. קישור שני אטומי חמצן שמקורם במולקולות המים ליצירת גז חמצן הוא התהליך שמהווה את צוואר הבקבוק בביקוע המים. הטבע כבר בחר בנתיב משלו כדי להתמודד עם הבעיה: הפוטוסינתזה שמבצעים צמחים היא המקור לכל החמצן שבאטמוספרת כדור הארץ. על אף ההתקדמות המשמעותית שחלה בהבנת הפוטוסינתזה, השאלה כיצד בדיוק פועלת המערכת אינה ברורה במלואה. קבוצות מחקר רבות ברחבי העולם מנסות לפתח מערכות פוטוסינתטיות מלאכותיות – אך עד כה בהצלחה מוגבלת למדיי. הגישה החדשה שפיתחו מדעני מכון ויצמן למדע כוללת רצף של תגובות עוקבות, המונעות על ידי אור וחום, אשר מובילות לשחרור מימן וחמצן. עוד משתתפת בתהליך תרכובת מתכתית "חכמה" שתוכננה ופותחה במחקרים קודמים של הצוות. זהו צבר של מולקולות אורגניות, שבמרכזן ממוקם אטום של המתכת רותניום. בכל שלב של התהליך עובר הצבר החכם שינויים כימיים – שמאפשרים את קיומו של השלב הבא. "כאשר אנחנו חושפים לאור את הצבר שנוצר בשלב השלישי והאחרון, בטמפרטורת החדר, הזרז חוזר בחזרה למצבו המקורי, כך שאפשר לשוב ולהשתמש בו למחזור חדש של תגובות", אומר פרופ' מילשטיין. בשלב הראשון, פעילות משותפת של המרכז המתכתי ושל החלק האורגני מאפשרת פירוק של מולקולות המים: נוכחותו של הצבר החכם במים גורמת לשבירת הקשרים הכימיים בין החמצן והמימן. אטום מימן אחד נקשר לחלק האורגני של הצבר, ואטום מימן נוסף ואטום חמצן (קבוצת הידרוקסיד) נקשרים למרכז המתכתי. בשלב הבא של התהליך, שלב החום, מוסיפים מים לתערובת ומחממים אותה לטמפרטורה של 100 מעלות צלסיוס. שלב זה גורם לשחרור גז מימן מהצבר – מקור אפשרי לדלק נקי – תוך קשירת קבוצת הידרוקסיד נוספת למתכת.

בשלב השלישי של התהליך – שלב האור – נוצר גז חמצן, ובסופו חוזר הצבר המתכתי למצבו המקורי. מדובר בממצא מפתיע, שכן עד כה לא היה ידוע שאפשר ליצור קשר בין שני אטומי חמצן בצורה זו. פרופ' מילשטיין וחברי הצוות שלו גילו גם את המנגנון הבלתי מוכר שבאמצעותו מתחולל התהליך. מתברר, כי במהלך השלב השלישי מספק האור את האנרגיה הדרושה להתלכדותן של שתי קבוצות הידרוקסיד, וליצירת מי חמצן (H2O2). זהו קישור קצר מועד, שכן מדובר בחומר בלתי יציב, המתפרק במהירות למים ולאטום חמצן בודד. בהמשך מתלכדים שני אטומי חמצן ליצירת מולקולה של גז חמצן. "חוסר היציבות היחסי של מי החמצן גרם למדענים להתעלם מאפשרות קיומו של השלב הזה, מתוך הערכה שהוא בלתי סביר. אנחנו הראינו שהשלב הזה אכן מתקיים", אומר פרופ' מילשטיין. המדענים הצליחו להוכיח כי הקשר בין שני אטומי החמצן נוצר בתוך מולקולה בודדת, ולא בין אטומי חמצן שמקורם במולקולות שונות – כפי שמקובל היה לחשוב – וכן כי מקורם בצבר מתכתי

יחיד.



פיתוח שיטות מלאכותיות יעילות לפירוק מולקולות מים למימן וחמצן באמצעות אור השמש הוא מטרה עיקרית בתחום המחקר של אנרגיה נקייה ובת קיימא. עד כה הצליח צוות החוקרים בראשות פרופ' מילשטיין למצוא מנגנון בן שלושה שלבים ליצירת מימן וחמצן ממים, המבוסס על שימוש באור שמש ואינו מחייב שימוש בחומרים כימיים מתכלים. עכשיו מתכננים המדענים לאחד את שלושת השלבים לרצף אחד, וליצור מערכת יעילה שתקדם את חוקרי האנרגיה צעד נוסף וחשוב בדרכם להשגת מטרתם.



במחקר השתתפו החוקר הבתר-דוקטוריאלי (דאז) ד"ר סטפן קוהל, תלמיד המחקר לאוניד שוורצברד, וטכנאי המעבדה יהושע בן-דוד מקבוצתו של פרופ' מילשטיין במחלקה לכימיה אורגנית, יחד עם ד"ר לב ויינר, ד"ר לאוניד קונסטנטינובסקי, ד"ר לינדה שמעון וד"ר מרק איירון מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי.   





‏

מחקר מצא דרך לפתח תרופה חדשה לטיפול בסוכרת

פרס קיי על הפיתוח הוענק לפרופ' שלמה ששון מהאוניברסיטה העברית

אורית סוליציאנו, דוברת האוניברסיטה העברית, ליבי עוז, ע' דוברת



טכנולוגיה חדשה שפיתח חוקר מהאוניברסיטה העברית עשויה להוביל לתרופה הניתנת דרך הפה שתווסת את רמות הגלוקוז בחולי סוכרת מסוג 2 ותחליף בכך טיפולים פחות יעילים בסוכרת. עבור עבודתו פורצת הדרך קיבל פרופ' שלמה ששון מבית הספר לרוקחות באוניברסיטה העברית את פרס קיי לפיתוחים חדשניים במסגרת המושב ה-72 של חבר הנאמנים של האוניברסיטה העברית.



סוכרת סוג 2 היא מחלה נפוצה אשר צפויה להשפיע על 380 מיליון איש ברחבי העולם בתוך 20 השנים הקרובות. המחלה מאופיינת ברמות גבוהות של גלוקוז בדם ובשתן ובסיבוכים חמורים ברקמות ובאיברים שונים בגוף. המחלה נגרמת בגלל בעיה בייצור הורמון האינסולין בגוף ובתגובת חסר של רקמות שונות כגון שרירי השלד להורמון.



הטיפולים התרופתיים נגד סוכרת הקיימים כיום מיועדים לוויסות רמות הגלוקוז בדם, אולם מאחר שהתרופות הקיימות אינן יעילות תמיד או אינן יעילות לאורך זמן, חולים רבים נזקקים במהלך מחלתם לטיפול בהזרקת אינסולין.



פרופ' ששון ושותפיו למחקר פרופ' ארול צ'ראסי ופרופ' יהושע כצהנדלר ותלמידי מחקר מצאו במחקרם כי רמות גבוהות של הפחמימה קסילוז מעלות את הרמות של כניסת גלוקוז לשרירי שלד. החוקרים השתמשו בסוכר הקסילוז כאב טיפוס לתכנון ולסינתזה של מולקולות חדשות שיוכלו בעתיד לשמש תרופה מסוג חדש לוויסות ולהורדת רמות הגלוקוז בדם בחולי סוכרת סוג 2.



במחקר שבוצע במעבדה במחלקה לפרמקולוגיה נמצא כי ריכוזים נמוכים של חלק מהנגזרות החדשות הללו העלו ביעילות את קצב קליטת הגלוקוז לתאי שרירי שלד, הן בתרביות תאים והן בעכברים סוכרתיים. נמצא שחומרים אלה אינם מחקים את מנגנון פעולת ההורמון אינסולין, אלא מפעילים אנזים מסוג אחר - AMPK. כאשר אנזים זה מופעל, כמות הגלוקוז הנקלטת בשרירי השלד גדלה גם בהיעדר אינסולין. לכן, חומרים אלה שמפעילים את האנזים יכולים להתגלות בהמשך הפיתוח כיעילים, במיוחד בחולים אשר אינם מגיבים לטיפול תרופתי מקובל לסוכרת או לטיפול באינסולין.



הטכנולוגיה מוסחרה בשנת 2008 על ידי יישום, החברה לפיתוח המחקר של האוניברסיטה העברית, לחברת DIAB הצרפתית, אשר תפתח תרופות לסוכרת המבוססות על המחקר.





כותרת:

חיי כוכב



מדעני מכון ויצמן למדע חשפו את הכוכב המתפוצץ הגדול ביותר שנצפה מעולם. בהמשך התהליך הפך הכוכב לחור שחור גדול.



בתצפית ראשונה מסוגה בעולם הצליחו מדענים ממכון ויצמן למדע לצפות בהתפוצצות של כוכב שמסתו גדולה מפי 50 ממסת השמש שלנו. זהו הכוכב המתפוצץ הגדול ביותר שנצפה מעולם. תצפיות המשך העלו, שמרבית מסת הכוכב קרסה אל תוך עצמה, דבר שגרם להפיכת הכוכב לחור שחור גדול.

כוכבים, כמו בני אדם, אינם חיים לנצח. למעשה הדרך שבה הם מסיימים את חייהם קבועה מראש, ותלויה בגודל הכוכב וב"משק האנרגיה" שלו. תהליך הפקת האנרגיה של הכוכבים, ובהם גם השמש שלנו, מתחיל כאשר החום והלחץ בליבת הכוכבים גורמים לגרעיני מימן להתמזג זה עם זה, כך שארבעה גרעיני מימן יוצרים יחד גרעין הליום. אולם מסת גרעין ההליום קטנה במעט מן המסה המשותפת של ארבעת גרעיני המימן שיוצרים אותו. לאן, אם כן, "נעלמת" המסה החסרה? מתברר שהיא הופכת לאנרגיה לפי נוסחת שוויון המסה והאנרגיה של איינשטיין E=mc2. במילים אחרות, מעט מאוד מסה יוצרת הרבה מאוד אנרגיה. 

כוכבים הדומים לשמש שלנו גומרים את הדלק העומד לרשותם ומסיימים את חייהם תוך כדי התנפחות שקטה יחסית. אבל כוכבים שמסתם גדולה פי שמונה ויותר ממסת השמש יורדים מהבמה תוך הפגנת כעס רב יותר. כאשר כוכב גדול כזה מכלה כמעט את כל המימן שבו, הוא עובר להפיק אנרגיה בתהליכים גרעיניים אחרים, המתחוללים בשכבותיו השונות של הכוכב.



בשלב מסוים, לאחר שלבים שונים של מיזוג גרעיני, הופכת ליבתו של הכוכב לברזל, המתפרק לניטרונים ולפרוטונים עצמאיים. תהליך זה גורם לקריסת הליבה (והשכבות הסמוכות אליה) אל תוך עצמה, ולהשלכת שאר החומר של הכוכב אל החלל במהירות עצומה. התפוצצות זו, המאירה את מרחבי החלל, קרויה סופרנובה.

סופרנובה משחררת בתוך ימים אחדים כמות אנרגיה העולה על האנרגיה ששחררה, משחררת ותשחרר השמש שלנו במשך כל חייה. בהירותה של התפוצצות כזאת היא כה רבה, עד שאם היא מתרחשת במרחק של מאות שנות אור אחדות מכדור הארץ היא עשויה להיראות כנקודה בהירה ברקיע, גם בשעות היום. באותו זמן ממשיכה ליבתו של הכוכב לקרוס, בתהליך שבו הלחץ הכבידתי גורם להפיכה של פרוטונים ואלקטרונים לניטרונים. בסופו של התהליך נדחסת ליבה שקוטרה כ-10,000 ק"מ לכדור צפוף שקוטרו כעשרה ק"מ בלבד, כך שמתקבל כוכב ניטרונים שארגז רגיל מהחומר שלו שקול כנגד כדור הארץ כולו. כאשר הכוכב המתפוצץ גדול עוד יותר, כלומר כאשר מסתו שווה לפי 20 ממסת השמש שלנו, הקריסה שלאחר ההתפוצצות נמשכת, כך שהמסה מתרכזת בקוטר כה קטן, וכוח הכבידה שלה כה גדול, עד שאפילו גלי האור אינם מסוגלים להשתחרר ממנו. מכיוון שכך, כוכב שהגיע למצב כזה אינו נראה לעין, מה שהקנה לו את הכינוי "חור שחור".                                                    



הסופרנובה האחרונה שנראתה בגלקסיה שלנו, "שביל החלב", התרחשה בשנת 1604. הסופרנובה האחרונה שנצפתה בעין התרחשה בשנת 1987 בגלקסיה הסמוכה, הקרויה "ענן מגלן הגדול". מאז נצפו סופרנובות שונות באמצעות טלסקופים, לווייני מחקר וטלסקופי חלל. אבל כל הכוכבים המתפוצצים שניתן היה למדוד אותם היו בעלי מסה שלא עלתה על פי 20 ממסת השמש שלנו. התאוריה המקובלת הראתה שגם כוכבים גדולים וכבדים פי עשרות ומאות מהשמש שלנו מסיימים את חייהם בהתפוצצות סופרנובה, ובתהליך הקריסה שלאחריה, שבו הם הופכים לחורים שחורים. אלא שתופעה זו לא נצפתה בפועל, עד למחקרם האחרון של ד"ר אבישי גל-ים מהפקולטה לפיזיקה של מכון ויצמן למדע, ושותפו פרופ' דגלס ליאונרד מאוניברסיטת San Diego State, ארצות הברית.

ד"ר גל-ים ופרופ' ליאונרד צפו באזור מסוים בחלל באמצעות הטלסקופ קק הפועל בפסגת הר מאונה קיאה בהוואי, וכן באמצעות טלסקופ החלל האבל. הם הצליחו לאתר ולמדוד כוכב לפני התפוצצותו כסופרנובה, והראו שמסתו של הכוכב שווה לפי 100-50 ממסת השמש שלנו. לאחר שהכוכב

התפוצץ, התברר שהחומר שהושלך ממנו בתהליך ההתפוצצות מהווה רק חלק קטן ממסת הכוכב. ד"ר גל-ים מעריך, שרוב חומר הכוכב עבר תהליך של קריסה אל תוך עצמו, שיסתיים בהיווצרות חור שחור. ואמנם, הכוכב שנראה באמצעות הטלסקופים "נעלם" לאחר ההתפוצצות, ואינו מופיע עוד בתמונות חדשות שמצולמות באמצעות טלסקופ החלל.

משמעות הדבר היא שהקריסה אכן הושלמה, ושהמסה הצפופה של ליבת הכוכב מפעילה עכשיו כוחות כבידה כה חזקים, עד שאפילו האור הנראה אינו יכול לעזוב את הכוכב, דבר שהופך אותו, ככל הנראה, ל"חור שחור".  



תמונה1

ד"ר אבישי גל-ים. כוכבים מתפוצצים



תמונה 2

התפוצצויות של כוכב סופר-ענק. למעלה משמאל: "סופרנובה מדומה" – פליטת כמויות גדולות של חומר המלווה באור חזק ובהיר. למעלה מימין: התנגשויות בין טבעות ענקיות הנפלטות מהכוכב דומות לסופרנובה, אך אינן מובילות להשמדה מוחלטת של הכוכב. למטה משמאל: "טביעת אצבע" אופיינית לסופרנובה מסוג IIn - גלי הלם הנוצרים בהתנגשות בין שיירי הכוכב שהתפוצץ, ההולכים ומתפשטים, לבין חומר שנזרק מהכוכב בשלב מוקדם יותר. למטה מימין: סופר-התפרצות המהווה "סימן מקדים" לסופרנובה  





:

פרק חדש



מדעני המכון הצליחו ליצור מערכת סיכוך חדשה, אשר מפחיתה

את החיכוך לרמות דומות לאלה המתקיימות במערכות טבעיות.



בתחרות הטכנולוגית המתקיימת בין האדם לטבע נהנה הטבע מיתרון ותק משמעותי - שלושה מיליארד וחצי שנות ניסיון שבמהלכן השתכללו מאוד יכולותיו בתחומי העיצוב, התכנון והביצוע. כך נוצרו מערכות טבעיות מתוחכמות אשר מממשות באופן מרבי את הפוטנציאל שלהן, ומאפשרות לבעלי החיים לתפקד ביעילות רבה. אחת הדוגמאות למערכת טכנולוגית יעילה, מעשV ידי הטבע, היא מערכת הסיכוך המופעלת במוקדי החיכוך בגוף האדם – המפרקים. הטבע הצליח לפתח שיטות וחומרים אשר מפחיתים את החיכוך לרמות נמוכות במיוחד, גם במפרקים הפועלים בלחצים גבוהים – כמו הירכיים והברכיים. החיכוך הנמוך במפרקים האלה שקול, לשם המחשה, להפעלת כוח של קילוגרם אחד המופעל בקלות באמצעות האצבע – כדי להסיט ממקומו משקל של טונה.  

אבל לרוע המזל, ועל אף התכנון המדוקדק, המערכות הטבעיות אינן פועלות לנצח. שנים של שימוש מאומץ גובות מחיר כבד מהמפרקים. הסיכה מתחילה להיפגע, ובעקבות כך נשחקים הסחוסים ונגרמת דלקת פרקים. העלייה המתמדת בתוחלת החיים מחריפה את נזקי השחיקה, כך שיותר ממחצית האוכלוסייה צפויה לסבול מפגיעה במפרקים.

במהלך השנים הצליחו מדענים לפתח מערכות סיכוך מלאכותיות שונות, אולם גם המערכות היעילות ביותר לא התקרבו לרמות החיכוך הנמוכות - העומדות גם בלחצים גבוהים - המאפיינות את

המפרקים בגוף האדם. הקושי בפיתוח מערכות סיכוך מתאימות היה אחד הגורמים העיקריים שהגבילו את השימוש במפרקי ירך וברך מלאכותיים. מחקר שביצעו מדעני מכון ויצמן למדע עשוי לסייע בפיתוח דרך מתקדמת להתגברות על הקושי הזה.



צוות מדענים, בראשות פרופ' יעקב קליין מהמחלקה לחומרים ופני שטח במכון, הצליח ליצור מערכת סיכוך חדשה, אשר מפחיתה את החיכוך לרמות דומות לאלה המתקיימות במערכות טבעיות. ממצאי המחקר, שבו השתתפו תלמידת המחקר (דאז) מנג צ'ן ומדענים מאנגליה, פורסמו באחרונה

בכתב העת המדעי Science. מבנה המולקולות של מערכת הסיכוך החדשה דומה למברשת: "זיפי המברשת" עשויים פולימר – כלומר שרשרות מולקולריות ארוכות המורכבות מרצף "חרוזים" של

מולקולות קטנות יותר, ומחוברות מצדן האחד לפני השטח. כאשר שתי מברשות כאלה נעות זו לעומת זו, זיפי המברשות באים במגע זה עם זה (במקום המשטחים של פני השטח), וכך מופחת החיכוך בין שני הגופים. ייחודה של מערכת הסיכוך הזאת נובע מסוג המולקולות שנבחרו וכן מהדרך שבה גידלו המדענים את זיפי המברשת. הם חלקים ביותר, ומצופים ציפוי מיוחד - שאחראי על תחילת יצירתו של הפולימר. באופן זה בקעו זיפי המברשת היישר מפני השטח, כשהם אחוזים בו בחזקה. לאחר מכן האריכו החוקרים את הזיפים שנוצרו, באמצעות הוספת יחידות מולקולריות נוספות וקשירתן בקשרים כימיים חזקים (בדומה לאופן שבו מאריכים שרשרת באמצעות השחלת חרוזים על חוט). ייחודן של המולקולות המרכיבות את הפולימר הוא ב"צימאונן" למים: על אף שמדובר במולקולות ניטרליות מבחינה חשמלית, אזורים שונים שלהן טעונים במטען יחסי, חיובי ושלילי. הודות לכך הן מושכות מולקולות מים – שגם הן טעונות באותו אופן. מולקולות המים מקיפות את יחידות הפולימר ונקשרות אליהן בחזקה. המבנה הנוצר, של שרשרות פולימר עטופות במולקולות מים, פועל כמו מיסב כדורי זעיר.

"מולקולות הקשורות למים – כמו אלה – מספקות רמה גבוהה ביותר של סיכה, והשרשרות האחוזות בחזקה עמידות מאוד לחיכוך וללחצים גבוהים. כך הן אינן נשחקות", אומר פרופ' קליין, "השילוב החדש שיצרנו, בין תכונות מועילות שונות, אפשר לנו להפחית את רמות החיכוך, גם בלחצים גבוהים יותר מכל מה שניסו בעבר במערכות סיכה מלאכותיות. ערכי החיכוך שקיבלנו במערכת המלאכותית שיצרנו דומים לאלה המתקבלים במפרקים טבעיים". חלק מהצלחת המחקר נזקף לזכות השימוש שעשו המדענים במכשירים רגישים ביותר למדידת חיכוך – שתוכננו ונבנו לראשונה בקבוצתו של פרופ' קליין במכון ויצמן למדע. הציוד המתקדם אפשר לזהות מנגנוני סיכוך חיכוך שלא היו ידועים בעבר, דבר שסייע בתכנון מערכת הסיכה המתקדמת. מברשות פולימריות, ובפרט כאלה המצופות במולקולות מים, פועלות באופן שונה לחלוטין מדרך פעולתן של מערכות סיכה מסורתיות – המבוססות על שימוש בשמנים. גישה חדשה זו עשויה להוביל לפיתוח שיטות לייצור מפרקים מלאכותיים להשתלה וכן לפיתוח מערכות רפואיות המוגבלות כיום על ידי חיכוך ובלייה. מחקר זה עשוי גם להציע תובנות חדשות, ולחשוף את סודותיו המקצועיים של הטבע באשר לדרכי הפעולה של המנגנונים המולקולריים העומדים בבסיס יכולת הסיכה הטבעית של הסחוס במפרקים. 





תמונה 2:

תרשים המציג את שני המשטחים המקבילים. מפני השטח יוצאים "זיפי מברשת" העשויים פולימר הנקשר למולקולות מים. "מברשות" אלה מפחיתות את החיכוך בין המשטחים לרמות נמוכות ביותר, גם בלחצים גבוהים –  הדומים לאלה המופעלים במפרקים טבעיים.



תמונה 1:פרופ' יעקב קליין. תנועה חלקה.