מוציאים את שיווי המשקל מהמשוואה

עדי בן-ארי ולירון בן-ארי הם סטודנטים להנדסת חשמל ופיזיקה, בשנה ד' ובתוכנית המצטיינים של הפקולטה להנדסה. אין זה במקרה שיש להם שם משפחה זהה, מדובר על תאומים זהים עם גאווה כפולה במיוחד לאור העובדה שמאמרם פורסם לראשונה החודש במגזין המדעי והיוקרתי The Journal of Chemical Physics. המאמר נכתב בהנחייתה של ד"ר גילי ביסקר, בנושא:  "Nonequilibrium self-assembly of multiple stored targets in a dimer-based system"

ד"ר ביסקר מפתחת במעבדה שלה ננו-חיישנים אופטיים תוך שימוש בתכונות האופטיות של ננו-צינוריות מפחמן כדי לזהות ולכמת מולקולות ביולוגיות בצורה ספציפית וסלקטיבית. בנוסף, היא חוקרת מערכות מורכבות מחוץ לשיווי משקל תרמודינמי, בהשראת מערכות ביולוגיות.

מערכות הרכבה עצמית

במערכות רבות, ובפרט בגוף האדם, מתרחשים תהליכים של הרכבה עצמית – תהליכים בהם מספר אבני בניין, כמו חלבונים, מסתדרים במבנה מסוים שנחוץ לפעולה ביולוגית ספציפית. כאשר תהליכי הרכבה עצמית מתרחשים בשיווי משקל תרמודינמי, כאשר חום נכנס מהסביבה או יוצא אליה רק באופן איטי ומבוקר, ניתן לתאר אותם ולחזות את תוצאותיהם מתוך התורה של מכניקה סטטיסטית בשיווי משקל.

אולם, תהליכים בגוף האדם מתאפיינים בחוסר שיווי משקל ואינם הפיכים, מה שמצריך כלים מתקדמים יותר על מנת לנתח אותם. במחקר, מודלה מערכת כללית של אבני בניין משני סוגים שונים שיכולות לשחזר מספר מבני מטרה, בהשראת מערכות ביולוגיות.

באמצעות סימולציות מחשב של המערכת, בהן הדינמיקה הוצאה משיווי משקל על ידי כוח לוקאלי (מקומי) – שמשפיע על האינטראקציה בין אבני בניין שכנות, הצליחו החוקרים להדגים מספר תכונות מעניינות. למשל, התאפשרה הרכבה של מבני המטרה מתוך מבנים התחלתיים קטנים יותר ביחס לאלו הנחוצים בשיווי משקל, הוגדלו מספר מבני המטרה שניתן לקודד למערכת, וכן שופרו היציבות ומהירות ההרכבה.

איור מתוך המאמר: סימולציה של הדינמיקה של המערכת. ככל שהזמן עובר, מצטרפים עוד חלקיקים לגרעין ההתחלתי ומבנה המטרה מורכב. בנוסף לחלק שחופף למבנה המטרה (בירוק), נבנים גם מבנים שגויים, שאינם שייכים למבנה המטרה (באדום).

איך המחקר יכול לסייע בעתיד?

מחקר זה יוכל לסייע בתכנון ושיפור מערכות המסוגלות לאחסן מספר מבני מטרה ולשחזר אותם, למשל חומרים מסתגלים שיכולים להסתדר במבנים שונים כתלות בתנאים חיצוניים. בפרט, הקטנת המבנים ההתחלתיים הדרושים, כפי שהוצג במחקר, יכולה להוות בסיס לאחסון יעיל יותר של מידע באמצעות מערכות מורכבות.

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון