تبني DNA 'LEGOs' مكوكًا فضائيًا صغيرًا

طوب الحمض النووي يبني العديد من مكوك الفضاء

يمكن 'لبنات' الحمض النووي أن تتجمع ذاتيًا في أشكال ثلاثية الأبعاد معقدة مثل مكوك الفضاء المصغر. (رصيد الصورة: Kurt V.Gothelf | Yonggang Ke et al)



يُظهر مكوك الفضاء الصغير المصنوع من طوب LEGO DNA للحمض النووي كيف يمكن للعلماء يومًا ما بناء تقنيات جديدة على أصغر المقاييس.



أصبحت خيوط الحمض النووي الفردية 'مكعبات LEGO' التي يمكن أن تتجمع معًا في 102 شكل فردي ثلاثي الأبعاد. قام باحثو هارفارد بالتلاعب في ترميز الحمض النووي للطوب حتى يتمكنوا من تكوين أشكال صلبة مثل المكوك الصغير ، وهياكل قرص العسل ، وحتى السمات 'المكتوبة' على قاعدة صلبة مثل الأرقام والحروف الأبجدية الإنجليزية.

قال Yonggang Ke ، الكيميائي في جامعة هارفارد: 'بمجرد أن نعرف كيفية تجميع الشفرة الصحيحة للأشكال المعقدة وإضافتها إلى خيوط الحمض النووي الاصطناعية ، يصبح كل شيء آخر بسيطًا وطبيعيًا'. خيوط الحمض النووي هذه تشبه مكعبات LEGO الذكية التي تعرف بالضبط إلى أين تذهب من تلقاء نفسها.



تقدم قوالب الحمض النووي أداة جديدة قوية لبناء الهياكل بأدق التفاصيل ، وفقًا لما ذكره Ke وزملاؤه في دراستهم المفصلة في طبعة 29 نوفمبر على الإنترنت من مجلة Science. يمكن أن يؤدي العمل إلى أجهزة طبية صغيرة لتوصيل الأدوية داخل جسم الإنسان أو دوائر الكمبيوتر من الجيل التالي.

لكن الاختراق في تقنية النانو في الحمض النووي يمس أيضًا أحد أعظم ألغاز العلم - كيف تجمعت الحياة على الأرض من خليط من الجزيئات في الرواسب البدائية. يبلغ عرض خيط الحمض النووي حوالي 1 نانومتر (1 مليار من المتر) - وهو أصغر بكثير من عرض شعرة الإنسان البالغ 60000 نانومتر.

تكرار معجزة الحياة



تبدو فكرة قوالب الحمض النووي التي يمكن أن تتجمع في أشكال من تلقاء نفسها خيالية بالنسبة للبشر الذين اعتادوا على بناء الأشياء خطوة بخطوة. لكنه قال إنه مجرد تلميح لما تفعله الطبيعة طوال الوقت من خلال التجميع الذاتي.

`` يتم تجميع جميع أشكال الحياة على الأرض ذاتيًا ، في بيئة تحتوي على كمية هائلة من الجزيئات الصغيرة والجزيئات الكبيرة ، مثل الحمض النووي ، والحمض النووي الريبي والبروتينات - وهي أكثر فوضى بكثير من 'حساء' الحمض النووي الصغير في أنبوب اختبار ، ' أخبر TechNewsDaily.

استخدم مختبر هارفارد الخاص بـ Peng Yin ، المؤلف الرئيسي في الدراسة الجديدة ، الحمض النووي لبناء أشكال ثنائية الأبعاد. اعتمد الاختراق ثلاثي الأبعاد على اللبنات التي يتكون كل منها من خيط DNA واحد يحتوي على 32 نيوكليوتيد - جزيئات اللبنات الأساسية للحمض النووي - والتي يمكن أن ترتبط بأربعة قوالب مجاورة.



يتصل طوبان ببعضهما البعض بزاوية 90 درجة لتشكيل شكل ثلاثي الأبعاد ، مشابه لتوصيل زوج من مكعبات LEGO ثنائية المسامير. صمم الباحثون الأشكال ثلاثية الأبعاد التي أرادوها من خلال التلاعب بـ 'الوصفة' المشفرة لكيفية ارتباط جزيئات الزوج الأساسي للحمض النووي ببعضها البعض. [ كمبيوتر DNA الجديد يخزن 1 بت من البيانات ]

تستغرق طريقة قوالب الحمض النووي وقتًا طويلاً - استغرق شكل واحد يشبه المكعب 72 ساعة للتجميع الذاتي. لكن قد يظل نجاحها بمثابة مفاجأة سارة للباحثين الذين شككوا في إمكانية تحقيقها.

غوت

خلقت طوب الحمض النووي أشكالًا ثلاثية الأبعاد للحروف والأرقام كما تظهر من خلال النمذجة الحاسوبية (على اليسار) والصور المجهرية (على اليمين).(رصيد الصورة: Yonggang Ke ، معهد Wyss ، جامعة هارفارد)

يلتقي LEGO مع الأوريجامي

يعتقد العديد من الباحثين أن التجميع الذاتي للحمض النووي من مئات أو آلاف من خيوط الحمض النووي سيثبت أنه معقد للغاية أو غير فعال. لقد اعتمدوا سابقًا على طريقة اوريغامي الحمض النووي التي طويت خيطًا رئيسيًا من الحمض النووي `` سقالة '' إلى أشكال مختلفة. يحدث طي الأوريغامي هذا من خلال تفاعلات خيوط السقالة مع العديد من خيوط الحمض النووي القصيرة 'الأساسية'.

لكن طريقة اوريغامي الحمض النووي تطلبت من الباحثين إنشاء خيوط سقالة محددة وخيوط أساسية مصممة خصيصًا لكل شكل فريد يريدون بناءه. وبالمقارنة ، فإن قوالب الحمض النووي تمثل مجموعة قياسية من اللبنات الأساسية التي يمكن أن تلتحم معًا بمرونة لتشكيل العديد من الأشكال المختلفة.

ومع ذلك ، يقول كي وزملاؤه في جامعة هارفارد إن كلا من أسلوب الطوب والأوريجامي لهما نقاط قوة وضعف خاصة بهما. إنهم يتصورون استخدام مزيج من كلتا الطريقتين في المستقبل. [ كيف يمكن للروبوتات الصغيرة المصنوعة من الحمض النووي أن تحارب السرطان ]

تم تبني هذا النهج أيضًا من قبل Kurt Gothelf ، رئيس مركز تقنية النانو DNA في جامعة آرهوس في الدنمارك. كتب جوثيلف ورقة مستقلة عن عمل فريق هارفارد في العدد الأخير من مجلة العلوم.

أوضح جوثيلف: 'في رؤيتي لدمج الطريقتين ، تستخدم نواة أوريغامي للحمض النووي ، ومن ثم يمكنك بناء أسطح مختلفة على هذا بطريقة الطوب'.

بناء أكبر وأفضل

يمكن أن تنضم طريقة قوالب الحمض النووي بسرعة إلى طريقة DNA Origami في مساعدة العلماء على إجراء أبحاث معملية. اقترح جوثيلف أن الاستخدامات التجارية لطوب الحمض النووي يمكن أن تظهر أيضًا في غضون السنوات الخمس إلى العشر القادمة.

أنا شخصياً متحمس للتطبيق المحتمل لـ تقنية النانو DNA لتصنيع مركبات ذكية لتوصيل الأدوية وترتيب المكونات الإلكترونية الجزيئية وتوصيلها '.

ربما يكون الباحثون قد اكتشفوا كيفية تصميم وصنع أشكال ثلاثية الأبعاد من الحمض النووي بشكل موثوق ، لكنهم ما زالوا لا يعرفون كيف يسحب الحمض النووي خدعته الخارقة للتجميع الذاتي. قال كي إن الطبيعة اكتشفت كيف يمكن للتجمع الذاتي أن يخلق كائنات حية من جميع الأحجام والأشكال على مدى مليارات السنين من التطور.

وأوضح كي أن البشر 'لا يزالون يلعبون اللحاق بالطبيعة' من خلال العبث ببنات الحمض النووي. لكن الاحتمالات قد تكون لا حصر لها.

وقال كي 'بالنسبة لنا ، مع محدودية الوقت والموارد ، فإن صنع هياكل يبلغ حجمها حوالي ملليمتر واحد في هذا العقد سيكون أمرًا مثيرًا للإعجاب للغاية'. 'فيما يتعلق بتعقيد الشكل ، أعتقد أن أي شيء تقريبًا سيكون ممكنًا.'

تم توفير هذه القصة بواسطة TechNewsDaily ، الموقع الشقيق لـ ProfoundSpace.org. يمكنك متابعة الكاتب الكبير في TechNewsDaily جيريمي هسو على تويتر تضمين التغريدة . تابع TechNewsDaily على Twitter تضمين التغريدة أو في موقع التواصل الاجتماعي الفيسبوك .