הרכבה עצמית

הרכבה עצמית היא תהליך הפיך שבו אוסף בלתי מסודר של חומרי גלם או רכיבים הופך למבנה או דפוס מסודר באופן ספונטני כתוצאה מהאינטראקציות בין חומרי הגלם וללא הכוונה חיצונית. תהליך זה מתרחש מאחר שבאופן כללי מערכות בטבע שואפות להיות במינימום מקומי של אנרגיה. לדוגמה: מים זורמים במורד, אולם לא כל המים זורמים לים המלח, המקום הנמוך בעולם. אם, תחת תנאים מסוימים, מינימום מקומי של אנרגיה של מערכת יהיה כאשר הרכיבים מסתדרים במבנה או דפוס מסודר, הם יעשו זאת באופן ספונטני ללא השקעת אנרגיה חיצונית וללא הכוונתם למקומם על ידי התערבות חיצונית.

הרכבה עצמית של ליפידים (a), חלבונים (ב) ו-(ג) קומפלקסי SDS-cyclodextrin. SDS הוא חומר פעיל שטח עם זנב פחמימני (צהוב) וראש SO4 (כחול ואדום), בעוד שציקלודקסטרין הוא טבעת סכריד (אטומי C ירוק ואדום O).

תמונת ממ"ס של שרשראות סופרא מולקולריות של המוליך למחצה האורגני קווינקרידון (Quinacridone) על גרפיט

ניתן לסווג הרכבה עצמית כסטטית או דינמית. בהרכבה עצמית סטטית, המצב המסודר נוצר כאשר מערכת מתקרבת לשיווי משקל, ומפחיתה את האנרגיה החופשית שלה. בהרכבה עצמית דינמית, דפוסים של רכיבים קיימים המאורגנים על ידי אינטראקציות מקומיות ספציפיות אינם מתוארים בדרך כלל כ"הרכבה עצמית" על ידי מדענים בדיסציפלינות הקשורות, אלא מתוארים בדרך כלל כבעלי "ארגון עצמי", אם כי מונחים אלה משמשים לעיתים קרובות כשמות נרדפים.

מאפיינים של תהליך ההרכבה העצמית

שלושת המאפיינים המרכזיים של תהליך ההרכבה העצמית הם:

1. סדר – המבנה הנוצר בסוף תהליך של הרכבה עצמית חייב להיות מסודר יותר מאשר רכיביו, בין אם במבנהו, בצורתו או בהתאמתו למשימה זו או אחרת. (מאפיין זה ייחודי לתהליכי הרכבה עצמית ולרוב אינו נכון עבור תגובות כימיות כלליות, שבהן מצב מסודר ינטה לעבור למצב פחות מסודר, כתלות בפרמטרים התרמודינמיים.)
2. האינטראקציות בין הרכיבים – מאחר שעל תהליך ההרכבה העצמית להיות הפיך, על פי רוב תהיה האינטראקציה בין הרכיבים חלשה (קשרי ואן דר ואלס, קשרי מימן וכו'). לאינטראקציות אלו, על אף שבאופן אופייני הן חלשות פי עשרה מאינטראקציות כגון קשרים קוולנטים או קשרים יוניים, תפקיד חשוב בהתרכבות של חומרים, ובפרט בעולם החי. למשל, אופי הקשרים החלשים יותר במקרים רבים קובע את התכונות הפיזיקליות של נוזלים, את מידת המוצקות של מוצקים ואת המבנה של ממברנות ביולוגיות ואת חדירותן.
3. חומרי הגלם או הרכיבים – ב בתהליך הרכבה עצמית עשויים להשתתף מגוון של חומרים, גם גדולים ומורכבים יותר מאטומים או מולקולות. בעולם החי בדרך כלל יהיו רכיבים אלו מבנים ננומטריים, אך בדוגמאות במעבדה יכולים להיות גם מבנים מקרוסקופיים; כתלות במבנה הרצוי ובתנאים שתחתם אמורה המערכת להרכיב את עצמה. מובן כי הכוחות המניעים של התהליכים השונים משתנים כתלות באופי הבניין.

הרכבה עצמית בטבע

גבישים הגדלים באופן טבעי הם דוגמה להרכבה עצמית (גם אם לא מעניינת במיוחד, כיוון שגביש בהגדרתו הוא מערכת שחוזרת על עצמה). דוגמה מעניינת יותר מספק לנו עולם החי והצומח: תחת תנאים מסוימים (ומורכבים לאין שיעור) נוצרות באופן טבעי בטבע מערכות מורכבות להפליא. בניגוד לגבישים, שהרכבתם העצמית היא סטטית (כלומר: המערכת מגיעה למינימום מקומי של אנרגיה ונשארת שם), במערכות החי והצומח ההרכבה העצמית היא דינמית. התא כולו אינו נמצא בשיווי משקל (במינימום מקומי של אנרגיה) אך החלבונים והאנזימים מתרכבים עצמית – כל אחד למינימום מקומי של אנרגיה תחת התנאים הרגעיים בסביבתו המקומית כדי לבצע את תפקידו בתא.

בני האדם רתמו מספר מקרים כאלה לעזרתם; למשל שימוש ב-DNA. המולקולה הנושאת את החומר התורשתי מורכבת משני גדילים, אשר כל אחד מהם הוא רצף של ארבע אבני בניין (G,‏ T,‏ A ו-C). מבחינה אנרגטית – כדי להגיע למינימום מקומי של אנרגיה תחת תנאים פיזיולוגיים – עדיף שזוג גדילים יקשרו זה לזה או גדיל יחיד יתקפל ויקשר לעצמו כך ש-A נקשר ל-T ו-C נקשר ל-G. בעזרת מערכת פשוטה זו ותכנון ובנייה של גדילים ספציפיים הצליחו מדענים ליצור בעזרת DNA צורות גאומטריות שונות דו או תלת־ממדיות, וכן הצליחו ליצור מכונת מצבים פשוטה אשר עשויה למשל להיות מתוכננת לחשב כמה פעמים מופיעה האות A ברצף מסוים של DNA.

הרכבה עצמית מעשה ידי האדם

באופן כללי, ניתן להגדיר שתי גישות שונות לבנייתהּ של מערכת מורכבת: גישת ה-Top Down – היכולת לעשות מניפולציה לאבני הבניין הקטנות בעזרת כלים שונים ולבנות אותם בסדר רצוי, וגישת ה-Bottom Up – הרכבה עצמית.

לכאורה, קל יותר לעשות דברים בגישת ה-Top Down; מרגע שקיימים הכלים לתפעל את אבני הבניין, ניתן לבנות מהן כל שרוצים. ולראיה, זוהי הגישה השלטת היום בתכנון מערכות מיקרואלקטרוניקה. ברם אם יורדים לרמה מערכות ננו-מטריות, מתגלה כי אליה וקוץ בה:

1. דיוק – גם הכלים הטובים ביותר המצויים ברשותנו כיום גסים מדי, מה שגורם לפגמים בחומר ומשפיע במידה רבה על התכונות המקרוסקופיות שלו.
2. זמן – גם לו יכולנו לכדרר במדויק למקום ספציפי אטום יחיד (למשל בעזרת מיקרוסקופ מִנהור סורק [STM]), הרי שכתיבת המידע שעל גבי דיסק קשיח אופייני למשל ייקח כ-3,000 שנה.
3. אנרגיה – הפעלת כלים שכאלו דורשת בדרך כלל הרבה אנרגיה.

גישת ההרכבה העצמית באה לפתור בעיות אלו ולהציג דרכי בנייה זולות ויעילות.

1. דיוק – היות שכעת חומרי הגלם זזים לבדם למקום הנכון על פי העיקרון של מינימום אנרגיה, הם יסתדרו במבנים צפופים ומדויקים יותר, וכך ייצרו חומרים ללא פגמים.
2. זמן – כיוון שחומרי הגלם מסתדרים מעצמם, ניתן בו זמנית לייצר רכיבים רבים.
3. אנרגיה – כל שצריך לעשות הוא להחזיק את התנאים הנכונים, והמערכת עושה זאת באופן ספונטני בלי השקעת עבודה חיצונית.

אולם, גם בגישה זו יש חסרונות. ראשית, היא קשה מאוד לתכנון. במידה רבה, האחריות כאן עוברת מהבונה למתכנן. נכון לשנת 2016 עובדות קבוצות מחקר רבות בעולם על ייצור מתקנים ויישומים שונים בשיטה זו, בין השאר בשיטות ביולוגיות, אורגניות או ייצור רכיבים סינתטיים. עם זאת, המחקר עדיין רחוק מגילוי של שיטה מסחרית. אחת הבעיות בהן נתקלים המתכננים היא בעיית תיקון השגיאות. מעצם הגדרת התהליך, לפעמים קורות שגיאות (למשל: רבים המקרים בהם שכפול של DNA אינו מושלם). בעבור מקרים כאלו "דאגה" האבולוציה למנגנוני תיקון שגיאות (ומה גם שכל עוד קורה הדבר אחרי שפרט מסוים כבר התרבה, אין לשגיאה חשיבות מבחינה אבולוציונית). התעשייה, לעומת זאת, אינה "סובלת" שגיאות.

ראו גם

• ארגון עצמי