يوم واحد فقط ويتم الإعلان عن الفائزين بجائزة نوبل للكيمياء لهذا العام. وكما هو الحال في كل عام، تثير التكهنات المعتادة حول مَن سيحصل على الجوائز الأعلى قيمةً ومكانةً في مجال العلوم، الضجة ذاتها، وكأنها المرة الأولى التى يجري فيها الإعلان عنها.

تتنوع التنبؤات فيما يتعلق بجائزة الكيمياء هذا العام، ما بين المكثفات الفائقة والأطر المعدنية العضوية (MOFs) ، مرورًا بتقنية كريسبر واكتشاف آلية عمل العوامل الكيميائية الحفازة، وانتهاءً ببطاريات الليثيوم أيون التي أضحت تشغل بال العامة قبل العلماء والباحثين، وغيرها العديد والعديد من التكهنات.[1]

من ذلك ما انتهت إليه تحليلات كلاريفيت Clarivate Analytics، التي كشفت التخمينات الخاصة بها عن المرشحين للفوز بالجائزة لعام 2018 اعتمادًا على نتائج الأبحاث العلمية التي تحظى بأكبر الاستشهادات في قاعدة بيانات الويب للعلوم. [2]

تقترح "كلاريفيت" أسماء الفائزين المحتمل فوزهم بنوبل الكيمياء لهذا العام تبعًا لعدد الاستشهادات التي حصلت عليها أبحاثهم في عدد من المجالات العلمية الأكثر تأثيرًا: "إريك جاكوبسون" Eric Jacobsen، أستاذ الكيمياء في جامعة هارفارد الأمريكية؛ لعمله على التفاعلات التي ترتكز على استخدام العامل الحفاز catalytic reactions واختراعه Epoxidation Jacobsen، وكذلك الكيميائي "جورج شيلدريك" George Sheldrick، من جامعة غوتنغن الألمانية، الذي صمم برنامج الكمبيوتر شِلِكس SHELX في علم البلورات، والكيميائية "يوانا ستوبا" JoAnne Stubbe، من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بالولايات المتحدة الأمريكية؛ للكشف عن وظيفة ودور مختزلات ريبونوكلياز ribonuclease reductases.

وتُعَد كلاريفيت أناليتكس الشركة الرائدة عالميًّا في توفير المعارف والتحليلات الموثوقة للأبحاث العلمية حول العالم، وجرى تصميم كلاريفيت لفهرسة الاقتباس في البداية لاسترجاع المعلومات، لكنها قدمت أيضًا البيانات من أجل تقييم تأثير بحث معين، استنادًا إلى عدد المرات التي تم فيها ذكر هذا البحث في الهوامش، أو تم الاقتباس منه، من قِبَل باحثين آخرين.

على النقيض من تكهنات "كلاريفيت"، جاء "ستيوارت شرايبر" Stuart Schreiber، من جامعة هارفارد، في مقدمة المرشحين؛ لاكتشافاته في مجال الجزيئات العلاجية الصغيرة أو ما يُعرف بكيمياء الجزيئات الصغيرة، وذلك في مسابقة التكهن على موقع المجتمع العلمي الشهير Sigma Xi، متفوقًا على التسميات الخاصة بأمثال "جينيفر دودنا" Jennifer Doudna عن إنجازها تقنية كريسبر و"جون جودينو" John Goodenough من أجل بطارية ليثيوم أيون. ويتناقض هذا مع توقعات العام الماضي التي وضعت "جودينو" و"ستيفن ليبارد" Stephan Lippard -المعروف بعمله في مجال الكيمياء غير العضوية الحيوية bioinorganic ودراسة تفاعلات المواد غير العضوية كالمعادن مع النظم البيولوجية- في المقدمة.

وعلى موقع تويتر للتواصل الاجتماعي، أشار استطلاع رأي نشره "ستيوارت كانتريل" Stuart Cantrill، محرر دورية Nature، إلى أن المستخدمين يتجذَّرون (rooting)، وفق تعبيره، حول بطاريات الليثيوم-أيون للفوز بجائزة نوبل للكيمياء لهذا العام، يتبعها -وعلى مسافة محدودة جدًّا- تقنية كريسبر CRISPR، ثم تأتي تقنية الأطر المعدنية العضوية MOFs، مشددًا على أن هذه الترشيحات وُضعت جميعها ضمن القائمة القصيرة للتنبؤات في السنوات السابقة أيضًا.[3]

"للعلم" تستعرض مع قُرائها أبرز التكهنات للفوز بالجائزة، محاولين التعرف عن قرب على بعض هذه الإنجازات العلمية، والأسباب التي دفعت البعض إلى ترشيح أصحابها للفوز:

بطارية الليثيوم-أيون

تمد هذه البطاريات العالم بالطاقة، ولكن مخترعيها لم يحصلوا بعد على جائزة نوبل تقديرًا لهم على ما قدموه للبشرية. وقد مهدت بطاريات الليثيوم- أيون الموجودة في كل شيء بداية من الهواتف الذكية إلى السيارات الكهربائية، الطريق لما يمكن أن نطلق عليه "العالم الجوال" mobile world بشكل متزايد.

قام "ستانلي ويتنغهام" Stanley Whittingham من جامعة بينغهامتون (جامعة ولاية نيويورك) في نيويورك بصياغة التصاميم الأولية للبطاريات المعتمدة على الليثيوم، في حين أن "جون ب. جودينو" John B. Goodenough من جامعة تكساس في أوستن و"أكيرا يوشينو" Akira Yoshino من شركة آساهي كاسيه Asahi Kasei وجامعة ميجو في ناغويا باليابان كان لهما الفضل الأكبر في جعل الابتكار أكثر أمانًا وأسهل في الاستخدام. سيكون الثلاثة جميعهم مرشحين محتملين للجائزة، إذا جرى الاعتراف بأهمية هذه التكنولوجيا في النهاية وأحقيتها في الحصول على الجائزة، وفق الكاتبة العلمية "جينيفر ليمان" Jennifer Leman.[4]

وبطارية الليثيوم-أيون نوع من البطاريات التي يمكن إعادة شحنها، وتتألف من الأنود (القطب الموجب) من عنصر الليثيوم، والكاثود (القطب السالب) عادةً من الكربون المسامي، وبينهما عازل، وتُغمر المكونات الثلاثة في مادة موصلة للكهرباء (الإلكترولايت electrolyte) بغرض توليد الطاقة المطلوبة. ويشتمل هذا النوع من البطاريات على عدة أنواع، وفق نوع التفاعل الكيميائي المميز لها، وطريقة أدائها وسعرها ومدى سلامتها.[5]

"بطاريات الليثيوم بالقطع تستحق جائزة نوبل، وكانت دائمًا في مقدمة الترشيحات في السنوات الخمس الأخيرة"، يقول "ماهر القاضي"، الباحث في قسم الكيمياء وعلم المواد في كلٍّ من جامعتي كاليفورنيا والقاهرة، في تصريحات لمجلة "للعلم"، مشددًا على أنها تستحق الجائزة عن جدارة؛ لأنها كان أحد أهم الاختراعات التي أثرت على الحياة البشرية في العشرين سنة الأخيرة. ولكنه يعود ويؤكد أنه غالبًا ما تأتي اختيارات الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم "ستوكهولم" مخالفةً للتوقعات.

وعن أسباب ذلك، يقول القاضي إن الاكتشافات من هذا النوع غالبًا ما تتوزع فيها الإسهامات على مجموعة كبيره من العلماء، ما يصعِّب الأمر على لجنة الاختيار، موضحًا أنه لو سألت المتخصصين في هذا المجال عمن يستحق نوبل عن بطاريات الليثيوم، فسوف تجد أكثر من رأي وليس رأيًا واحدًا محددًا وقاطعًا.

ولكن ماذا عن المكثفات الفائقة، وقد لاقت هي الأخرى أيضًا بعض الترشيحات؟

يقول القاضي، فيما يتعلق بالمكثفات الفائقة: "جاء الترشيح بناء على عدد الاستشهادات، فكثرتها تدل على أنها تحت التجربة والدراسة في الكثير من المختبرات على مستوى العالم".

ويضيف: لكن "ستوكهولم" تنظر إلى المرشحين من منظور آخر، فعدد الاستشهادات لا يكفي هنا.

وعن العوامل الأخرى التي يتم النظر إليها في هذا الصدد، يشدد على أن السؤال الأهم، هو عما إذا كان هناك تأثير لهذه التكنولوجيا الجديدة، وهل ما زالت قيد التجربة في المعامل، أم أنه قد تم تطويرها ونزولها إلى السوق بالفعل وأصبح لها وجود على أرض الواقع كمنافس لبطاريات الليثيوم مثلًا.

والإجابة هنا -وفق القاضي- أن المكثفات الفائقة الموجودة حاليًّا في الأسواق ما زالت تعاني من نقص سعتها التخزينية.

المكثفات الفائقة

مؤخرًا، شهدت المكثفات الفائقة تطورًا واسعًا بوصفها أحد أهم عناصر تخزين الطاقة الكهربائية؛ إذ تتميز بعدد دورات شحن وتفريغ كبير للغاية، يصل إلى نحو مليون دورة، مقارنة بـ1500 دورة في بطاريات الليثيوم، بالإضافة إلى زيادة سعتها الكهربائية التي تصل إلى عشرات الآلاف من "الفاراد" –وحدة قياس السعة الكهربائية- ومقاومتها التسلسلية ESR المنخفضة، التي تجعل فرق الجهد في أدنى حالاته، وفق ما نشرت مجلة نيتشر.

وتُصنع المكثفات الفائقة من قطبين كهربائيين، تفصل بينهما مادة عازلة، صلبة أو سائلة. وفي أثناء عملية الشحن، تُسحب الكهرباء من المصدر لتُخزَّن على القطبين عبر استقطاب يحدث في المادة العازلة يفصل الشحنات الموجبة عن السالبة، ويجري الاحتفاظ بالشحنات الكهربائية المسحوبة من المصدر في صورة كهرباء ساكنة. تتم هذه العملية بسرعة كبيرة للغاية؛ إذ لا يستغرق شحن المكثف الفائق ثوانيَ معدودة، وتعكس هذه العملية حين يجري توصيل المكثف بجهاز مُستهلِك للكهرباء؛ إذ تنطلق الشحنات المخزنة على قطبي المكثف في صورة كهرباء لتغذية الجهاز المطلوب.

وبسؤال القاضي: هل يرى أية حظوظ أكبر لكشوفات علمية أخرى، من وجهة نظره؟

أجاب: بالطبع لا أستطيع إلا أن أذكر التكنولوجيا الثورية للتعديل الجيني كريسبر CRISPR، مضيفًا أنها تأتي في قمة الترشيحات، لكن ربما تتسبب الخلافات الموجودة بين جامعة كاليفورنيا في بيركيلي في غرب أمريكا ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في الشرق حول حقوق براءات الاختراع، في القضاء على فرصها فيما يتعلق بهذه الترشيحات.

تقنية كريسبر

نُشر أول تقرير عن كريسبر عام 1987، عندما اكتشف علماء يابانيون وجودها في الحمض النووي في بكتيريا E.Coli. وفي عام 2012، صك العلماء مصطلح "كريسبر". ولمدة عقد آخر، عمل العلماء على كشف تفاصيل كريسبر؛ إذ اكتشفوا أن مجموعة من البروتينات "كاس" وجزيئات الحمض النووي الريبي المتخصصة- تؤدي دورًا مهمًّا في الجهاز المناعي البكتيري. إذ يعمل هذا النظام على حماية هذه الكائنات من الفيروسات التي تصيبها؛ إذ تمثل هذه التسلسلات القصيرة Spacers جزءًا من الحمض النووي للفيروسات التي أصابتها في مرة سابقة تتعرف بها البكتيريا على الفيروس إذا أصابها مرةً أخرى وتعمل على تدميره.

ويُدعى هذا النظام بأكمله -من تكرارات الحمض النووي وبروتينات كاس، والحمض النووي الريبي- باسم نظام كريسبر/ كاس.

اعتمدت الطرق الأولى للتعديل الوراثي على استخدام أنظمة تعتمد على البروتينات لتستهدف أجزاء معينة من الحمض النووي، أحدها يُعرَف باسم "نوكلييز أصابع الزنك"، أو اختصارًا باسم ZFNs، والآخر باسم TALENs.

لكن اكتشاف نظام كريسبر كاس 9 مثَّل نقلةً نوعيةً في هذا المجال؛ إذ تعتمد هذه التقنية على تحديد الجزء المراد تعديله باستخدام دليل من الحمض النووي الريبوزي RNA يتعرَّف على هذا الجزء بدقة كبيرة. ليس هذا فحسب، لكن الإنزيم الموجود معه والمسمى CAS9، يعمل كمقص جزيئي ليقطع الحمض النووي عند هذا الجزء ويسمح بالتعديل المطلوب.

"هذه التقنية تمثل نقلةً كبيرةً في مجال التعديل الوراثي والبحث العلمي".. هكذا قالت "هالة جبر"، أستاذ الباثولوجيا الإكلينيكية، ومدير معمل زرع النخاع بمستشفى الأطفال الجامعي بكلية الطب، جامعة القاهرة.

وتوضح "جبر" أن سهولة التصنيع والدقة والقدرة على استهداف مجموعة جينات في الوقت نفسه تمثل مميزات كبيرة عن التقنيات السابقة. وتضيف: لدينا مساحة كبيرة من التطبيقات التي يمكن استخدامها في البشر.[6]

من جانبه يرى "مادي البحري" -أستاذ علوم وتكنولوجيا النانو بجامعة آلتو الفنلندية- أن الأمريكية "يوانا ستوبا" هي الأحق والأكثر جدارةً بالفوز بجائزة نوبل في الكيمياء عام 2018، وذلك عن أبحاثها في اختزال النيوكليوتيدات الريبوزية، مشددًا على أنه قبل اكتشافها لهذه التفاعلات الكيميائية المهمة لم يكن بالإمكان التنبؤ أو معرفة آلية عمل إنزيمات محددة داخل أجسام الكائنات الحية، ولقد أحدث اكتشافها ثورة حقيقية في مجال الكيمياء الحيوية.

الأطر المعدنية العضوية

وتُعَد الأطر المعدنية العضوية (MOF) من المواد التي تعتمد على ربط اللبنات العضوية وغير العضوية لتشكيل بنى هيكلية مسامية كالشبكة. يمكن للمسام في هذه الشباك أن تكون مستقرةً بما يكفي لتخزين جزيئات مادةٍ ما، مما يجعلها ذات تطبيقات عديدة، كتخزين الغازات أو استخلاص الملوِّثات، أو كمواد لتحفيز التفاعلات الكيميائية، أو إيصال الأدوية داخل الجسم، وهي من المرونة بحيث يمكن تصميمها وتخليقها وفق الغرض الذي أُعِدت من أجله.

يقول "محمد الكردي" -المدير المشارك لمركز علوم المواد بمدينة زويل للعلوم والتكنولوجيا، والباحث الرئيسي في الدراسة- لـ"للعلم": "ميزة مركبات الـMOF هي إمكانية تشكيلها وتصميمها وفق الاستخدامات والتطبيقات المختلفة، فيمكن مثلًا أن تقرر تصميمها بحيث تكون هناك فراغات أو فجوات منتظمة الشكل داخلها، أو تصميمها لكي تمتص أيونًا محددًا".[7]

ويعلق القاضي على هذا الترشيح بقوله إن المرشح الأول هنا سيكون العالم "عمر ياغي"، وهو باحث أمريكي من أصل أردني يعمل الآن في جامعة كاليفورنيا بيركيلي، وفق قوله.

برمجيات الكمبيوتر شِلِكس

بدأ شلدريك، بكتابة البرامج للمساعدة في كشف البنى البلورية في سبعينيات القرن العشرين. في تلك الأيام، كما يقول هو نفسه عن ذلك: "لم يكن بوسعك الحصول على منح مالية لهذا النوع من المشاريع. كان عملي هو تدريس الكيمياء، ووضعت هذه البرامج كهواية في وقت فراغي".

لكن على مدى أكثر من 40 عامًا، قدّم عملُه دفعةً للتحديث المنتظم لبرمجيات الكمبيوتر شِلِكس SHELX، التي أصبحت واحدةً من الأدوات الأكثر جماهيريةً لتحليل أنماط تَشتُّت الأشعة السينية التي تطلق عبر البلورات- وتكشف بالتالي عن البنى الذرية.

أصبح مدى هذه الجماهيرية واضحًا بعد عام 2008، عندما نشر شلدرك بحثًا عن تاريخ النظام، مشيرًا إلى إمكانية استخدامه كمرجع عام كلما استُخدم أيٌّ من برامج شِلِكس. وقد اتّبع القراء نصيحته. في السنوات الست الماضية، جمع ذلك البحث ما يقرب من 38,000 استشهاد، مما ارتقى به، وجعل منه البحث المنشور الأعلى مرتبةً في العقدين الماضيين.[8]

رصيد باقي 

تكثر التكهنات، ولكن في الأخير هي جائزة واحدة، والاختيار قد يأتي مخالفًا لكل التوقعات، ولكن ذلك لن يقلل مما سبقت الإشارة إليه من إنجازات علمية، سيظل رصيدها باقيًا حتى ولو لم تنل شرف الحصول على جائزة نوبل.

يشار إلى أنه سيتم الإعلان عن الفائزين بجائزة نوبل للكيمياء في يوم الأربعاء، الموافق 3 أكتوبر، في حين يتم الإعلان عن جوائز نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب يوم الإثنين، والفيزياء يوم الثلاثاء.

وكانت جائزة العام الماضي قد ذهبت إلى كلٍّ من "جاك دوبوشيه"، من جامعة لوزان بسويسرا، و"يواكيم فرانك"، من جامعة كولومبيا بنيويورك، و"ريتشارد هندرسون"، من مختبر مجلس البحوث الطبية للبيولوجيا الجزيئية في كامبريدج بإنجلترا؛ تقديرًا لجهودهم في "تطوير مجهر إلكتروني فائق البرودة للتحديد عالي الدقة لبنية الجزيئات الحيوية في حالة سائلة".[9]

ويُعد العالم المصري "أحمد زويل" العربي الوحيد الذي حاز الجائزة، وذلك عام 1999، عن ابتكاره كاميرا "الفيمتو ثانية"، التي تستطيع رصد حركة الجزيئات عند تكوينها، كاشفةً عن الكيفية التى تتشكل بها الروابط الكيميائية في الزمن الحقيقي.

[1] https://www.chemistryworld.com/news/instinct-goes-up-against-number-crunching-for-nobel-prize-predictions/3009564.article

[2] https://clarivate.com/2018-citation-laureates/

[3] https://twitter.com/stuartcantrill?ref_src=twsrc%5Etfw%7Ctwcamp%5Etweetembed%7Ctwterm%5E1037284040783618048&ref_url=https%3A%2F%2Fwww.chemistryworld.com%2Fnews%2Finstinct-goes-up-against-number-crunching-for-nobel-prize-predictions%2F3009564.article

[4] https://www.insidescience.org/news/perovski-what-nine-nobel-prize-predictions

[5] https://www.scientificamerican.com/arabic/articles/news/high-power-batteries-are-longer-lasting-and-safer/

[6] https://www.scientificamerican.com/arabic/articles/news/crispr-cas9-does-making-superman-become-possible/

[7] https://www.scientificamerican.com/arabic/articles/news/faster-and-safer-technique-to-get-water-free-chrome/

[8] https://arabicedition.nature.com/journal/2014/11/514550a

[9] https://www.scientificamerican.com/arabic/articles/news/nobel-chemistry-prize-won-for-capturing-proteins-in-action/