מאמצים רבים מושקעים במעבדות מחקר רבות בעולם, בניסיונות לשחזר
תכונות אופייניות למערכות ביולוגיות. הקושי שבו נתקלים חוקרי התחום
הזה, נובע מהמורכבות הרבה ומהתחכום של המערכות הביולוגיות. כדי
לעקוף את הקושי הזה, נוסד הענף המדעי הקרוי כימיה ביו-מימטית,
כלומר, כימיה של חיקוי ביולוגי. החוקרים בתחום זה מנסים לפתח וליצור
מולקולות סינתטיות פשוטות יחסית, המסוגלות לחקות תהליכים כימיים
וביולוגיים שונים, המבוצעים בטבע על-ידי חומרים מורכבים בהרבה.
מתברר שכדי לקבל תפקוד אופייני של מערכות ביולוגיות מורכבות,
לא חייבים לנסות ולחקות את המערכת הביולוגית כולה, ואפשר להסתפק
בחיקוי של חלק מתכונותיה. פתרונות סינתטיים מהסוג הזה, הם פשוטים
בהרבה מהמערכות הביולוגיות שאת פעולותיהן הם מחקים. לדוגמה, הפעולה
של קשירת המתכת אשלגן (פוטסיום) והעברתה אל מעבר לממברנת התא,
מבוצעת בחיידקים מסוימים על-ידי חומר אורגני בעל מבנה מורכב מאוד,
הקרוי ולינומיצין. חומר זה קושר את האשלגן באופן ייחודי. ניסיון
לחקות ולסנתז את מבנהו המורכב של הוולינומיצין, היה מחייב מאמצים
רבים. אבל, מתברר שחומר פשוט בהרבה, הקרוי כתר-אתר הבנוי משרשרת
טבעתית של שני פחמנים-חמצן-שני פחמנים-חמצן וכך הלאה, מבצע על
האשלגן את אותה פעולה שמבצע הוולינומיצין. תגלית זו עומדת, למעשה,
בבסיסה של הכימיה הביו-מימטית כולה.
עם זאת, על-אף הדמיון הקיים בעצם ביצוע הפעולה, עדיין קיים
הבדל ניכר בין החומר הטבעי המסוגל לבצע מגוון רחב של פעולות, לבין
החומר הסינתטי המחקה רק תכונות בודדות מתוך המגוון הזה. הדבר דומה
להחלפת פועלים אנושיים על-ידי רובוטים בקווי ייצור תעשייתיים. אבל
הרובוטים הללו אינם צריכים, ואינם יכולים, לשיר, לדבר, לפתור בעיות
מתמטיות ולבצע עוד הרבה מאוד פעולות שיכול לבצע הפועל
האנושי המוחלף.
הכימיה הביו-מימטית מנסה לחקור את אחת השאלות הבסיסיות
בביולוגיה: שאלת ההכרה המולקולרית. כלומר, שאלת הדרך שבה מולקולות
אורגניות מסוימות "מכירות" מולקולות אחרות ונקשרות אליהן. התשובה
לשאלה זו עשויה לסייע רבות בהבנת תהליכים ביולוגיים שונים, החל
מפעולתם של קולטנים שונים, וכלה בתהליכים שלפיהם תאי המערכת החיסונית,
ונוגדנים, מזהים גופים זרים, למשל, חיידקים או נגיפים, החודרים
לגוף.
הבנת מנגנוני ההכרה המולקולרית, מסייעת לכימאים הביו-מימטיים,
לשפר ולשנות את יכולת ההכרה של מולקולות שונות, באמצעות שינוי פיסי
תלת-ממדי של מבנה המולקולה המכירה. שיטה אחת לביצוע שינויים פיסיים
תלת-ממדיים כאלה, שפותחה על-ידי החוקר הצרפתי, חתן פרס נובל,
ז'אן-מארי ליין, מבוססת, למעשה, על הוספת חלקי טבעות לטבעת המקורית
של ה"כתר-אתר". כך, טבעת אחרי טבעת, הוא טווה מלכודת כימית המתאימה
במיוחד למולקולות הייחודיות שהוא מבקש לצוד. טכניקה זו הושפעה (לפי
עדותו של ז'אן-מארי ליין עצמו), מציורי המלכודות הגיאומטריות של
מ"ס אשר. ליין בונה מלכודות למולקולות שלו, ממש כפי שאשר לוכד
את הזיקית במבנה המורכב ממבנים סגורים.
כך, למשל, מנסים כימאים ביו-מימטיים, לבנות מודל כימי לפעולתם
של אנזימים. מדובר בניסיון להרכיב מולקולה שתפעל לפי עקרונות הפעולה
של אנזים, וליתר דיוק, תחקה את תהליך ההכרה המולקולרית, שהא השלב
הראשון בשרשרת הפעולות שמבצע האנזים (שהאחרונה בהן היא פירוק של
חומר מסוים). כאמור, המערכת הביולוגית המבצעת את ההכרה, היא מורכבת
מאוד, ואילו הכימאי הביו-מימטי מחפש את הדרך הפשוטה ביותר שבה אפשר
לבצע את ההכרה הזאת. בדרך זו אפשר לבודד תכונות יחידות של האנזים,
ואז למצוא לכל אחת מהן תחליף סינתטי פשוט. בסופו של התהליך הזה,
בעתיד, ייתכן שאפשר יהיה לסנתז ולבנות אנזימים מלאכותיים, שהמבנה
הפיסי התלת-ממדי שלהם יהיה שונה לחלוטין מזה של האנזימים הטבעיים,
אבל הם יבצעו את אותן פעולות כימיות וביולוגיות, בדיוק, כמו
האנזימים הטבעיים. באותה דרך אפשר יהיה גם לבנות אנזימים מלאכותיים
שיבצעו תהליכים שאינם מתבצעים בטבע.
בטווח הארוך, חוקרי הכימיה הביו-מימטית שואפים לבנות תחליפים
אורגניים לרכיבים אלקטרוניים כמו קבלים, נגדים, שפופרות,
טרנזיסטורים ועוד. אלה עשויים לאפשר בעתיד בניית התקנים אלקטרוניים
שיוכלו לשמש חישנים ומתגים שיפעלו ברמה המולקולרית, וימלאו תפקיד
של תאי זיכרון במחשב. אחת הגישות להשגת מטרה זו, מבוססת על תכנון
מולקולה בודדת, שתוכל ליצור, עם מולקולות דומות או משלימות לה,
משטחים בעובי של מולקולה בודדת. המחקר העכשווי בתחום האלקטרוניקה
התת-מיקרונית, מבוסס ברובו על חומרים מורכבים דוגמת גאליום-ארסניד.
זהו חומר לא אורגני שמבנהו הגבישי ידוע, נתון, ולא ניתן לשינוי. אבל
באמצעות הכימיה הביו-מימטית, ייתכן שאפשר יהיה לשנות את המבנה הפיסי
התלת-ממדי של כל מולקולה בנפרד, וכך לבנות מעבדים זעירים לתעשיית
המחשבים בשיטת החייטות, במקום בשיטת הקונפקציה.
כך, למעשה, פונה הכימיה הביו-מימטית לשני כיווני התפתחות
שונים: לתחום הביולוגיה הסינתטית, ולתחום האלקטרוניקה המולקולרית.
שני התחומים הללו עתידים לתפוש מקום מרכזי במדע ובטכנולוגיה של
ראשית המאה הבאה. כלי העבודה העיקרי של הכימאי הביו-מימטי, הוא
מעין "משחק הרכבה" דמוי לגו, שבאמצעותו הוא בונה, על השולחן,
את הדגם התלת-ממדי של המולקולה שהוא מתכנן, כך שהמולקולה
שתיוצר לפיו תתאפיין בתכונות הרצויות לו. בשלב זה יש בידו גרסאות
אפשריות רבות של מולקולות, המבצעות את אותה פעולה והשאלה היא מי
מהדגמים התיאורטיים האלה, יפעל טוב יותר בתנאים טבעיים. בשלב זה,
בסיוע כימאים תיאורטיים, נבחן המודל המכני הראשוני הזה, באמצעות
מודל תיאורטי ומערכת ממוחשבת מיוחדת. מערכת זו בוחנת את הגרסאות
האפשריות השונות של המבנים התלת-ממדיים של המולקולה, בניסיון לאתר
ביניהם את המבנה שקיומו הפיסי יחייב להשקיע אנרגיה בכמות הקטנה
ביותר האפשרית – זו הגרסה שסיכוייה לפעול כראוי בטבע, טובים יותר.
את ההשראה לניסיונות הבנייה שלו, מקבל הכימאי הביו-מימטי
ממערכות ביולוגיות שונות. למשל, קשירת ברזל על-ידי חומר ממקור
חיידקי, והעברתו מהחוץ אל תוך התא, מבעד לממברנה. בדרך זו הצליחו
המדענים לפתח חומר סינתטי הגורם גידול של אוכלוסיית חיידקים. בעבודות
אלה התברר שלצורך חיקוי סינתטי של תכונות ביולוגיות יש להגיע לרמה
גבוהה מאוד של דיוק בבניית התחליפים. כדי להשיג דיוק מרבי, שיאפשר
בעת הצורך גם לבצע שינויים והתאמות במבנה המולקולה, צריכה המערכת
כולה להיות בנויה באופן מודולרי".
חומרים סינתטיים שנבנו בדרך זו כבר הצליחו לגזול ברזל מטפילי
מלריה ולהמיתם. חומרים אחרים שיפרו את קליטת הברזל של צמחי כותנה,
אבל לא פעלו היטב בצמחים אחרים. במחקר אחר יצרו המדענים קרומים
מלאכותיים שעוביים כעובי מולקולה אחת. לאחר שהקרום הזה נקשר
ללוחית זהב, הוא מסוגל לתפקד כחישן מולקולרי מלאכותי, ולזהות באופו
בררני יונים של מתכת מוגדרת, גם בתוך סביבה המכילה יונים רבים אחרים.
