגנים. מחקריו הבסיסיים הובילו לגישות לפיתוח טיפולים פוטנציאליים במחלות באדם, כגון סרטן, באמצעות שליטה במתילציה הפיכה של RNA. הוא זיהה לראשונה חלבונים שיכולים למחוק שינויים שבוצעו במולקולות RNA, והניח את הבסיס לענף מחקרי בשם epitranscriptome.
פרופ. הא הסביר כיצד מתילציה של RNA מזוהה על ידי חלבונים קוראים – תהליכים הידועים כממלאים תפקידים קריטיים בסוגים רבים של סרטן, כולל סרטן רירית הרחם, לוקמיה מיאלוגנית חריפה וגליובלסטומה.

צ'ואן הא זוכה בפרס וולף על עבודתו החלוצית בפיענוח הכימיה וההשלכות התפקודיות של שינוי RNA. הוא גילה מתילציה הפיכה של RNA שהובילה לפריצת דרך לגבי האופן שבו שינויים ב- RNA מווסתים את ביטוי הגנים. צ'ואן הא וצוותו גילו את האנזים הראשון מסוג RNA demethylase , אשר מסיר את קבוצת המתיל מ- N6-methyladenosine , שהוא הנגזרת הנפוצה ביותר ב- mRNA בבעלי חיים אאוקריוטים.

בנג'מין קרוואט

קרוליין ברטוצי

בוני באסלר

"על תרומתם המכוננת להבנת הכימיה של התקשורת הבין-תאית ועל המצאת שיטות כימיות לחקר תפקידם של פחמימות, שומנים וחלבונים בתהליכים הביולוגיים הללו".

קרוואט, מחזיק הקתדרה ע״ש גילולה לביולוגיה כימית ופרופסור במחלקה לכימיה במכון המחקר סקריפס (Scripps Research Institute). מחקריו הובילו להבנת תפקידי החלבונים בתהליכים הפיזיולוגיים והפתולוגיים של האדם. הוא השתמש בתובנות הללו כדי לפתח גישות טיפוליות ותרופות חדשות.

קרוואט קיבל את ההשראה לעסוק במדע מהוריו וכן ממוריו למתמטיקה בתיכון. הוא בוגר תואר ראשון בביולוגיה ובהיסטוריה באוניברסיטת סטנפורד. את עבודת הדוקטורט שלו סיים ב- 1996 במכון המחקר סקריפס וקיבל מינוי אקדמי באותו מוסד ב- 1997.

תוך שימוש בשיטות כימיות וביולוגיות, קרוואט וקבוצת המחקר שלו פיתחו ויישמו טכנולוגיות לגילוי מסלולים ביוכימיים בביולוגיה ובמחלות של יונקים. הוא חלוץ הגישה לזיהוי קבוצות חלבונים על סמך פעילותם. הגישה הרב-תחומית שלו הובילה לייצור כלים ומודלים הנדרשים לשיוך פונקציות מולקולריות, תאיות ופיזיולוגיות לאנזימים, וכפועל יוצא, להערכת התאמתם כמטרות טיפוליות. מחקריו הינם שילוב ייחודי של פיתוח ויישום מהיר של טכנולוגיות חדשניות לקידום מדע בסיסי ותרגומי.

עבודתו של קרוואט על המערכת האנדוקנבינואידית הובילה לפיתוח מהפכני של תחום הפרוטאומיקה, וליישומם של כלים כימיים לחקר פונקציות של חלבונים בסביבה הביולוגית המקומית שלהם. הטכנולוגיה הפרוטאומית של איפיון חלבונים על בסיס פעילותם Activity-Based Protein Profiling (ABPP), משתמשת בגלאים כימיים כדי למדוד באופן ישיר את התפקוד האנזימתי. לדוגמה, ניתן להשתמש בסימון פלורסנטי לתיוג אנזימים בעלי תכונות כימיות מסוימות, דבר המאפשר למדענים לסקור את כל האנזימים הפעילים בתא בבת אחת, ולקבוע את יעדן של תרופות באופן ישיר במערכות חיות.

קרוואט השתמש בשיטה זו ובטכנולוגיות פרוטאומיות כימיות נוספות בכדי לבצע אנליזות רחבות של פעילות חלבונים ולהבנת תפקודיהם של מספר אנזימים, כולל אלו הקשורים במחלת הסרטן, בהפרעות נוירולוגיות, ובמערכת האנדוקנבינואידית, המעורבת בויסות תיאבון, במנגנוני כאב ומצב רוח, בזיכרון ובתהליכים פיזיולוגיים אחרים.

קרוליין ברטוצי

בנג'מין קרוואט

בוני באסלר

"על תרומתם המכוננת להבנת הכימיה של התקשורת הבין-תאית ועל המצאת שיטות כימיות לחקר תפקידם של פחמימות, שומנים וחלבונים בתהליכים הביולוגיים הללו".

ברטוצי, מאוניברסיטת סטנפורד ומהמכון הרפואי הווארד יוז, ידועה בפיתוח טכנולוגיות חדשניות וגילויים פורצי דרך בביולוגיה כימית ובפיתוח תרופות.

מגיל צעיר נמשכה ברטוצי למדע. אביה, שלימד פיזיקה ב- MIT, עודד אותה להתעניין בכלים טכנולוגיים שהיו קשורים למחקריו. התלהבותה ממדע הניעה אותה להמשיך בלימודיה ולהפוך לחוקרת מובילה בתחום הכימיה והביוטכנולוגיה.

ברטוצי קיבלה את התואר הראשון בכימיה מאוניברסיטת הרווארד ב- 1988 ואת הדוקטורט בכימיה מאוניברסיטת ברקלי בקליפורניה בשנת 1993. לאחר שסיימה עבודת פוסט-דוקטורט באוניברסיטת קליפורניה, סן-פרנסיסקו, בתחום האימונולוגיה התאית, הצטרפה לאוניברסיטת ברקלי בשנת 1996.  ב-2015, עברה לאוניברסיטת סטנפורד במקביל להשקת מכון ChEM-H בסטנפורד.

לממברנת התא תפקיד חשוב בהגנה על התא מסביבתו, ולכן, המבנה והתפקוד שלה נחקרו רבות. תהליכים בין-תאיים קריטיים, כגון העברת אותות והגנה חיסונית, מתווכים על ידי גליקוזילציה של פני התאים. כך, דופן התא מורכב מביו-מולקולות גדולות, כגון גליקו-חלבונים וגליקוספינגוליפידים.

מחקרה של ברטוצי מתמקד בפרופיל שינויים בגליקוזילציה של פני התא. ברטוצי ייסדה את תחום הכימיה הביו-אורתוגונלית, המאפשרת לחוקרים לערוך שינויים כימיים בתוך מערכות חיות מבלי להפריע לתהליכים ביוכימיים מקומיים. באמצעות כימיה ביו-אורתוגונלית, היא פרצה דרכים בהבנת ה- glycocalyx, שהוא החלק בדופן התא שעבר גליקוזילציה מסיבית, ומתווך בתקשורת הבין-תאית.

עבודתה החלוצית הובילה למחקר חדש בתחום הדימות הביולוגי ולפיתוח תרופות הקשורות במחלת הסרטן, דלקות, זיהום חיידקי, שחפת, ולאחרונה COVID-19 . טיפולים חדשים אלו כוללים שימוש בתצמידי נוגדן-אנזים שיכולים לעצב מחדש את ה- glycocalyx וכימרות המכוונות לליזוזום (LYTACs) אשר מובילות לדגרדציה של חלבונים הקשורים לממברנה. מחקריה אלה חשפו את תפקידם של סוכרים בביולוגיה ובאימונו-אונקולוגיה. ברטוצי מסחרה בהרחבה טכנולוגיות חדשניות אלו, ליישומים קליניים ומחקריים כאחד.

לא פחות משמעותיות הן תרומותיה של ברטוצי לחונכות והדרכה ולגיוון בתחומי הכימיה והביולוגיה הכימית. מחויבות זו שלה, מתמקדת בתשוקתה לשוויון, גיוון, והכללה מבוססת STEM.

בוני באסלר

בנג'מין קרוואט

קרוליין ברטוצי

"על תרומתם המכוננת להבנת הכימיה של התקשורת הבין-תאית ועל המצאת שיטות כימיות לחקר תפקידם של פחמימות, שומנים וחלבונים בתהליכים הביולוגיים הללו".

בוני באסלר, יו"ר המחלקה לביולוגיה מולקולרית בפרינסטון, וחוקרת במכון הרפואי הווארד יוז, חברה באקדמיה הלאומית האמריקאית למדעים ובאקדמיה האמריקאית לאמנויות ולמדעים.

עד לפני שני עשורים, הניחו שהחיידקים הם יצורים פרימיטיביים, אבל מחקרים עדכניים הוכיחו אחרת. באסלר, בוגרת תואר ראשון בביוכימיה, התאכזבה כאשר שובצה לפרויקט מחקר על אנזימים חיידקיים. כמו רבים אחרים, הניחה שחיידקים הם האורגניזמים הפשוטים ביותר, אך עד מהרה גילתה שהם יצורים מתוחכמים ביותר, בעלי יכולת לתקשר והם אף רב לשוניים. לאחר סיום הדוקטורט שלה באוניברסיטת ג'ונס הופקינס, היא הצטרפה למכון אגורון, לה-הוייה (La Jolla), והתמקדה במחקרה במה שקרוי כיום חישת קוורום – חישת מניין, התהליך בו חיידקים מתקשרים ביניהם באמצעים כימיים.

חישת קוורום כוללת ייצור, שחרור וזיהוי של מולקולות אותות כימיים, תהליך המאפשר וויסות ביטוי גנים והתנהגות חיידקים במושבות גדולות. חישת קוורום נפוצה בעולם החיידקים, ולכן הבנת תהליך זה היא בסיסית למיקרוביולוגיה קלינית ותעשייתית ולהבנת התפתחותם של אורגניזמים מפותחים יותר.

מחקריה של באסלר מספקים תובנות לגבי תקשורת בתוך ובין מינים, שיתופי פעולה ברמת אוכלוסיות חיידקים, וכן לגבי העקרונות העומדים בבסיס העברת אותות ועיבוד מידע ברמה התאית. תובנות אלו הובילו לפיתוח אסטרטגיות לשליטה בחישת הקוורום.

טיפולים רפואיים המפריעים לחישת הקוורום עשויים לספק דרכים להילחם בחיידקים עמידים לתרופות. למשל, שיבוש התקשורת החיידקית באוכלוסיות של חיידקים ״רעים״, או עידוד התקשורת בין חיידקים "טובים". לעבודתה יש השלכות נרחבות על פיתוח תרופות אנטי-מיקרוביאליות חדשות ועל הדור הבא של תכשירים אנטיביוטיים.

מאיר להב

לסלי לייזרוביץ

היווצרותם של גבישים היא אחת התופעות הבסיסיות ביותר בכימיה. למבנה של גבישים אורגניים חשיבות מיוחדת מכיוון שצורת הגביש (מורפולוגיה) משקפת את המבנה התלת ממדי (סטריאוכימיה) של המולקולות המרכיבות את הגביש. בשנת 1848 ערך לואי פסטר את הניסוי המפורסם, שבו הפריד פיזית בין שתי הצורות הגבישיות של מלח חומצה טרטרית, אשר נראות כתמונות מראה אחד של השני. מחקריו של פסטר, ובעקבותיהם עבודתו של חתן פרס נובל הראשון לכימיה, יעקובוס ואנ׳ט הוף, יצרו את הבסיס לסטריאוכימיה המודרנית. אבל פסטר, ואנ׳ט הוף, וגם אלפי כימאים מפורסמים אחרים, לא הצליחו לפצח את מסתורין הקשר שבין מורפולוגיית הגביש לבין הסטריאוכימיה של המולקולות שהתלכדו יחד בגביש הזה.

עברו כמעט 140 שנה עד אמצע שנות השמונים של המאה הקודמת, כאשר הפרופסורים להב ולייזרוביץ הצליחו לפתור את החידה ארוכת השנים. באמצעות סדרה של ניסויים דרמטיים הם הוכיחו לראשונה כי ניתן לקבוע את הסימטריה המרחבית של מולקולות על סמך מורפולוגיית הגביש שלהן. בכך הם ייסדו את מדע הסטריאוכימיה של גבישים אורגניים. הם הסבירו את יחסי הגומלין שבין מבנה המולקולה הבודדת לצורת הגביש המקרוסקופי וניסחו את הקשרים בין מבנה מולקולרי, מורפולוגיה גבישית, דינמיקת הצמיחה של גבישים, וכיראליות מולקולרית (התכונה המבנית של עצם כלשהו, שגורמת לו להיות שונה מתמונת המראה שלו, כמו ידיים אנושיות). ממצאיהם הניחו את הבסיס לידע הנוכחי שלנו לגבי התלכדות ספונטנית של מולקולות אורגניות, ובכך השלימו את הבנתנו בכימיה אורגנית של קשרים קוולנטיים, ובהתלכדות עצמית של מקרומולקולות.

יתר על כן, על בסיס הבנתם את הדינמיקה של צמיחת גבישים, הם הצליחו לתכנן ולעצב גבישים כיראליים תוך שליטה על קצב הצמיחה היחסי של פאות הגביש. הם עשו זאת על ידי שימוש בכמויות זעירות של תוספים כיראליים, אשר גרמו להאצה או לעיכוב קצב הצמיחה של הגביש בכוונים השונים. הם תכננו גבישים דו-ממדיים ותלת-ממדיים, הסבירו את דינמיקת הצמיחה שלהם, והוכיחו לראשונה כי ניתן לעצב גבישים היכולים להוביל לתוצרים שלא היו זמינים בשיטות קונבנציונליות. יתר על כן, הם הצליחו להסביר מגוון תופעות של התגבשות במערכות ביולוגיות, בהקשר של מחלות, כגון התגבשות כולסטרול בכלי הדם, ופיגמנט המלריה בתאי דם אדומים.

מכיוון שכל המערכות הביולוגיות מורכבות ממולקולות בעלות כיראליות אחת בלבד, השאלה המדעית הבסיסית לגבי מקור החיים על פני כדור הארץ, קשורה קשר הדוק למקור הכיראליות בטבע. להב ולייזרוביץ הציעו מסלולים אפשריים לשאלת מקור הכיראליות בטבע, בכך שהראו כי תגובות כימיות ספציפיות יכולות לגרום להגברה כיראלית וליצירת מרכיב אחד מתוך תערובת רצמית (תערובת של שתי הצורות הכיראליות ביחסים שווים). הם הדגימו כיצד פילמור בתוך גבישים דו-מימדיים, הנוצרים ממרכיבים רצמיים, יכול לגרום ליצירת אוליגופפטידים הומו-כיראליים. הניסויים האלגנטיים הללו, אשר מציגים את הקשר שבין התלכדות מולקולות קטנות בגבישים לבין יצירת ביופולימרים כיראליים, מציעים הסבר לאבולוציה הכימית, החל מתערובות פשוטות שקדמו להיווצרות החיים, ועד למכונות הכימיות המורכבות של החיים.

לסלי לייזרוביץ

מאיר להב

היווצרותם של גבישים היא אחת התופעות הבסיסיות ביותר בכימיה. למבנה של גבישים אורגניים חשיבות מיוחדת מכיוון שצורת הגביש (מורפולוגיה) משקפת את המבנה התלת ממדי (סטריאוכימיה) של המולקולות המרכיבות את הגביש. בשנת 1848 ערך לואי פסטר את הניסוי המפורסם, שבו הפריד פיזית בין שתי הצורות הגבישיות של מלח חומצה טרטרית, אשר נראות כתמונות מראה אחד של השני. מחקריו של פסטר, ובעקבותיהם עבודתו של חתן פרס נובל הראשון לכימיה, יעקובוס ואנ׳ט הוף, יצרו את הבסיס לסטריאוכימיה המודרנית. אבל פסטר, ואנ׳ט הוף, וגם אלפי כימאים מפורסמים אחרים, לא הצליחו לפצח את מסתורין הקשר שבין מורפולוגיית הגביש לבין הסטריאוכימיה של המולקולות שהתלכדו יחד בגביש הזה.

עברו כמעט 140 שנה עד אמצע שנות השמונים של המאה הקודמת, כאשר הפרופסורים להב ולייזרוביץ הצליחו לפתור את החידה ארוכת השנים. באמצעות סדרה של ניסויים דרמטיים הם הוכיחו לראשונה כי ניתן לקבוע את הסימטריה המרחבית של מולקולות על סמך מורפולוגיית הגביש שלהן. בכך הם ייסדו את מדע הסטריאוכימיה של גבישים אורגניים. הם הסבירו את יחסי הגומלין שבין מבנה המולקולה הבודדת לצורת הגביש המקרוסקופי וניסחו את הקשרים בין מבנה מולקולרי, מורפולוגיה גבישית, דינמיקת הצמיחה של גבישים, וכיראליות מולקולרית (התכונה המבנית של עצם כלשהו, שגורמת לו להיות שונה מתמונת המראה שלו, כמו ידיים אנושיות). ממצאיהם הניחו את הבסיס לידע הנוכחי שלנו לגבי התלכדות ספונטנית של מולקולות אורגניות, ובכך השלימו את הבנתנו בכימיה אורגנית של קשרים קוולנטיים, ובהתלכדות עצמית של מקרומולקולות.

יתר על כן, על בסיס הבנתם את הדינמיקה של צמיחת גבישים, הם הצליחו לתכנן ולעצב גבישים כיראליים תוך שליטה על קצב הצמיחה היחסי של פאות הגביש. הם עשו זאת על ידי שימוש בכמויות זעירות של תוספים כיראליים, אשר גרמו להאצה או לעיכוב קצב הצמיחה של הגביש בכוונים השונים. הם תכננו גבישים דו-ממדיים ותלת-ממדיים, הסבירו את דינמיקת הצמיחה שלהם, והוכיחו לראשונה כי ניתן לעצב גבישים היכולים להוביל לתוצרים שלא היו זמינים בשיטות קונבנציונליות. יתר על כן, הם הצליחו להסביר מגוון תופעות של התגבשות במערכות ביולוגיות, בהקשר של מחלות, כגון התגבשות כולסטרול בכלי הדם, ופיגמנט המלריה בתאי דם אדומים.

מכיוון שכל המערכות הביולוגיות מורכבות ממולקולות בעלות כיראליות אחת בלבד, השאלה המדעית הבסיסית לגבי מקור החיים על פני כדור הארץ, קשורה קשר הדוק למקור הכיראליות בטבע. להב ולייזרוביץ הציעו מסלולים אפשריים לשאלת מקור הכיראליות בטבע, בכך שהראו כי תגובות כימיות ספציפיות יכולות לגרום להגברה כיראלית וליצירת מרכיב אחד מתוך תערובת רצמית (תערובת של שתי הצורות הכיראליות ביחסים שווים). הם הדגימו כיצד פילמור בתוך גבישים דו-מימדיים, הנוצרים ממרכיבים רצמיים, יכול לגרום ליצירת אוליגופפטידים הומו-כיראליים. הניסויים האלגנטיים הללו, אשר מציגים את הקשר שבין התלכדות מולקולות קטנות בגבישים לבין יצירת ביופולימרים כיראליים, מציעים הסבר לאבולוציה הכימית, החל מתערובות פשוטות שקדמו להיווצרות החיים, ועד למכונות הכימיות המורכבות של החיים.

סטיבן ל. בוכוולד

ג'ון פ. הרטוויג 

סטיבן ל. בוכוולד נולד בשנת 1955 בבלומינגטון, אינדיאנה. בוכוולד קיבל את התואר ראשון מאוניברסיטת בראון ואת הדוקטורט מאוניברסיטת הרווארד. בשנת 1984, הוא החל את עבודתו כפרופסור לכימיה במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) בה מכהן כיום כראש המחלקה לכימיה. במהלך עבודתו במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס זכה בוכוולד בפרסי הצטיינות רבים .

פיתוח זרזים חדשניים, מבוססי פלאדיום, לתגובות יצירה של קשרי פחמן-פחמן זיכה את הפרופסורים נגישי וסוזוקי בפרס נובל בכימיה לשנת 2010. הישגם הדגיש, לא רק את החשיבות העצומה שבפיתוח שיטות יעילות ליצירת קשרי פחמן-פחמן, אלא גם בצורך לפתח שיטות יעילות ליצירה של קשרים בין פחמן לבין אטומים אחרים. זהו בדיוק הישגם של הפרופסורים בוכוולד והרטוויג, אשר פיתחו, באופן בלתי תלוי, זרזים חדשניים למשפחת תגובות, הידועות בשם הכללי ״צימוד מצולב״, שבהן נוצר קשר בין פחמן להטרואטום. לקשרים אלו, ובמיוחד לקשרי פחמן-חנקן, נודעת חשיבות רבה, משום שהם מהווים את הבסיס לכימיה התרופתית. מחקרם של שני חתני הפרס הוביל לפיתוח זרזים חדשים המבוססים על מתכות המעבר. השיטות שהעניקו לכימאים ניתנות ליישום נרחב ומאפשרות יצירה של קשרי פחמן-הטרואטום לסוגיהם, ברמות חסרות תקדים של יעילות ודיוק.

הישגיהם של הפרופסורים בוכוולד והרטוויג השפיעו באופן יסודי על האופן שבו מתבצעת כיום סינתזה אורגנית בכלל, ובמיוחד על אופן הייצור של תרופות סינתטיות. החדשנות העצומה שגילו בפיתוח זרזים חדשים גרמה לחדשנות ולהתייעלות בכל תעשיית התרופות, החל מגילוי תרופות חדשות ועד לייצור התרופות בתעשייה, ובכך תרמו באופן משמעותי לאנושות כיום וגם בעתיד. פריצות הדרך שלהם נולדו מתוך מחקרים בסיסיים של הבנת מנגנוני התגובות, תכנון הליגנדות והבנה עמוקה של כל שלבי התגובות אשר מתרחשות סביב הקומפלקסים של מתכות המעבר. מעבר לזרזים עצמם, פיתחו בוכוולד והרטוויג שיטות מחקר חדשניות, אשר יביאו תועלת רבה לדורות של חוקרים וישנו את האופן שבו יתבצעו מחקרים עתידיים. השפעתם המתמשכת על כל מדעי הקטליזה, עומדת בפני עצמה כסיבה להענקת פרס וולף בכימיה לשנת 2019 לפרופ. בוכוולד ולפרופ. הרטוויג.