قام فريق دولي من العلماء مؤخرًا بتطوير محرك نانوي جديد مصنوع من الحمض النووي. إنها مدعومة بآلية بارعة تسمح بالحركة النابضة. ويخطط الباحثون الآن لتزويده بمقرنة واستخدامه كمحرك للآلات النانوية المعقدة. نُشرت نتائج أبحاثهم في مجلة Nature Nanotechnology في 19 أكتوبر.
تعاون بيتر شولك، الأستاذ المساعد في كلية العلوم الجزيئية بجامعة ولاية أريزونا ومركز التصميم الحيوي للتصميم الجزيئي والمحاكاة الحيوية، في المشروع مع البروفيسور فامولوك (قائد المشروع) من جامعة بون بألمانيا، والبروفيسور والتر من جامعة ميشيغان.
استخدم شولك أدوات النمذجة الحاسوبية الخاصة بمجموعته البحثية للحصول على نظرة ثاقبة حول تصميم وتشغيل هذا المحرك النانوي النابض الورقي. يتكون الهيكل من ما يقرب من 14000 نيوكليوتيدات، والتي تشكل اللبنات الأساسية للحمض النووي.
يوضح شولك: "بدون oxDNA، وهو نموذج الكمبيوتر الذي تستخدمه مجموعتنا لتصميم الهياكل النانوية للحمض النووي، لكان من المستحيل محاكاة حركة مثل هذه الهياكل النانوية الكبيرة. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تصميم محرك تكنولوجيا النانو للحمض النووي كيميائيًا بنجاح. ويسعدنا أن طريقة بحثنا قد ساهمت في دراسته ونتطلع إلى صنع أجهزة نانوية أكثر تعقيدًا في المستقبل."
يشبه هذا المحرك الجديد مدرب قبضة اليد ويمكنه تعزيز قوة القبضة مع الاستخدام المنتظم. ومع ذلك، فإن هذا المحرك أصغر بحوالي مليون مرة. يرتبط المقبضان في هيكل على شكل حرف V بواسطة النوابض.
في جهاز تدريب قبضة اليد، يتم ضغط المقابض معًا تحت مقاومة الزنبرك. بمجرد تركه، يقوم زنبرك بدفع المقبض إلى مكانه مرة أخرى. وقال البروفيسور مايكل فامولوك من معهد الحياة والعلوم الطبية (LIMES) بجامعة بون: "يستخدم محركنا مبدأ مشابهًا جدًا". "لكن المقابض لا يتم ضغطها معًا، بل يتم سحبها معًا."
أعاد الباحثون استخدام آلية بدونها لن يكون هناك نباتات أو حيوانات على الأرض. وقد تم تجهيز كل خلية بمكتبة. ويحتوي على مخططات لأنواع مختلفة من البروتينات التي تحتاجها كل خلية لأداء وظائفها. إذا أرادت الخلية إنتاج نوع معين من البروتين، فإنها تقوم بعمل نسخة من المخطط المقابل. يتم إنتاج هذا النص بواسطة إنزيم يسمى بوليميريز RNA.
يتكون المخطط الأصلي من خيوط طويلة من الحمض النووي. يتحرك بوليميراز الحمض النووي الريبي على طول هذه الخيوط، وينسخ المعلومات المخزنة حرفًا بحرف. يوضح فامولوك، وهو أيضًا عضو في مجالات البحث متعددة التخصصات "الحياة والصحة" و"المادة" في جامعة بون: "لقد قمنا بربط بوليميريز الحمض النووي الريبوزي (RNA) بمقبض على الآلة النانوية". "بين المقبضين، لدينا أيضًا شريط DNA متصل بإحكام. يلتقط البوليميراز هذا الشريط وينسخه. فهو يسحب نفسه على طول السلسلة، والأجزاء التي لم يتم نسخها تصبح أصغر وأصغر. وهذا يسحب المقبض الثاني نحو المقبض الأول شيئًا فشيئًا، ويضغط الزنبرك في نفس الوقت."
يحتوي شريط الحمض النووي بين المقابض على تسلسل خاص من الحروف قبل وقت قصير من النهاية. يشير ما يسمى بتسلسل الإنهاء إلى أن البوليميراز سيترك الحمض النووي. يمكن الآن أن يسترخي الزنبرك مرة أخرى ويفصل المقابض. بهذه الطريقة، يكون تسلسل البداية للسلسلة قريبًا من البوليميراز، ويمكن للناسخ الجزيئي أن يبدأ عملية نسخ جديدة: وهكذا. "بهذه الطريقة، يمكن لمحركاتنا النانوية القيام بحركات نابضة"، يوضح ماثياس سينتولا من مجموعة البحث التي يقودها البروفيسور فامولوك.
مثل الأنواع الأخرى من المحركات، يتطلب هذا النوع من المحركات طاقة. يتم توفير الطاقة عن طريق "حساء الأبجدية" من النصوص التي تنتجها البوليميرات. كل حرف (المصطلح الفني: النوكليوتيدات) له ذيل صغير يتكون من ثلاث مجموعات فوسفات - ثلاثي الفوسفات. من أجل إرفاق حرف جديد بجملة موجودة، يجب على البوليميراز إزالة مجموعتي الفوسفات منه. يؤدي هذا إلى إطلاق الطاقة المستخدمة لربط الحروف معًا. "لذلك يستخدم محركنا نيوكليوتيد ثلاثي الفوسفات كوقود. ولا يمكنه الاستمرار في العمل إلا عندما تكون هناك كميات كافية من نيوكليوتيد ثلاثي الفوسفات."
وتمكن الباحثون من إظهار أنه يمكن دمج المحرك بسهولة مع الهياكل الأخرى. وهذا من شأنه أن يجعل من الممكن، على سبيل المثال، التجول عبر الأسطح - على غرار الدودة البوصة التي تسحب نفسها على طول فرع بطريقتها المميزة. يوضح فاملوك: "نحن نخطط أيضًا لإنتاج القابض حتى نتمكن من استخدام قوة المحرك فقط في أوقات معينة وتركه في وضع الخمول في أوقات أخرى". على المدى الطويل، يمكن أن تصبح المحركات جوهر الآلات النانوية المعقدة. ومع ذلك، ما زال أمامنا الكثير من العمل قبل أن نصل إلى هذه المرحلة. "
مختبر Šulc هو مختبر متعدد التخصصات يطبق الفيزياء الإحصائية وطرق النمذجة الحسابية على مجموعة واسعة من المشاكل في مجالات الكيمياء والبيولوجيا وتكنولوجيا النانو. طورت مجموعة البحث نماذج جديدة متعددة النطاق لدراسة التفاعلات بين الجزيئات الحيوية، خاصة في تصميم ونمذجة الهياكل النانوية للحمض النووي الريبوزي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) والأجهزة.
"مثلما تتطلب الآلات المعقدة التي نستخدمها كل يوم - الرقائق الموجودة في الطائرات والسيارات والإلكترونيات - أدوات تصميم متطورة بمساعدة الكمبيوتر لضمان عملها على النحو المنشود، فإن مجال العلوم الجزيئية في حاجة ماسة إلى الوصول إلى مثل هذه الأساليب." وقالت البروفيسور تيجانا راج، عميد كلية العلوم الجزيئية: "يجري بيتر شولك وفريقه البحثي أبحاثًا مبتكرة للغاية في العلوم الجزيئية، باستخدام أساليب من الكيمياء الحاسوبية والفيزياء لدراسة جزيئات الحمض النووي الريبوزي (DNA) والحمض النووي الريبوزي (RNA) في سياق علم الأحياء وتكنولوجيا النانو. وقد حقق أعضاء هيئة التدريس الشباب في كلية العلوم الجزيئية نتائج استثنائية، والبروفيسور شولك مثال جيد على ذلك."
DNA و RNA هما الجزيئات الأساسية للحياة. أنها تخدم مجموعة متنوعة من الوظائف، بما في ذلك تخزين المعلومات ونقل المعلومات في الخلايا الحية. لديهم أيضًا آفاق تطبيق واسعة في مجال تكنولوجيا النانو، حيث يمكن استخدام خيوط DNA وRNA المصممة لتجميع الهياكل والأجهزة النانوية. إنه يشبه إلى حد ما اللعب بلعبة Lego، باستثناء أن حجم كل قطعة من قطع Lego لا يتجاوز بضعة نانومترات (جزء من المليون من المليمتر). بدلاً من وضع كل لبنة في المكان الذي من المفترض أن تذهب إليه، يمكنك وضعها في صندوق وهزها حتى يخرج الهيكل المطلوب فقط.
وقال شولك: "هناك العديد من التطبيقات الواعدة في هذا المجال، بما في ذلك التشخيص والعلاج والروبوتات الجزيئية وبناء مواد جديدة". "طوّر مختبري برنامجًا لتصميم وحدات البناء هذه، ونحن نعمل بشكل وثيق مع مجموعات تجريبية في جامعة أريزونا وجامعات أخرى في الولايات المتحدة وأوروبا. ومع استمرار تقدم المجال وتنفيذ تصميمات متقدمة جديدة وتشغيلها بنجاح على مقياس النانو، من المثير أن نرى أساليبنا تُستخدم لتصميم وتوصيف الهياكل النانوية المعقدة بشكل متزايد."