נגיף הכשל החיסוני האנושי (HIV) שייך לקבוצת נגיפים הנקראת רטרו-וירוסים, שהגנטיקה שלהם פועלת בכיוון הפוך לכיוון הרגיל: במקום לבנות מולקולות רנ"א על פי תבנית של דנ"א, מתרחש ברטרו-וירוסים תהליך הפוך – המידע הגנטי של הנגיף מקודד במולקולת הרנ"א שלו, המשמשת כתבנית לייצור מולקולת דנ"א. מולקולת הדנ"א מסוגלת להשתלב בגנום התא המארח, ובכך לשעבד אותו לייצור נגיפים חדשים. תהליך זה, שבו רנ"א נגיפי מומר לדנ"א, מתבצע על ידי אנזים ייחודי הנמצא ברטרו-וירוסים, הנקרא רוורס טרנסקריפטאז (RT) – אנזים חיוני והכרחי לשכפול רטרו-וירוסים, לרבות נגיף הכשל החיסוני האנושי. אחת התכונות הייחודיות של האנזים RT היא היכולת לפרום מולקולה דו-גדילית של רנ"א, דנ"א או כל שילוב בין השניים, תוך כדי פילמור (בנייה) של מולקולת דנ"א חדשה על גבי המצע הפרום. מכיוון ש-RT הוא אנזים חשוב מאוד בשכפול הנגיף, ומכיוון שאנזים זה אינו קיים בבני אדם, הוא מהווה מטרה מרכזית לתרופות לטיפול באיידס. אף על פי כן, כיום ידוע מעט מאוד על מנגנון הפרימה והפילמור המתבצעים על ידי RT. הקושי בהבנת מנגנון זה נובע, בחלקו, מהמגבלות של רוב שיטות המדידה הביוכימיות הנהוגות כיום. שיטות אלה מתבססות על מדידה של צבר מולקולות עצום ולכן המדידה המתקבלת "ממסכת" לעיתים את הדינמיקה המורכבת של המולקולה הבודדת. במחקר זה פיתחנו גישה חדשה לחקר ה-RT: שימוש ב"מלקחיים אופטיים", מכשיר המשתמש בקרן לייזר ממוקדת כדי להפעיל כוחות מכניים על מולקולה בודדת. יישמנו שיטה זו כדי לעקוב אחר הפעילות של RT יחיד על גבי מולקולת דנ"א או רנ"א בודדת. המטרה המרכזית של המחקר הייתה לאפיין את המנגנון שבו RT פורם מולקולה דו-גדילית של רנ"א או דנ"א, ולהבין את הקשר שבין התגובה הכימית המספקת לאנזים אנרגיה לבין הצעד המכני שהוא מבצע. במהלך המחקר תכננו, בנינו וכיילנו מערכת אופטית ("מלקחיים אופטיים") שאפשרה לעקוב אחר פעילות RT בסקאלה של ננומטרים בודדים. נוסף על כך, השתמשנו בכלים פיזיקליים כדי לנסח מודל המסביר את מנגנון הפעולה של האנזים. מצאנו כי פילמור תוך כדי פרימה על ידי RT אינו תהליך רציף, אלא שזור בהפסקות הנגרמות כתוצאה מ"הליכה לאחור" של RT על תבנית הרנ"א. אף שתופעה זו ידועה וחשובה בפעילותם של פולימראזות רנ"א, אנו הראשונים לדווח על קיומה בפעילות של פולימראז דנ"א כלשהו, כגון RT. נוסף על כך הראינו כי מתרחשת עוד אינטראקציה בין RT לדנ"א, אשר מבקרת את קצב התקדמות האנזים. אינטראקציה זו לא הייתה ידועה עד כה. בהמשך, חקרנו את מנגנון ההעתקה (ה"הליכה") של האנזים ומצאנו ש-RT אינו משתמש ישירות באנרגיה כימית כמקור לעבודה המכנית הנדרשת, אלא תנודות תרמיות גורמות לתנועה אקראית של האנזים אחורה או קדימה, והריאקציה הכימית רק "נועלת" את האנזים במצב הקדמי. כך מתקבלת תזוזה נטו קדימה של RT. לבסוף, הראינו ש-RT אינו פורם את הדנ"א הדו-גדילי בצורה פעילה, אלא משתמש בתנודות תרמיות אשר פורמות אותו בצורה ספונטנית. עובדה זו הופכת את RT לרגיש מאוד לקיומם ולאופיים של מבנים דו-גדיליים בדנ"א וכנראה גם ברנ"א, ומספקת בסיס מכני לבקרה של RT על ידי מבנים אלה. במחקר זה יצרנו אפוא מערכת חדשנית למדידת מולקולות בודדות, ה"מלקחיים האופטיים". בעזרת כלי זה הפקנו תובנות חדשות על פעילותו של האנזים רוורס טרנסקריפטאז, שיש לו חשיבות מכרעת בתהליך השכפול של נגיף הכשל החיסוני האנושי. תובנות אלה עשויות לתרום לפיתוח תרופות חדשות נגד מחלת האיידס.