ביומינרליזציה: עולם מופלא ובלתי-מוכר
סידן פחמתי אמורפי הוא ביומינרל, כלומר הוא מופק על-ידי יצורים חיים. מדוע וכיצד משתמשים כל-כך הרבה בעלי-חיים דווקא בביומינרל בלתי-יציב זה? מנפלאות עולם הביומינרליזציה, שעדיין רב בו הנגלה על הנסתר
פנינים, שיניים, קוצים של קיפודי ים וקליפות של ביצים הם רק מקצת מן הדוגמאות ליצירת מינרלים במערכות ביולוגיות. למרות זאת, התבוננות ברשימה קצרה זו מספיקה על מנת להתרשם מהיקפה של התופעה וכן מן המגוון הרחב של הביו-מינרלים הידועים כיום. מינרלים אלה, בשל היווצרותם בסביבה ביולוגית תוך או חוץ תאית, הם בעלי תכונות ייחודיות ועשויים להיות שונים בתכלית מאלה המיוצרים באופן מלאכותי בתנאי מעבדה.
התכונות הייחודיות הללו נשלטות על ידי האורגניזמים השונים באופן שיתאים לתפקודם. על מנת להמחיש תופעה זו ניתן להתבונן בקוץ של קיפוד ים, אשר עשוי להגיע לאורך של יותר מ – 10 סנטימטרים. קוץ זה הוא למעשה גביש יחיד של סידן פחמתי מסוג קלציט. כאשר מגדלים גביש כזה בתנאי מעבדה, לעומת זאת, מתקבל גביש שבמרבית המקרים ניתן לראותו רק דרך מיקרוסקופ והוא בעל מבנה גאומטרי המזכיר תיבה.
הואיל ותופעה זו של גידול מינרלים בידי יצורים חיים, המכונה ביומינרליזציה, היא תופעה אוניברסאלית, רבים המחקרים שנערכו ברבות השנים אשר שמו להם למטרה לפענח מהם הגורמים המאפשרים את יצירת הביו-מינרלים הללו. בשנים האחרונות אף נערכו ניסויים רבים ליצירת חומרים סינתטיים מרוכבים דמויי ביומינרלים, תוך כדי יישום של עקרונות הלקוחים מן המערכות הביולוגיות. חומרים מרוכבים אלה, אשר נוצרו בהשראת המערכות הביולוגיות, יוכלו לשמש בעתיד כאב-טיפוסים ליצירת שיניים ועצמות באופן מלאכותי. דבר זה, לכשיתאפשר, הוא בעל חשיבות רפואית ממדרגה ראשונה.
הידע הקיים לא מספק
למרות שכיום ידועים מרבית הגורמים המשפיעים על היווצרות הביומינרלים, אפיונם של גורמים אלה והפיענוח של אופן השפעתם על גידול המינרלים לוקה בחסר. הגורמים המרכזיים אשר מעורבים בקביעת תכונות הביומינרלים הם מולקולות (או מאקרו-מולקולות) של חלבונים וסוכרים. מולקולות אלו מיוצרות על ידי היצורים החיים כך שחלקן משמשות כמצע עליו נוצרים וגדלים המינרלים וחלקן מוחדרות לתוך המינרלים תוך כדי תהליך היווצרותם. השילוב הייחודי הנוצר בין המאקרומולקולות לבין המינרלים מאפשר למעשה יצירת חומר מרוכב בעל תכונות פיזיקליות ומכאניות מיוחדות. המפתיע הוא, כי ניתן לקבל שיפור דרמטי בתכונות המינרל על ידי הוספת מאקרומולקולות בכמות משקלית שאינה עולה על אחוזים בודדים ממשקלו הכולל של הביומינרל.
כיום ידועים יותר מ- 60 ביומינרלים שונים, אשר רבים מהם משמשים לחיזוק מכאני של רקמות ביולוגיות. כשלושה רבעים מכלל הביומינרלים הם גבישיים, כלומר בעלי סדר מולקולרי מחזורי לטווח ארוך. גדילתם של המינרלים הגבישיים מתרחשת על ידי היתוספותם הרציפה של היונים המרכיבים את הגביש לגרעיני הגיבוש הקיימים. תהליך זה של גידול גבישים גורם לכך שצורותיהם המרחביות של הגבישים מבטאות את הקשרים המולקולריים וכן את הסימטריה הגבישית. אי לכך מרבית המינרלים הגבישיים הם לא-איזוטרופיים, כלומר התכונות הפיזיקליות שלהם אינן אחידות בכיוונים שונים. לעומתם, כרבע מן הביומינרלים הם אמורפיים, כלומר אינם מסודרים בטווח הארוך, בדומה לזכוכית.
על פניו נראה כי המינרל האמורפי ניחן במספר תכונות המקנות לו עדיפות על פני המינרל הגבישי כחומר מוצא לבניית ביומינרל. ראשית, אין במינרל זה כיווניות מוגדרת, דבר המאפשר התנגדות לכוח חיצוני זהה בכל הכיוונים. לעובדה זו חשיבות רבה במינרלים המשמשים לחיזוק הרקמות שכן קיומם של כיוונים חלשים מבחינה מכאנית עלולים להגדיל את פגיעותה של הרקמה. יתרון ברור נוסף הוא היכולת לעצב מינרל אמורפי לכל צורה מרחבית העולה על הדעת, משום שבניגוד לגביש הוא איננו גדל מהר יותר בכיוונים מסוימים. עובדה זו מהווה יתרון ביצירת ביומינרלים בעלי מגוון עשיר של צורות, ללא כל מגבלה מרחבית.
למרות זאת מתברר שמרבית היצורים החיים עושים שימוש בביומינרלים גבישיים לחיזוק מכאני של הרקמות. מסתבר כי אחת הדרכים המאפשרות ליצורים חיים להתגבר על הבעיות הנובעות משימוש בחומר מוצא גבישי בעל כיווניות מוגדרת, היא הוספת מאקרומולקולות בכיוונים מועדפים בתוך המינרל.
מחסום מולקולרי
המאקרומולקולות, בהיותן גדולות בהרבה מן היונים המרכיבים את המינרל, יוצרות מעין מחסום, המונע התקדמותם של סדקים בכיוונים החלשים. לפיכך, נוכחותן של המאקרומולקולות מחזקת הלכה למעשה את המינרל כולו. אחדים מן האורגניזמים אף הסבו את חיסרון הכיווניות המוגדרת ליתרון. דוגמה מרתקת לכך התגלתה לאחרונה בנחשוני הים (הנמנים עם קבוצת קווצי העור), אשר שלדם החיצוני מורכב מגבישי קלציט דמויי עדשות. על ידי ניצול של כיוון מסוים המהווה ציר אופטי בגביש הקלציט, נחשוני הים מסוגלים למקד את קרני האור לתאים המיועדים לקולטו. באופן זה השלד החיצוני בנחשוני הים משמש הן להגנה והן אמצעי עזר לראייה.
הביומינרל האמורפי הנפוץ ביותר בעולם החי קרוי סיליקה או אופל (opal). כפי שניתן ללמוד משמו הוא מבוסס על היסוד סיליקון (צורן) ומיוצר לרוב בגדלים מיקרוסקופיים. עם זאת, בשל שכיחותם הרבה של האורגניזמים הימיים המייצרים מינרל זה, הוא נוטה להצטבר בקרקעית הים ולהרכיב חלק ניכר מן המשקעים התת-ימיים. עובדת היותו בעל גודל מיקרוסקופי מאפשרת למינרל חוזק רב יותר שכן בגדלים מאקרוסקופיים האופל מתאפיין בתכונות מכאניות זכוכיתיות, כלומר קשיחוּת מחד גיסא ושבירוּת מאידך גיסא.
לפיכך נראה כי על אף היתרונות שבאחידות המרחבית של התכונות המכאניות, אין בתכונות אלו יתרון ממשי כאשר מדובר ביצירת שלדים על בסיס אוֹפּל בגדלים מאקרוסקופיים. דוגמאות נוספות לביומינרלים אמורפיים הם סידן פחמתי אמורפי וסידן זרחתי אמורפי. את הביומינרלים הללו ניתן למצוא גם בגדלים מאקרוסקופים, אולם תפוצתם של ביומינרלים אלה נמוכה בהרבה מן השימוש בסיליקה כביומינרל. נראה היה לפיכך כי המינרלים האמורפיים, למרות יתרונותיהם המובנים, אינם ככלות הכול בעלי חשיבות לצורך הבנת תהליכי הביומינרליזציה כתופעה כוללנית.
ואולם, בשנים האחרונות חוקרים רבים מעלים סימן שאלה לגבי תקפותה של מסקנה זו. זאת לאור העובדה שמספר האורגניזמים המתגלים כמייצרי ביומינרלים אמורפיים עולה בהתמדה. עובדה זו נעוצה בעיקר בשל התפתחותן של שיטות ספקטרוסקופיות חדשות ושיפורן של השיטות הישנות, המאפשרות את אבחונה של הפאזה האמורפית. הקושי בזיהויה של פאזה זו נובע מהיותה חסרת סדר לטווח ארוך, דבר אשר מתבטא לרוב על ידי היחלשותם של אותות ספקטרוסקופיים בהשוואה לפאזות הגבישיות. בנוסף מסתבר כי הפאזה האמורפית במקרים רבים מתקיימת לצד הפאזה הגבישית המקבילה לה מבחינת הרכבה. במקרים אלה רק בחינה מדוקדקת עשויה לגלות את הימצאותה של הפאזה האמורפית.
הסידן האמורפי - במרכז תשומת הלב
ביומינרל שנמצא לאחרונה במרכז תשומת הלב בתחום הביומינרליזציה הוא הסידן הפחמתי האמורפי. מינרל זה הוא אחד מבין 6 הפאזות הידועות של סידן פחמתי. שאר חמש הפאזות הן גבישיות, ומתוכן הפאזות הקרויות קלציט ואראגוניט הן הנפוצות ביותר, הן בסביבה הימית (בה הן מרכיבות את מרבית השלדים של בעלי החיים הימיים, כגון אלמוגים וקונכיות צדפות) והן כמשקעים גיאולוגים.
הסידן הפחמתי האמורפי נתגלה כביומינרל לפני יותר ממאה שנים, אך רבות עדיין החידות הנוגעות לשימוש בו במערכות ביולוגיות. עיקרו של דבר הוא העובדה שמינרל זה מאוד בלתי יציב. דרגת היציבות של הביומינרלים נקבעת על פי מידת התמוססותם במים. השוואה בין הסידן הפחמתי האמורפי לבין פאזת הקלציט הגבישית מעלה כי מסיסותו של הראשון גבוהה פי 90 מזו של האחרון.
לפיכך, יציבותה של הפאזה האמורפית נמוכה באופן משמעותי מפאזת הקלציט, ולמעשה היא הנמוכה ביותר מבין כל הפאזות הידועות של הסידן הפחמתי. אם כך נשאלת השאלה, מדוע משתמשים יצורים חיים רבים דווקא במינרל בלתי יציב זה לצורך חיזוק רקמותיהם, וכיצד הם מייצבים את המינרל האמורפי ומונעים את גיבושו למינרל יציב יותר למשך כל חייהם?
לגבי חלקה הראשון של השאלה ניתן להעריך שיתרון האיזוטרופיות והיכולת לעצב את המינרל לכל צורה אפשרית הם בעלי חשיבות מספיקה על מנת להעדיף את שימושה של הפאזה הזו על פני הפאזות הגבישיות, למרות חוסר יציבותה. עם זאת ראוי לציין כי יש לפחות קבוצה אחת של אורגניזמים אשר מנצלים דווקא את אי-היציבות של מינרל זה. הכוונה לקבוצת סרטנים אשר מחליפים בתדירות גבוהה את השלד החיצוני, המחוזק, במרבית המקרים, על ידי המינרל סידן פחמתי אמורפי. החלפה זו היא חלק ממחזור חייהם והיא מאפשרת בין היתר את גדילת הסרטנים. השימוש במינרל אמורפי בלתי יציב באופן יחסי מאפשרת את התמוססותו המהירה של השלד הישן וכן את בנייתו המהירה של החדש.
התרחשותם של תהליכים אלה באופן מהיר הכרחית כדי לצמצם את פגיעותו של הסרטן בזמן העדר שלד חיצוני קשיח. כשמדובר בסרטנים החיים במים מתוקים, אשר בהם ריכוז הסידן נמוך בהרבה מריכוזו במי ים, ישנם סרטנים העושים שימוש נוסף במינרל האמורפי. סרטנים אלה משתמשים בסידן שמקורו בשלד הישן לצורך בניית השלד החדש. דבר זה מתאפשר על ידי העברת הסידן באמצעות גרנולות לאיזור מיוחד בבטן הסרטן, שם הוא נשמר כסידן פחמתי אמורפי עד אשר הוא מתמוסס ומועבר חזרה להקשיית השלד החדש. בתהליך זה מסיסותו הגבוהה של הסידן הפחמתי האמורפי מהווה יתרון ברור.
ממה מורכבות הפאזות?
בכדי לענות על חלקה השני של השאלה, קרי להבין את הגורמים המשפיעים על ייצוב הסידן הפחמתי האמורפי במערכות ביולוגיות, נערכו ניסויים בשני ערוצים מקבילים. בערוץ אחד אופיינו מספר דוגמאות של סידן פחמתי אמורפי אשר נלקחו ממגוון יצורים חיים: צמחים (ציסטוליטים), מיתרניים (אסצידיה) וכן פרוקי רגליים (לובסטר). הצורך באפיון הדוגמאות נבע מן העובדה שמלבד היותן חסרות סדר לטווח ארוך, מעט מאוד היה ידוע על הרכבן של הפאזות. אחת מן האפשרויות שהועלתה היא שהפאזה האמורפית מורכבת מרשת בלתי מסודרת של יונים אשר בתוכה יחידות קטנות בעלות סידור אופייני לטווח קצר. בנוסף, אם אכן קיימות יחידות מסודרות כאלו, נשאלה השאלה האם הן זהות בכל המקרים או שיש סידור קצר טווח ייחודי בכל מקרה.
השוואה של דוגמאות אמורפיות מיוצבות אשר נלקחו ממגוון רחב של אורגניזמים העלתה כי הן מורכבות ממספר גורמים משותפים. ראשית, הסידן הפחמתי האמורפי מורכב ממולקולה אחת של מים על כל יון של סידן. שנית, בכל המקרים נמצאו תוספים אי-אורגאניים, כגון יוני מגנזיום ו/או יונים זרחתיים, הידועים כמעכבי היווצרות גבישים של סידן פחמתי, ועל ידי כך מאפשרים היווצרות של פאזות בלתי יציבות בכלל ופאזה אמורפית בפרט. ואולם בנקודות אלו מסתיים הדמיון. כאשר חוממו באופן מבוקר הדוגמאות שנלקחו מבעלי-החיים השונים התברר כי אופן קישור מולקולות המים שונה במקרים השונים, ובנוסף נמצא שמידת היציבות של הפאזות האמורפיות השונות איננה זהה.
בחלק מן המקרים התרחשה התגבשות בעקבות חימום ל- 250 מעלות צלזיוס, בעוד דוגמאות אחרות נותרו אמורפיות אפילו לאחר חימום ל- 500 מעלות. עוד נמצא כי מידת היציבות קשורה, בין היתר, לנוכחות התוספים האי-אורגניים. השוואה בין ארגון היונים בתוך מבנה החומרים האמורפים העלתה כי אין המדובר בפאזה אחת אשר חסרה סדר ארוך טווח.
למעשה התברר כי השם הכללי "סידן פחמתי אמורפי" מייצג משפחה של חומרים אמורפיים השונים האחד מן השני באופן סידור היונים בטווח הקצר. התברר כי ככל שהיונים המרכיבים את הפאזה האמורפית הם בעלי סידור אופייני בטווח מרחקים ארוך יותר, יציבותה של פאזה זו פוחתת והולכת. בעובדות אלו יש כדי לרמז על כך שהמנגנון ליצירת וייצוב הפאזה האמורפית איננו אחיד בעולם החי.
הערוץ השני שבאמצעותו ניתן לקבל מידע על אופן ייצוב הסידן הפחמתי האמורפי במערכות ביולוגיות הוא אפיונן של המאקרומולקולות המהוות גורמי מפתח במערכות אלו. אחד הניסויים הראשונים אשר הוכיחו את חשיבות המאקרומולקולות לייצוב הפאזה האמורפית נעשה על ידי יצירת סידן פחמתי אמורפי סינתטי באמצעות מאקרומולקולות שמוצו מתוך ביומינרל אמורפי. מניסויים אלה התברר כי המאקרומולקולות יכולות למנוע יצירת מינרלים גבישיים, מחד גיסא, ולאפשר יצירת סידן פחמתי אמורפי מאידך גיסא.
פאזת מעבר
על מנת לאפיין את המאקרומולקולות החשובות לתהליך יש לבדוק את פעילותן הנפרדת על יצירת סידן פחמתי אמורפי באופן סינתטי. מתוך אפיון מספר מועט של חלבונים הנחשדים כאחראיים לייצוב המינרל עולה כי החלבונים הללו הם בעלי הרכב ייחודי של חומצות אמינו – שפע יחסי של גלוטאמין וחומצה גלוטאמית.
בשנים האחרונות התברר כי הסידן הפחמתי האמורפי יכול לשמש כפאזת מעבר ליצירת סידן פחמתי גבישי. דוגמה אחת היא עוברים של קיפודי הים. לעוברים אלה שלד פנימי המורכב מקוציצים הקרויים ספיקולות. הביומינרל ממנו עשויות הספיקולות הוא סידן פחמתי אמורפי אשר מתגבש לגביש יחיד של קלציט. מסתבר שמעבר הסידן הפחמתי האמורפי לפאזה הגבישית נעשה באופן מבוקר תוך כדי התפתחות העובר. לאחרונה התברר כי גם הקוצים של קיפודי הים הבוגרים מתפתחים בתהליך דומה של התגבשות הפאזה האמורפית ליצירת חד-גביש קלציטי. דוגמה נוספת למעבר פאזה אמורפית לגבישית נמצא גם בקונכיות של עוברי צדפות בהם הסידן הפחמתי האמורפי מתגבש לצורה גבישית אחרת הקרויה אראגוניט.
מאחר שפאזת המעבר האמורפית מתגבשת בכל אחד מן המקרים הידועים לפאזה גבישית שונה, במקרה אחד לקלציט ובמקרה אחר לאראגוניט, ייתכן שהמידע הנדרש ליצירת הפאזה הגבישית צפון בתוך פאזת המעבר האמורפית.
בחינה של פאזת המעבר האמורפית מן הספיקולות העלתה כי פאזת המעבר שונה באופן ניכר מן הפאזה האמורפית היציבה המוכרת באורגניזמים אחרים. ההבדל בא לידי ביטוי בכך שבניגוד לפאזות האמורפיות היציבות, היא איננה מכילה מולקולות מים כלל. בנוסף, עדויות ראשוניות מצביעות כי סידור היונים של פאזת המעבר האמורפית בטווח הקצר זהה לסידור הגבישי אליו היא עתידה להתגבש. עדויות אלו עשויות ללמד כי מנגנון מעבר הפאזות מתרחש כולו בפאזה המוצקה. באופן זה, כל שנדרש על מנת לאפשר את מעבר הפאזות הוא הערכות מחודשת של היונים אשר נועדה לקשור את היחידות המסודרות לכדי סדר מחזורי לטווח ארוך.
התברר כי המאקרומולקולות אשר מוצו מתוך הספיקולות של עוברי קיפודי הים בשלבים המוקדמים גורמות ליצירת סידן פחמתי אמורפי סינתטי, בעוד שאלו אשר מוצו בשלבים מאוחרים אינן עושות כן. ניסויים אלה, שנעשו בנוכחות יוני מגנזיום, מוכיחים כי קיימת התאמה ברורה בין הימצאות הפאזה האמורפית בספיקולות לבין יכולתן של המאקרומולקולות אשר מוצו מתוכן לגרום להיווצרות סידן פחמתי אמורפי סינתטי.
התבוננות במגוון האורגניזמים המייצבים את פאזת הסידן הפחמתי האמורפי מעלה כי קיימים מספר גורמים המשפיעים על ייצובה במערכות ביולוגיות. הייצוב נעשה בעזרת מאקרומולקולות וכן על ידי הוספת יונים אי-אורגאניים כמעכבי גיבוש. גורמים אלה, המשותפים לכל האורגניזמים המייצרים סידן פחמתי אמורפי, מצביעים על כך שיש עקרונות זהים המאפשרים להתגבר על הבעיות הכרוכות בשימוש בפאזה בלתי יציבה זו. ברור שהבחירה האבולוציונית בפאזה זו על ידי יצורים כה רבים מצביעה על יתרונות אבולוציוניים.
מאחר שהפאזות הגבישיות היציבות ביותר אינן מכילות מולקולות מים, נוכחות מים בכמות משמעותית בפאזה האמורפית גם היא תורמת ליציבותה, שכן על מנת לגרום להתגבשות על הפאזה יש צורך ,ראשית כל, להיפטר ממולקולות המים. באופן מקביל, היעדרות של המים מן הפאזה המשמשת כפאזת מעבר, מעידה על כך שאורך חייה של פאזה זו הוא קצר, וכי התגבשותה עשויה להתרחש תוך שינוי זעיר בהרכב. בנוסף, יתרון מפורש לכך שפאזה המיועדת להתגבשות איננה מכילה מים נעוץ בעובדה שיציאת מים מבניים תוך כדי תהליך ההתגבשות, סופה להוביל לירידה בנפח המינרל. ירידה שכזו עלולה הייתה להיות הרסנית עבור מינרל שתפקידו לתמוך ברקמות ביולוגיות.
תוך יישום של השיטות הספקטרוסקופיות החדישות, ייתכן מאוד שניתן יהיה למצוא פאזות אמורפיות נוספות המשמשות כפאזת מעבר. אפשרות אחת מרתקת, שאותה ניתן לבחון, היא שימוש אפשרי בסידן זרחתי אמורפי כפאזת מעבר התחלתית ליצירת המינרל הקרוי אפאטיט פחמתי. למינרל זה חשיבות רבה, שכן הוא משמש לחיזוק שלדם של רבים מן החולייתנים, ובכללם עצמות של בני אדם, וכן מספר שלדים של חסרי חוליות.
על אף שקיומה של פאזת הסידן הפחמתי האמורפי ידוע זה יותר ממאה שנים, חקר הגורמים המשפיעים על יצירתה וייצובה הוא רק בראשיתו. ייתכן שרבים מן הביומינרלים נוצרים תחילה כפאזה אמורפית ורק לאחר מכן מתגבשים לפאזה הרצויה. הידע אשר הופק ממחקר היצורים המייצרים ומייצבים סידן פחמתי אמורפי עשוי לשמש בתחומי מחקר מגוונים. דוגמאות ליישומים אפשריים ניתן למצוא בתחום הרפואה: מסיסותו הגבוהה של הסידן הפחמתי האמורפי והעובדה שאיננו רעיל מצביעים על שימוש אפשרי בו כנשא של תרופות אל תוך גוף האדם. מסיסותו הגבוהה אף עשויה לשמש במכשירים ביתיים רבים הסובלים מתופעה של הצטברות אבנית, אשר מורכבת ברובה מסידן פחמתי גבישי בצורת אראגוניט. יצירת הסידן הפחמתי האמורפי כתחליף מסיס לפאזת האראגוניט הגבישית עשויה לצמצם תופעה זו. יישומים נוספים עשויים להימצא בתחומי מחקר מדעי.
- ספי רז סיימה את לימודי הדוקטורט בנושא היווצרות הסידן הפחמתי האמורפי וייצובו במערכות ביולוגיות. העבודה המתוארת במאמר זה נערכה בשיתוף פעולה עם פרופ' אירית שגיא ודר' יעל לוי-קליסמן ממכון ויצמן למדע וכן עם פרופ' פרד וילט מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי.
לפנייה לכתב/ת 
