الباحثون صنع أصغر الموناليزا في العالم باستخدام دنا اوريغامي

في عام 2006، قام كالتيش  بول روثيموند  (بس ’94) – وهو الآن أستاذ أبحاث في الهندسة الحيوية، والحوسبة والعلوم الرياضية، والحساب والنظم العصبية – بوضع طريقة لطي حبلا طويلا من الحمض النووي في شكل محدد. هذه التقنية، التي يطلق عليها اسم اوريغامي دنا، مكن العلماء لخلق هياكل الحمض النووي تجميع الذاتي التي يمكن أن تحمل أي نمط محدد، مثل وجه مبتسم 100 نانومتر واسعة.

ويرد وصف العمل في ورقة ظهرت في مجلة  الطبيعة .

ثورة دنا اوريغامي في مجال تكنولوجيا النانو، وفتح إمكانيات بناء الأجهزة الجزيئية صغيرة أو “الذكية” المواد القابلة للبرمجة. ومع ذلك، فإن بعض هذه التطبيقات تتطلب هياكل اوريغامي دنا أكبر بكثير.

الآن، والعلماء في مختبر  لولو كيان ، أستاذ مساعد في الهندسة الحيوية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، وضعت وسيلة غير مكلفة التي DNA اوريغامي الذاتي تجميع في صفائف كبيرة مع أنماط قابلة للتخصيص بالكامل، وخلق نوع من قماش يمكن أن تعرض أي صورة. لإثبات ذلك، أنشأ الفريق أصغر تسلية في العالم من ليوناردو دا فينشي  الموناليزا من الحمض النووي.

في حين أن الحمض النووي ربما يكون أفضل تشفير لترميز المعلومات الوراثية للأشياء الحية، والجزيء هو أيضا كتلة البناء الكيميائية ممتازة. ويتألف جزيء الحمض النووي واحد تقطعت بهم السبل من جزيئات أصغر تسمى النيوكليوتيدات – مختصر A، T، C، و G مرتبة في سلسلة، أو تسلسل. النوكليوتيدات في جزيء الحمض النووي واحد تقطعت بهم السبل يمكن أن تربط مع تلك من حبلا آخر واحد لتشكيل الحمض النووي المزدوج تقطعت بهم السبل، ولكن النيوكليوتيدات ترتبط فقط بطرق محددة جدا: A النيوكليوتيدات مع T أو C النوكليوتيدات مع G. هذه صارمة قاعدة الاقتران “قواعد” تجعل من الممكن لتصميم اوريغامي الحمض النووي.

لجعل مربع واحد من اوريغامي دنا، واحد يحتاج فقط حبلا واحدا طويلا من الحمض النووي والعديد من فروع واحدة أقصر، ودعا المواد الغذائية مصممة لربط إلى الأماكن المعينة متعددة على حبلا طويلة. عندما يتم الجمع بين الدبابيس القصيرة والحبل الطويل في أنبوب اختبار، تسحب المناطق الأساسية من الحبل الطويل معا، مما يؤدي إلى طيها على الشكل المطلوب. يتم تجميع قماش الحمض النووي كبير من العديد من البلاط اوريغامي مربع أصغر، مثل وضع اللغز معا. يمكن أن تعلق الجزيئات بشكل انتقائي على المواد الغذائية من أجل خلق نمط رفع التي يمكن أن ينظر إليها باستخدام المجهر القوة الذرية.

طور فريق كالتيش البرمجيات التي يمكن أن تأخذ صورة مثل  الموناليزا ، تقسيمه إلى أقسام مربع صغير، وتحديد تسلسل الحمض النووي اللازمة لتعويض تلك الساحات. بعد ذلك، كان التحدي الخاص بهم هو الحصول على تلك الأقسام لتجميع نفسها في البنية الفوقية التي إعادة  الموناليزا .

يقول غريغوري تيخوميروف، الباحث البارز في مرحلة ما بعد الدكتوراه والمؤلف الرئيسي للورقة: “يمكننا أن نجعل كل بلاط مع حواف فريدة من نوعها بحيث لا يمكن إلا ربط بعض البلاط الأخرى والتجميع الذاتي في موقع فريد من نوعه في البنية الفوقية” يجب أن يكون مئات من حواف فريدة من نوعها، والتي من شأنها أن تكون ليس فقط من الصعب جدا لتصميم ولكن أيضا مكلفة للغاية لتجميع. كنا نريد فقط استخدام عدد قليل من المواد الغذائية المختلفة ولكن لا يزال الحصول على جميع البلاط في الأماكن الصحيحة. ”

وكان المفتاح للقيام بذلك هو تجميع البلاط على مراحل، مثل تجميع مناطق صغيرة من اللغز ومن ثم تجميع تلك لجعل مناطق أكبر قبل وضع أخيرا المناطق الكبيرة معا لجعل اللغز الانتهاء. كل لغز صغير يستخدم نفس أربعة حواف، ولكن لأن يتم تجميع هذه الألغاز بشكل منفصل، ليس هناك خطر، على سبيل المثال، من البلاط الزاوية تعلق في الزاوية الخطأ. وقد دعا الفريق طريقة “التجمع الكسورية” لأنه يتم تطبيق نفس مجموعة من قواعد التجمع على مختلف المقاييس.

يقول فيليب بيترسن، وهو طالب دراسات عليا ومؤلف مشارك أول في الورقة: “بمجرد أن نقوم بتوليف كل بلاط فردي، نضع كل واحد في أنبوب الاختبار الخاص به لما مجموعه 64 أنبوب”. “نحن نعرف بالضبط أي البلاط هي التي أنابيب، لذلك نحن نعرف كيفية الجمع بينهما لتجميع المنتج النهائي. أولا، نحن الجمع بين محتويات أربعة أنابيب معينة معا حتى نحصل على 16 اثنين من اثنين من المربعات. ثم يتم الجمع بين تلك بطريقة معينة للحصول على أربعة أنابيب كل منها مع أربعة بأربع مربع. ثم يتم الجمع بين الأنابيب الأربعة النهائية لإنشاء واحد كبير، ثمانية ثمانية ثمانية مربع تتألف من 64 البلاط. نحن تصميم حواف كل البلاط حتى نعرف بالضبط كيف أنها سوف تجمع “.

كان الهيكل النهائي لفريق تشيان أكبر ب 64 مرة من بنية اوريغامي دنا الأصلية التي صممها روثموند في عام 2006. ومن المثير للاهتمام، وبفضل إعادة تدوير التفاعلات الحافة نفسها، كان عدد من خيوط الحمض النووي المختلفة المطلوبة لتجميع هذا البنية الحمض النووي حول كما في اوريغامي الأصلي روثموند. وهذا من شأنه أن يجعل الطريقة الجديدة بأسعار معقولة على نحو مماثل، وفقا لتشيان.

يقول تيخوميروف: “إن الطبيعة الهرمية لنهجنا تسمح باستخدام مجموعة صغيرة وثابتة من اللبنات الفريدة، في هذه الحالة سلاسل دنا ذات تسلسل فريد، لبناء هياكل ذات أحجام متزايدة، ومن حيث المبدأ، عدد غير محدود من اللوحات المختلفة” . “هذا النهج الاقتصادي لبناء أكثر مع أقل يشبه كيف بنيت أجسادنا. جميع الخلايا لدينا نفس الجينوم و يتم بناؤها باستخدام نفس مجموعة من اللبنات، مثل الأحماض الأمينية، الكربوهيدرات، والدهون. ومع ذلك، من خلال التعبير الجيني متفاوتة، كل خلية تستخدم نفس اللبنات لبناء آلات مختلفة، على سبيل المثال، خلايا العضلات والخلايا في شبكية العين. ”

كما أنشأ الفريق برامج لتمكين العلماء في كل مكان من إنشاء نانوكروتورات الحمض النووي باستخدام التجميع الكسوري.

وقال تشيان: “لجعل تقنيتنا متاحة بسهولة للباحثين الآخرين الذين يرغبون في استكشاف التطبيقات باستخدام النانو ميكرومتر على نطاق المسطحة النانو، قمنا بتطوير أداة البرمجيات على الانترنت الذي يحول الصورة المطلوبة للمستخدم لخطوط الحمض النووي والبروتوكولات المختبر الرطب”، ويقول تشيان. “يمكن قراءة البروتوكول مباشرة من قبل الروبوت التعامل مع السائل لخلط خيوط الحمض النووي تلقائيا معا. ويمكن تجميع البنية النانوية للحمض النووي دون عناء “.

وباستخدام هذه الأداة البرمجية عبر الإنترنت وتقنيات معالجة السوائل الأوتوماتيكية، تم تصميم عدة أنماط أخرى وتجميعها من خيوط الحمض النووي، بما في ذلك صورة بالحجم الطبيعي للبكتيريا وصورة بكتيرية بحجم الديك.

“لقد عمل باحثون آخرون في السابق على ربط جزيئات متنوعة مثل البوليمرات والبروتينات والجسيمات النانوية إلى لوحات دنا أصغر بكثير من أجل بناء دوائر إلكترونية ذات ميزات صغيرة أو تصنيع مواد متقدمة أو دراسة التفاعلات بين المواد الكيميائية أو الجزيئات الحيوية”، كما يقول بيترسن . “عملنا يعطيهم قماش أكبر حتى يمكن الاعتماد عليه”.