الكوكب الأرجواني: جولة قصيرة في عالم البورفيرينات والجزيئات الحلقية الكبيرة ذات الصلة

(١) البورفيرينات موجودة في كل مكان

شكل ٣-١: «ألوان الحياة»: بعض الجزيئات المندرجة تحت البورفيرينات ذات الأهمية البيولوجية.

شكل ٣-٢: الآلية العامة للسيتوكروم P₄₅₀.

(٢) من جنوب كاليفورنيا إلى شمال النرويج

دعيني أحكي لكِ قليلًا عن رحلتي بصفتي باحثًا كيميائيًّا أكاديميًّا. لقد كان التوظيف الجامعي في الولايات المتحدة صعبًا في السنتين التاليتين مباشَرةً لحصولي على الدكتوراه (١٩٩٣‏-١٩٩٤)؛ لذا، تركت اختياراتي مفتوحة، وكنتُ على استعداد للانتقال إلى أي مكان آخَر من العالم، إذا كان ضروريًّا. أضيفي إلى هذا السيناريو أن مشرفي في الدراسات العليا، بول جاسمان، وهو أستاذ كيمياء عضوية فيزيائية مميز جدًّا، قد تُوفي فجأة؛ وبذلك، أكون قد فقدت أبًا وداعمًا كبيرًا لي. لحسن الحظ، تعاونتُ بقوةٍ مع عالم كيمياء نظرية سويدي من جامعة مينيسوتا، هو البروفيسور جان ألملوف، أثناء سنوات الدراسات العليا، ويومًا ما سألني إنْ كنتُ فكَّرتُ من قبلُ في العمل في أوروبا. ذكر أن جامعة ترومسو بالنرويج بها مكان شاغر، وأنهم مهتمون بشخص مثلي؛ عالِمٍ تجريبي يميل إلى الجانب النظري. وبعد نظرة سريعة على الخريطة (ترومسو عند ٧٠ درجة شمالًا تقريبًا)، لا بد أنني قد أصابتني الحيرة، لكن جان أكَّدَ لي أن الموقع ينبغي ألَّا يقلقني، وأن فصول الشتاء هناك أكثر اعتدالًا بكثير منها في مينيابوليس. والمدهش أن جان عرف عن أمر هذه الوظيفة الشاغرة من صديقه البروفيسور أود جروبن، من جامعة ترومسو، الذي كان في هذا الوقت يقضي إجازته البحثية التي تستمر لمدة عام في مينيابوليس. وفي غضون أسبوعين، وفي حفلٍ ببيتِ أود، حاوَلَ جان وأود إقناعي بالذهاب إلى ترومسو، وقرَّرتْ زوجتي ذات الروح المغامرة تجربةَ الذهاب إليها، وذلك إذا جاءنا عرضٌ من هناك. تقدَّمتُ رسميًّا لجامعة ترومسو وانتظرت. إن عجلة التوظيف الأكاديمي تدور ببطء في النرويج؛ لذا لم أجد مشكلةً في أن أحصل على وظيفة بحثية مؤقتة في كاليفورنيا قبل إمكانية الانتقال إلى النرويج. بالإضافة إلى ذلك، كنتُ في يناير ١٩٩٤، في زيارتي الأولى لكاليفورنيا بسبب مؤتمر جوردون للفلزات في علم الأحياء، وإذ كنتُ آتيًا من مينيابوليس المتجمدة، فقد شعرت بتأثر شديد في اللحظة التي خرجت فيها من مطار لوس أنجلوس؛ إذ أُعجبت بالنسيم الخفيف، والخضرة، والأزهار، والبنات والأولاد الذين كانوا يرتدون السراويل القصيرة! حسنًا، رأيت أن «عليَّ» قبول الوظيفة المؤقتة في كاليفورنيا قبل أن أشغل أي وظيفة في النرويج!

في مايو ١٩٩٥، دُعِيت للنرويج لإجراء مقابلة، سار كل شيء فيها على ما يرام. أود وزوجته اللذان أصبحا فيما بعدُ صديقَين جيدَين لي، كانا مُضيفَين شديدَي الكرم؛ فقد قضينا ذات يوم وقتًا رائعًا ونحن نتناول تَرْمَجانًا محمَّرًا، بينما كانت القمم الثلجية في النافذة الثابتة تتحوَّل إلى اللون الوردي في شمس منتصف الليل. لم يكن صعبًا أن أقتنع بالعمل في ترومسو، وخصوصًا أن الجو كان رائعًا خلال تلك الزيارة التي استمرت أربعة أيام، وهو الأمر الذي لا يكون دائمًا مضمونًا كما تعرفين! انتهى الصيف وأصبحنا في الخريف، ويومًا ما، جاء عرض من ترومسو في صندوق بريدنا في كاليفورنيا. لم أقم في حقيقة الأمر ببحثٍ جيد عن عمل مناسب في الولايات المتحدة حتى ذلك الوقت، وتساءلت كثيرًا في نفسي إن كنت أتخذ الطريق السهل بقبول وظيفة في النرويج البعيدة. ناقشنا الأمر على العشاء في مطعمنا الصيني المفضل في مدينة ريفرسايد، وقررت قبول العرض؛ فقد كانت وظيفة دائمة، ورغم أن ترومسو لا تستطيع توفير كل الإمكانيات المتاحة في أي جامعة أمريكية كبيرة، فقد كانت مكانًا معقولًا تمامًا للعيش والدخول في السلك البحثي. بالإضافة إلى ذلك، كانت المناطق المفتوحة — التي كانت دائمًا اعتبارًا مهمًّا بالنسبة إليَّ — مذهلة؛ لذا، قبلت العرض ولكني طلبت تأجيلًا قصيرًا (ومُنِحت إياه) لأن ابننا، الذي وُلد في ذلك الخريف، لم يكن عمره ليسمح بالسفر وهو مولود منذ فترة قصيرة جدًّا.

(٣) مشابهات البورفيرينات

أتيت إلى ترومسو في ربيع ١٩٩٦. أقول الربيع لأننا كنا في أبريل، لكن الجليد كان لا يزال سميكًا على الأرض. لحسن الحظ، الطقس كان رائعًا، كما هو في الربيع عادة هنا؛ لذا كنا في حالة معنوية عالية. وكان لديَّ بالفعل بعض المشاريع المستقلة في طور التنفيذ: لقد درست نظرية الكثافة الوظيفية، والتي هي بالأساس صيغة بديلة للكيمياء الكمية، وذلك إلى حد كبير كهواية خلال سنوات ما بعد الدكتوراه، واستخدمتها لاستكشاف التركيبات الإلكترونية للعديد من متراكبات الفلزات الانتقالية. وقد كانت تلك النظرية لا تزال جديدة جدًّا على علماء الكيمياء غير العضوية، والفلزات الانتقالية كانت مجالًا مفتوحًا على مصراعيه للاستكشاف. ولكني سوف آتي للكيمياء النظرية فيما بعد. اهتمامي الأول في ذلك العام هو أن أبدأ برنامجًا تجريبيًّا، وقد كان هذا أسهل في تصوره من تنفيذه؛ إذ أصبح لديَّ معمل فارغ بخزانات طرد غازات غير قياسية ولم يكن لديَّ طلاب؛ فمن منا سمع عن المنح البحثية في النرويج في تلك الأيام؟ أود جروبن أعطاني بعض النصائح الجيدة حول كتابة طلبات المنح في النرويج، وقبل نهاية عامي الأول، كان لديَّ عدد قليل من الطلاب، سواء على مستوى الماجستير أو الدكتوراه. المعامل كانت لا تزال تُمثِّل مشكلة كبيرة؛ فإذا كانت خطوط شلينك (هل تذكرين الأدوات الزجاجية الغريبة الشكل التي كنتِ تستخدمينها أحيانًا للتعامل مع المركبات الحساسة للهواء؟) من الصعب صنعها في معمل الأدوات الزجاجية البدائي الخاص بنا، فإن صناديق القفازات كانت حلمًا بعيدًا. لحسن الحظ، كان العمل يجري على قدمٍ وساقٍ في مجال البورفيرينات، والتي كنت متحمسًا لاستكشافها وكانت لا تتطلب الكثير فيما يتعلق بالأدوات المعملية.

شكل ٣-٣: تكاثف البيرول والألدهيد كمصدر للجينات حلقية كبيرة.

صديقي الإسرائيلي الرائع زيف جروس قال لي منذ فترة قصيرة إن الكورول يمكن الحصول عليه من البيرول والبنزالدهيد خماسي الفلور تحت ظروف معينة بدون مذيب. وبالرغم من أنه أكد على أهمية الألدهيد الذي به نقص إلكتروني، فقد وجدنا أن هذا التفاعل أدى أيضًا إلى تخليق كورولات من ألدهيدات غنية بالإلكترونات. أحد طلابي في مرحلة الدكتوراه، يُدعى إيريك ستين، أثبت أن التفاعل عمل ليس فقط للبيرول، ولكن أيضًا ﻟ ٤،٣-ثنائي فلور البيرول (الذي يمثل تخليقه مشكلة كبيرة؛ لسوء الحظ)، مما يؤدي لتخليق كورولات مفلورة بالكامل عند المواقع بيتا للبيرولات. بدا لفترة، كما لو أن الكورولات المستبدلة يمكن الحصول عليها بسهولة وثقة كما هي الحال بالنسبة إلى لبورفيرينات. لقد كنا مندهشين ومحبطين عندما وجدنا أن عملية تخليق الكورول الموثوق فيها لم تعمل على نحوٍ جيد مع بيرولات أخرى مستبدلة مثل ٤،٣-ثنائي كلور البيرول و٤،٣-ثنائي إيثيل البيرول. لم ندرس التفاصيل بعد، ولكن يبدو أن تخليق الكورول في وعاء واحد حساس تمامًا للتأثيرات الفراغية، خصوصًا للمجموعات عند المواقع بيتا للبيرولات. أتطلَّع لتأكيد هذه الفرضية، وهي محاولة جديرة بالاهتمام في رأيي، باعتبار أن عمليات التخليق البسيطة هذه في خطوة واحدة تعطي لجينات معقدة ومفيدة.

(٤) منجم ذهب لاختصاصيِّي التحليل الطيفي

شكل ٣-٤: كورولات فلزية مُخلقة في مختبرنا. إن العديد من التوليفات من M وX وY — وليس كلها — قد جرى تخليقها.

شكل ٣-٥: أطياف الامتصاص الإلكتروني لسلسلة من كورولات النحاس ذات بدائل متنوعة على نحوٍ نظامي.

(٥) نهاية الوضوح

ما زلت أتذكر مؤتمرًا في مدينة نيويورك للجمعية الكيميائية الأمريكية؛ حيث جلسنا أنا وآن في مقهًى في الدور السابع والأربعين نناقش أبحاث الكورولات. بدت آن متجاهلة تمامًا للإطلالة البانورامية حولنا وكان من الواضح أنها منزعجة بسبب ما كنا نرى أنه جدل لا حاجة له. وعندما رجعت إلى حجرتي بالفندق، لم أستطع منع نفسي من الشعور بالسعادة وقلت في نفسي: هذه مجموعة من أبرز علماء الكيمياء غير العضوية الذين أعرفهم، يتجادلون بشأن هل كان نصف إلكترون تابعًا للحديد أم للجين! من يهتم بشيء بسيط كهذا؟ تذكرت شيئًا كتبه بيتر ميدور وهو أن الخلافات العلمية تُثير كثيرًا من الشغف لأنها تدور حول أمور تافهة؛ فهي قد لا تتضمن مبالغ كبيرة من المال، ولكن تتضمن أفكارًا ومفاهيم يتمسك بها العلماء ويرفضون التخلي عنها.

(٦) دور النظرية

(٧) من الأساسيات إلى التطبيقات

حسنًا، أنجيلا، آمل ألا أكون فقدتكِ بالكامل وسط تفاصيل التركيب الإلكتروني للكورولات الفلزية؛ فقد أردت إعطاءك لمحةً عن كيفية قيام أحدهما بمثل هذه التحليلات باستخدام مزيج من التحليل الطيفي، وتحديد التركيب بالأشعة السينية، والحسابات الكيميائية الكمية، بالإضافة إلى تقنيات أخرى لم تتَح لي الفرصة لتناولها. هذه الطرق لا تزال مفيدة، حتى لو تحركنا بعيدًا نوعًا ما عن اكتشاف الجوانب الأساسية للبورفيرينات والكورولات لتطويرها كمواد وظيفية عالية التقنية.

هناك جهد كبير دائر في معملنا لتطوير خلايا شمسية صبغية قائمة على الكورولات، التي قد سمعتِ عنها بالتأكيد من عمك كارل، الذي كان لي معه تعاون مدهش في السنوات القليلة الأخيرة. إن تلك الخلايا يُجرى تطويرها على غرار مصفوفات حصد الضوء المتعلقة بالتمثيل الضوئي، ولو على نحوٍ أبسط كثيرًا. ومثل الآخرين في المجال، نحن نفضل استخدام البورفيرينات (أو في حالتنا، الكورولات) المخلقة بدلًا من الكلوروفيلات لأن المواد المخلقة تكون أكثر خشونة وأسهل في معالجتها على نحوٍ كبير. إن تلك الخلايا في الحقيقة تتكون من صبغة عضوية مرتبطة مع التيتانيا أو شبه موصل آخر ذي تركيب نانوي، وهي من حيث المبدأ، أرخص بكثير في تصنيعها من الخلايا الشمسية العادية المعتمدة على السليكون البلوري. وبفرض قيامهما بالمهمة المتوقعة منها، فهي تستطيع أن تُحدث ثورةً في مجال تحويل الطاقة الشمسية.

ثمة تطبيق آخر محتمل للكورولات في مجال العلاج الضوئي الديناميكي للسرطان وبعض الأمراض الأخرى مثل الصدفية والضمور البقعي. يتضمن العلاج وضع بورفيرين أو صبغة أخرى على النسيج المتأثر والتعرض لإشعاع أحمر أو تحت أحمر قريب. إن الأضواء المرئية الأخرى ليس لها تأثير لأن جسم الإنسان غير مُنفذ إلى حد كبير للأطوال الموجية الأقصر. إن الضوء يثير البورفيرين إلى حالة أحادية مثارة، ومن هناك «يَعبر بين الأنظمة» إلى حالة ثلاثية مثارة تستمر لفترة أطول نسبيًّا. تذكَّري أن الأكسجين الجزيئي، الذي يوجد عمومًا حولنا في الأنسجة، هو حالة ثلاثية أرضية (أي، له اثنان من الإلكترونات المفردة مع لف مغزلي متوازي). إن البورفيرين في الحالة الثلاثية ينقل طاقته الزائدة إلى الأكسجين الجزيئي، الذي، يثار، نتيجةً لذلك إلى حالته الأحادية. وهكذا، يتفاعل الأكسجين الجزيئي في حالته الأحادية بقوة مع المادة العضوية، التي هي، في هذه الحالة، الورم أو نسيج مريض آخر. وهكذا تهلك الخلايا المهاجَمة، بعد تدميرها من قِبل الأكسجين الجزيئي في حالته الأحادية، بوجهٍ عام عن طريق الموت الخلوي المبرمج. وباستخدام معرفتنا المنهجية بتأثيرات البدائل، طورنا عددًا من الكورولات لها قدرة عالية على الامتصاص في المنطقة الحمراء وتحت الحمراء القريبة. أتمنى أن أكتب لكِ أننا عملنا على محسس جديد رائع يمكن استخدامه في مجال العلاج الضوئي الديناميكي، ولكن عملية الاختبار لا تزال جارية ونحن نتطلع بشدة للناتج الذي ستُسفر عنه.

إن المركبات الممتصة للضوء الأحمر والضوء تحت الأحمر القريب تكون أيضًا ذات أهمية كبيرة للتصوير الطبي الحيوي، خاصةً نوع التصوير المعتمد على «الامتصاص الثنائي الفوتون» (الذي هو ظاهرة مثيرة للاهتمام يحدث فيها امتصاص متزامن لفوتونين بواسطة جزيء). إن هذه العملية التي تكون عادة ذات شدة قليلة جدًّا (إذ إن أطياف الضوء المرئي وفوق البنفسجي المعروضة فيما سبق كلها تتضمن امتصاصًا أحادي الفوتون)، من الممكن أن تكون قوية على نحوٍ هائل عند استخدام مشتقات البورفيرينات الثنائية والقليلة الوحدات، وكذلك بعض التجميعات فوق الجزيئية المرتبطة بارتباط ضعيف. مرة ثانية، المركبات الممتصة للضوء المرئي العادية ليست مفيدة هكذا بسبب الامتصاص القوي لمعظم الأطوال الموجية المرئية من قبل الأنسجة البشرية. وهناك ميزة كبيرة لعامل التصوير المعتمد على الامتصاص الثنائي الفوتون وهي أنه يمكن تمييزه بدقة شديدة في أي نسيج أو مادة حيوية أخرى لأن النسيج المحيط لا يكون له أي امتصاص خلفي. مرة أخرى، نحن مهتمون جدًّا بعمل بعض من الكورولات خاصتنا كمركبات ممتصة للضوء تعتمد على الامتصاص الثنائي الفوتون.

بالمناسبة، إذا أُصبتِ بالحيرة من كثرة المشروعات المشار إليها أعلاه وتساءلتِ إن كان هناك خيط مشترك يجمع بينها، فالإجابة هي «نعم». كلها تنبع من اهتمامنا بأساسيات البورفيرينات والكورولات، وتركيبها الإلكتروني وأطيافها ونشاطها الكيميائي. نحن ببساطة نتتبع هذه الاهتمامات من أجل الوصول إلى نتائجها المنطقية؛ أي، بعض تطبيقاتها المفيدة. وهناك مثال رائع في هذا الشأن وهو صديقكِ الرائع آدم تشامبرلين الذي يتمحور مشروع ما بعد الدكتوراه خاصته حول الحسابات على الكمبيوتر الفائق ذات النطاق الواسع المتعلقة بالامتصاص الثنائي الفوتون للبورفيرينات والكورولات والذي يحاول أن يصوغ قواعد بسيطة لتصميم مركبات قوية ممتصة للضوء قائمة على الامتصاص الثنائي الفوتون. إنه عالم نظري على نحوٍ أصيل، ولكنني لن أكون مندهشًا إذا أصبح بعد عامين أحد المشتركين في تطوير عامل تصوير جديد رائع يقوم على الامتصاص الثنائي الفوتون. إن البحث النظري والتطبيقي يسيران جنبًا إلى جنب في معملنا، وأعتقد أن هذا أمر رائع على نحوٍ كبير؛ فمن المهم ألا نركز على أحدهما دون الآخر.

حسنًا، أتمنى أن تكوني قد استمتعتِ بتلك الجولة القصيرة في كوكبنا الأرجواني! أنا بالتأكيد أتطلَّع لرؤيتك ثانيةً قريبًا، ربما في اجتماع الجمعية الكيميائية الأمريكية القادم في سان دييجو. وإذا رغبتِ في زيارتي ثانيةً هنا في النرويج، فأنتِ بالطبع مرحَّب بكِ. أتمنى لكِ التوفيق في سنتك الجامعية الثانية.

قراءات إضافية