הידען > סיינטיפיק אמריקן – ישראל: ננוטכנולוגיה והסליל הכפול

סיינטיפיק אמריקן – ישראל: ננוטכנולוגיה והסליל הכפול

דנ”א הוא יותר מסוד החיים – הוא גם מרכיב רב-תכליתי לבניית מבנים והתקנים ננוסקופיים

נדריאן ס' סימן, סיינטיפיק אמריקן

בתמונה: האיור הראשון של פרנסיס קריק שבו נראה הסליל הכפול לראשונה, צויר בעפרון על נייר A4.

SA0604 יוני 2004 עמוד 64
Nanotechnology and the Double Helix

קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/nanosciam160205.html

הכתבה מופיעה בכתב העת סיינטיפיק אמריקן בעברית בהוצאת אורט.

שנת 2003 עמדה בסימן יובל לגילוי מבנה הסליל הכפול של הדנ”א על ידי ג'יימס ד' ווטסון ופרנסיס ה' קריק. תגליתם אפשרה להבין את הגנטיקה במונחים כימיים והניחה את היסודות ליובל השנים הבאות של הביולוגיה. אלפי חוקרים עמלים כיום על פענוח מגוון הדרכים שבאמצעותן שולטים הגנים על התפתחותם ותפקודם של יצורים חיים. כל הגנים האלה כתובים במולקולות דנ”א.
עם זאת, למולקולות יוצאות הדופן האלה יש שימושים נוספים מעבר לביוכימיה. שימוש בטכניקות ביוטכנולוגיות מודרניות מעניק לנו יכולת לבנות מולקולות דנ”א ארוכות ולבחור כרצוננו את רצף אבני הבניין שלהן. היכולת הזאת מאפשרת לנו לבחור נתיבים חדשים שהטבע לא צעד בהם כשהתפתחו החיים. ב-1994, לדוגמה, הדגים ליאונרד מ' אדלמן מאוניברסיטת דרום קליפורניה איך אפשר לבנות אמצעי חישוב מדנ”א [ראו “חישוב באמצעות דנ”א”, מאת ליאונרד מ' אדלמן, סיינטיפיק אמריקן, מהדורה אנגלית, אוגוסט 1998]. במאמר הזה אדון בפניכם בשימוש לא ביולוגי נוסף בדנ”א: בניית מבנים והתקנים שגודל המרכיבים החיוניים שלהם ומנגנון פעולתם הוא בין ננומטר אחד ובין מאה ננומטר – או במילה אחת, ננוטכנולוגיה.
למבנים כאלה יש שימושים אפשריים רבים. סריג מסודר הבנוי מדנ”א יוכל להחזיק במקומם עותקים של מולקולות ביולוגיות גדולות במערך מסודר ולאפשר את קביעת המבנה שלהן באמצעות קרני X, שלב חשוב בתכנון “רציונלי” של תרופות. אפשרות אחרת היא בניית מערכת פיגומים של סריגי דנ”א שתוכל לתמוך ברכיבים ננואלקטרוניים. הפיגומים יחזקו התקנים פועלים וישמשו גם בשלבי הייצור של התקנים כאלה. יהיה אפשר להרכיב חומרים ולתכנן מראש את המבנה שלהם ברמה המולקולרית. חומרים אלה יהיו עשויים מדנ”א או מורכבים באמצעות מבני דנ”א. מכונות דנ”א בעלות חלקים נעים יוכלו לשמש כחיישנים, מתגים ומלקחיים ננומכניים ואף לבצע פעולות רובוטיות מסובכות יותר.
דנ”א מסועף
קנה המידה הננומטרי הוא קנה המידה של מולקולות. אורכו של קשר אופייני בין שני אטומים הוא כ-0.15 ננומטר. (ננומטר אחד הוא מיליארדית המטר.) קוטרו של סליל הדנ”א הוא כשני ננומטרים, והוא משלים ליפוף שלם כל 3.5 ננומטרים בערך, או כל עשרה זוגות בסיסים היוצרים את ה”שלבים בסולם” הסליל הכפול של הדנ”א. מקטע קצר של דנ”א מקיים אינטראקציות מסוימות מאוד עם חומרים אחרים בהתאם לרצף זוגות הבסיסים שלו. ייתכן שיהיה אפשר להשתמש במקטעים כאלה כדי לזהות מולקולות מסוימות, או להשתמש בהם כזרז כדי לשלוט בהרכבו של חומר. ביולוגים אכן משתמשים כבר שנים רבות בתכונות הזיהוי של הדנ”א, ובייחוד ב”קצוות הדביקים” שלו, בהנדסה גנטית. קצה דביק נוצר כאשר אחד הגדילים של הסליל הכפול ארוך בכמה בסיסים מהסליל השני, כך שבסיסי הקצה העודף נותרים בלתי מזווגים . “דביקות” היא נטייתו של גדיל יחיד להיקשר לגדיל תואם לו, גדיל שהבסיסים המשלימים שלו מסודרים ברצף המתאים – הבסיס אדנין בגדיל האחד נצמד לתימין בגדיל הנגדי, וציטוזין נקשר לגואנין. [ראו שימוש נוסף בדביקות של דנ”א במאמר “קסמם של מערכי דנ”א זעירים”, מאת סטפן ה' פרנד ורולנד ב' סטאוטון, סיינטיפיק אמריקן ישראל, יוני-יולי 2003.]
במבט ראשון נדמה שדנ”א אינו יכול ליצור מבנים מעניינים. הדנ”א המצוי בטבע יוצר שרשרת קווית, כמו חבל שזור, כך שלכאורה אפשר ליצור ממנו רק קווים או טבעות ואולי גם לכרוך או לקשור אותו בדרך כלשהי. אבל שרשרת קווית אינה הצורה האפשרית היחידה לדנ”א. במהלכם של תהליכים מסוימים בתא הדנ”א מופיע, לזמן קצר בלבד, כמולקולה מסועפת. הסיעוף הזה קורה בשני מקרים: כאשר הדנ”א משכפל את עצמו (כהכנה לחלוקת התא) או במהלכו של תהליך הקרוי בשם רקומבינציה (במהלכו מוחלף חומר גנטי בין זוגות כרומוזומים תואמים, תהליך המתרחש כשנוצרים תאי זרע או ביציות).
הסיעופים נוצרים כשהסליל הכפול נפרם חלקית לשני גדילים. בתהליך השכפול, כל גדיל נהפך לסליל כפול חדש על ידי תוספת של נוקלאוטידים משלימים לכל אורכו. (נוקלאוטיד הוא שילוב של בסיס ושל הקטע המתאים בשלד הסליל.) תהליך מעניין יותר הוא תהליך השחלוף המתרחש תוך כדי רקומבינציה: שני קטעים של דנ”א נשברים ונפרמים חלקית, וארבעת הגדילים מתחברים זה לזה בדומה להצטלבות בין שני כבישים ראשיים.
הסתעפות של הדנ”א העובר רקומבינציה מתרחשת בנקודה שבה כל אחד מארבעת הגדילים מחליף בן זוג. נקודת הסיעוף יכולה לעבור ממקום למקום בגלל סימטריה כפולה (כמו זו שבמספר 69) ברצף הבסיסים שבשני צדדיה. משמעות הסימטריה הזו היא שכל גדיל יכול להיצמד לכל אחד מבין שני גדילים התואמים לו. ב-1979 עבדתי עם ברוס ה' רובינסון, עכשיו באוניברסיטת וושינגטון, על תיאור אופייה של התנועה הזאת. הבנתי אז שמולקולות סינתטיות של דנ”א שאין בהן סימטריה כזאת יכולות ליצור צמתים שנקודת הסיעוף שלהם לא נעה. כדי ליצור צומת כזה צריך להכין ארבעה גדילי דנ”א. הרצף לאורך מחציתו של כל אחד מן הגדילים יתאים לרצף שבמחציתו של גדיל שני, ואילו הרצף במחצית השנייה יתאים לרצף שבמחציתו של גדיל שלישי.
המבנה הנפוץ ביותר של דנ”א הוא הסליל הכפול המוכר, שזיהו ווטסון וקריק. גודל פיזיקלי הקרוי אנרגיה חופשית הוא הקובע איזו צורה תהיה הנפוצה ביותר. ככלל, האנרגיה החופשית קובעת אם תגובה כימית תתרחש בכיוון הישיר או בכיוון ההפוך. היא גם קובעת מה תהיה הקונפורמציה – הקיפולים והחיבורים – של מולקולות גדולות כמו דנ”א, רנ”א וחלבונים. מערכת כימית נוטה תמיד להשתנות לעבר מצב שבו האנרגיה החופשית מינימלית. עבור שני גדילים של נוקלאוטידים, האנרגיה החופשית מגיעה לערך הנמוך ביותר כאשר הם נצמדים ויוצרים סליל כפול.
ארבעת גדילי הצומת הנייח שלנו יכולים להתחבר זה לזה וליצור את הכמות המרבית של סלילי דנ”א כפולים רק אם יצרו מולקולה מסועפת. ככלל, נקודת סיעוף אינה מבנה מועדף – היא מעלה את האנרגיה החופשית של המולקולה – אבל הירידה באנרגיה החופשית עקב היווצרותם של סלילים כפולים בארבע הזרועות גדולה הרבה יותר מן העלייה באנרגיה החופשית שגורם הצומת. כיום, הכנתם של גדילים כאלה ויישום הרעיון של מולקולת דנ”א מסועפת ויציבה הם עניין פשוט, אבל בשנת 1979 זאת הייתה חזית הכימיה, ואילו אני הייתי אז קריסטלוגרף ולא כימאי אורגני, ולכן כל מה שעשיתי היה בעיקר לחשוב על המערכת. (רק ב-1982 למדתי איך להכין דנ”א.)
השראה מציור של אשר
חשבתי שחייבת להיות דרך לבנות צמתים של דנ”א מסועף בעלי זרועות רבות יותר מארבע. יום אחד, בסתיו 1980, הלכתי לפאב של הקמפוס כדי לחשוב על צמתים משושים. משום מה הרהרתי בתחריט העץ “עומק” של האמן ההולנדי מ' ס' אשר (Escher), והבנתי שמרכז גופו של כל אחד מן הדגים שבציור מייצג מבנה מושלם של צומת שממנו מסתעפות שש זרועות. שישה איברים יוצאים מן הנקודה המרכזית הזאת שבגוף הדג: ראש, זנב, סנפיר גב, סנפיר גחון ושני סנפירי צד. הדגים מסודרים במרחקים אחידים זה מזה בדיוק כפי שמסודרות המולקולות בגביש מולקולרי, והם חוזרים ומופיעים זה בצד זה, מלפנים ומאחור, מלמעלה ומלמטה, מימין ומשמאל. ואז עלה במוחי הרעיון שאם אוכל להצמיד זה לזה את הצמתים באמצעות הקצוות הדביקים אולי אצליח לארגן את החומר בקנה המידה הננומטרי בדיוק כפי שארגן אשר את להקת הדגים שלו בכוח דמיונו.
יש לנו כמה סיבות טובות לרצות לבנות מבנים כאלה. ראשית, מטרתנו להרכיב פיסות מאקרוסקופיות של חומר באמצעות תכנון מראש של מולקולות וחיבורן זו לזו בתהליך מבוקר בדיוק ננוסקופי. בנייה כזאת תוכל לייצר חומרים בעלי תכונות חדשות או בעלי צירוף חדש של תכונות. לדוגמה, אפשר לבנות חומרים שהתכונות האופטיות שלהם מתוכננות מראש, כמו למשל גבישים פוטונים. הדבר נעשה באמצעות הרכבה של מערכים מוגדרים היטב שהמרחק בין היחידות החוזרות שלהם הוא מרחק מסוים וקבוע. [ראו “גבישים פוטוניים: מוליכים למחצה של אור”, מאת אלי יבלונוביץ', סיינטיפיק אמריקן באנגלית, דצמבר 2001].
מטרה אחרת היא לבנות מדנ”א מערכת פיגומים שתחזיק יחדיו מערכים של מולקולות אחרות, ובהן גם כאלה שלא מסוגלות ליצור בעצמן גבישים מסודרים. בדרך הזאת יהיה אפשר להכין כלובי-דנ”א גבישיים שיחזיקו בתוכם מולקולות ביולוגיות גדולות כמו חלבונים. כלובים כאלה יאפשרו לקריסטלוגרפים לקבוע את המבנה התלת-ממדי של המולקולות הלכודות. זהו שלב מפתח בתכנון מראש של תרופה, מפני שהמבנה שלה חייב להתאים בדיוק למבנה של חלקים מסוימים במולקולה שעליה היא פועלת. (השימוש הקריסטלוגרפי הזה הוא המניע העיקרי להתעניינותי בתחום.) כיום מולקולות של קולטנים רבים, שהיו עשויים להיות מטרות מצוינות לפעולתן של תרופות, אינן “משתפות פעולה” עם הקריסטלוגרפיה המסורתית. באופן דומה אפשר לארגן רכיבים ננואלקטרוניים ולבנות התקני זיכרון קטנים מאוד, כפי שרובינסון ואני הצענו לעשות ב-1987. קבוצת המחקר שלי לא השתמשה עדיין בדנ”א כבמערכת פיגומים, אבל היו לנו הצלחות רבות אחרות בדרך להשגת המטרה הזאת.
מדוע להשתמש בדנ”א למטרות אלה? הסיבה העיקרית היא שאפשר לתכנת ולחזות מראש באופן הטוב ביותר איך גדילי הדנ”א יגיבו זה עם זה. לכל קצה דביק שאורכו N בסיסים ישנם 4N רצפים אפשריים של בסיסים. השונות העצומה הזאת, והנטייה של הקצוות להיקשר אך ורק לרצפים מתאימים, מספקות כר נרחב לתכנון מולקולות המורכבות מגדילי דנ”א רבים. גדילים אלה מחוברים זה לזה באופן מסוים אחד בלבד. זאת ועוד, אנחנו יודעים שאם שני קצוות דביקים תואמים זה לזה הם יוצרים מבנה סלילי קלאסי של דנ”א, שהוא מבנה קשיח יחסית. לכן, לא רק שאנו יכולים לדעת מראש אילו גדילים בדיוק יתחברו זה לזה, אלא גם מה תהיה הצורה המרחבית המדויקת שבה יתארגנו החלקים. אין ברשותנו מידע ספציפי כזה לגבי חלבונים או לגבי נוגדנים, שגם הם מועמדים לשמש כאבני בניין, ושגם בהם קיימת גמישות רבה. אבל בניגוד לדנ”א, קשה מאוד לקבוע מראש מה תהיה צורת החלבון שיתקבל, וכיצד יתחברו זה לזה שני חלבונים או שני נוגדנים – בעיה שיהיה צורך לפתור מחדש בכל מקרה ומקרה.
סיבה נוספת לעבודה עם דנ”א היא פשטות הפקתו באמצעות הכלים של התעשייה הביוטכנולוגית. אנחנו מסוגלים להשפיע על מבנה הדנ”א בעזרת אנזימים רבים, כמו למשל אנזימי רסטריקציה (שחותכים את הדנ”א במקומות מסוימים) או ליגאזות (אנזימים המזרזים את חיבורן של שתי מולקולות זו לזו בקשרים קוולנטיים – קשרים כימיים חזקים הנוצרים באמצעות שיתוף זוגות אלקטרונים בין אטומים). אפשר להשתמש בכלים האלה לא רק כדי לייצר דנ”א רגיל ולשנות את מבנהו. אפשר להשתמש בהם כדי לעבוד עם נגזרות אקזוטיות שבהן משולבים בסיסים שאינם מבין הארבעה המקובלים, או שמולקולות נוספות הוצמדו אל החלק החיצוני של עמוד השדרה של הדנ”א (כלומר אל הקורות שבצדי הסולם). חוקרים במדעי הרפואה, שקיוו להשתמש בחומצות גרעין (דנ”א ורנ”א) לטיפולים רפואיים הפיקו גרסות דנ”א רבות כאלה. מולקולת הדנ”א מתאימה מאוד להכנת נגזרות מפני שקיימים אתרי קישור בכל אחד מן הנוקלאוטידים שלאורך הסליל הכפול, שאליהם אפשר לחבר מולקולות.
לבסוף, וכפי שנראה בהמשך, אפשר לגרום לדנ”א ליצור מבנים שונים מן הסליל הכפול הרגיל. אנחנו יכולים לבנות התקנים ננומכניים שהחלקים שלהם מסוגלים לנוע – למשל, מלקחיים שנסגרים או סרן מסתובב – תנועות הנגרמות ממעבר של דנ”א ממבנה אחד לאחר. חיסרון אחד הוא שחייבים להכין את העצמים הבנויים מדנ”א בתמיסה מימית. אבל אין שום בעיה לייבש את המבנים הנוצרים (על גבי גביש מיקה, למשל) כפי שאנו עושים כדי לצלם את התוצאות שלנו במיקרוסקופ.
דגמי פאונים
הצעד הראשון בכל תכנית מחקר מדעית הוא לקבוע אם אפשר בכלל ליישם את הפרויקט. ג'ונגואי צ'ן, עכשיו באוניברסיטת דלוור, ואני עשינו זאת בשנת 1991 כשהכנו מולקולת מודל קובייתית מדנ”א. כל צלע של הקובייה הוא קטע של סליל דנ”א כפול וכל קודקוד הוא צומת משולש. מבנה שבו כל קודקוד מחובר לשלושה קודקודים אחרים מוגדר כמבנה בעל קישוריות משולשת. מהנדסים גנטיים בנו מבנים ליניאריים רבים מדנ”א, אבל הקובייה שלנו הייתה מולקולת הדנ”א הראשונה שהקישוריות שלה הייתה גבוהה משתיים. הקובייה מתארגנת מעצמה מפיסות דנ”א שתוכננו מראש כדי שייצמדו זו לזו, אבל הקצוות של כל פיסה כזאת נשארים חופשיים. את הקצוות החופשיים אפשר לחבר באמצעות ליגאזות, כדי לקבל שש טבעות סגורות שהן שש פאות הקובייה. בגלל האופי הסלילי של הדנ”א, כל טבעת נכרכת סביב הטבעות הסמוכות לה כך שהקובייה לא מתפרקת גם אם כל הקשרים המחברים בין זוגות הבסיסים נשברים מסיבה כלשהי.
יואן ז'אנג, עכשיו בחברת בקסטר, ואני בנינו מבנה נוסף הקרוי אוקטהדר קטום. זהו מבנה דומה לקובייה אך מסובך ממנה. אף על פי שאפשר להסתפק בצמתים משולשים כדי לבנות אוקטהדר קטום יחיד, אנחנו בחרנו לבנות אותו באמצעות צמתים מרובעים. כוונתנו הייתה להשתמש בזרוע הנוספת המשתרבבת מכל קודקוד כדי לחבר את המבנים אלו לאלו למבנה גדול יותר. אבל בסופו של דבר לא המשכנו את מחקרנו בכיוון הזה. יצרנו כמות זעירה בלבד של מולקולות בצורת אוקטהדר קטום. כמות זו הספיקה לאפיון המבנה של האוקטהדר אך לא לניסיון לחבר את המולקולות. גם הכמות הזעירה הזאת הביאה אותנו לגבול היכולת שלנו. כמות גדולה יותר הייתה מאלצת אותנו לשנות מן היסוד את שיטות העבודה שלנו (למשל, להשתמש בשיטות רובוטיות כדי לבצע שלבים חוזרים על עצמם). במקום זאת, פנינו לרכיבים פשוטים יותר.
סיבה נוספת שהניעה אותנו לשנות כיוון הייתה ההבנה, שהתחזקה בנו במהלך העבודה, שהפאונים הדביקים שבנינו אינם קשיחים. דנ”א היא מולקולה קשיחה: יכולת הפיתול של קטע דנ”א שאורכו שניים או שלושה ליפופים (האורך שבו אנו משתמשים כצלע של הפאונים) אינה גדולה מזו של פיסת ספגטי מבושל באורך שניים או שלושה מילימטרים. הנוקשות הזאת מבטיחה שצלעות המבנים שלנו יהיו קשיחות, אבל למדנו לדעת שהזוויות בכל קודקוד גמישות למדי. אפשר לדמות את הפאונים שבנינו למבנים עשויים מקיסמי שיניים התקועים בממתקי מרשמלו. ייתכן שישנם שימושים למבנים כאלה, אבל בניית סריגים מסודרים אינו אחד מהם. מבנה גבישי מסודר יתארגן מעצמו הרבה יותר בקלות מרכיבים קשיחים דמויי לבנים מאשר מבנים שממתקי מרשמלו בקודקודיהם.
כדי להתגבר על הבעיה הזאת בחנה קבוצת המחקר שלי סוג אחר של מולקולת דנ”א מסועפת. מולקולה זו נוצרת במערכות ביולוגיות בעת רקומבינציה, בשלב השחלוף הכפול (DX) של הדנ”א. מולקולת ה-DX מורכבת משני סלילים כפולים הערוכים זה לצד זה, כשהגדילים שלהם מצולבים בין שני הסלילים ומצמידים אותם זה לזה [ראו תיבת טקסט למעלה]. אפיינו את המבנה של המולקולה הזאת וקבענו שהיא קשיחה. הראינו גם שמולקולת DX שכוללת עוד קטע קצר של סליל כפול (הקרויה בשם מולקולת DX+J) היא מולקולה קשיחה מאוד. הסליל הכפול הנוסף הזה בולט ממולקולת ה-DX ולכן משמש כסמן – השקול הננוטכנולוגי לסימון בצבע.
אריק וינפרי מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (קלטק), פורונג ליו וליזה א' ונצלר, שניהם מקבוצת המחקר שלי באוניברסיטת ניו יורק, שיתפו ביניהם פעולה ובנו גבישים דו-ממדיים בתבנית מוגדרת מראש באמצעות שילוב של מולקולות DX ומולקולות DX+J כאבני מרצפת. קצוות דביקים שהושארו בכל אחד מהסלילים חיברו את המרצפות זו לזו. באחד הסידורים נבנו לסירוגין זה לצד זה טורים של מרצפות DX וטורים של מרצפות DX+J. התבנית שנוצרה הייתה פסים שהמרחק ביניהם היה כ-32 ננומטר. פרסנו את המערכים האלה על משטח של מיקה ובחנו אותם במיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) כדי לוודא שממדי המבנה אכן נכונים. ביססנו את העובדה שהתבנית אינה מקרית באמצעות בנייה של גביש נוסף. בגביש זה היו מרצפות ששונו באופן שיסתדרו בשלושה טורים של DX על כל טור של DX+J. ואכן, קיבלנו פסים שהמרחק ביניהם היה כפול.
קבוצת המחקר של ג'ון ה' רייף מאוניברסיטת דיוק הדגימה לא מכבר ייצור של “בר-קוד” מדנ”א באמצעות תבניות דומות. הם תכנתו את המרצפות באופן שהפסים יצרו תבנית שייצגה את המספר 01101. (מולקולות דומות למולקולות מסוג DX ו-DX+J שימשו כמייצגי הספרות 0 ו-1 בהתאמה.) התבנית תוכנתה באמצעות גדיל דנ”א ששימש כקלט ראשוני וקודד את התבנית 01101. המולקולות הדומות ל-DX ול-DX+J הסתדרו בעצמן ונצמדו לקטעי גדיל הדנ”א שייצגו 0 ו-1 בהתאמה. רצפים רבים בני חמש מרצפות כאלה הצטרפו והסתדרו במקביל לשורה הראשונה ויצרו את תבנית הפסים שייצגה את המספר 01101. המרחק בין הפסים היה כ-15 ננומטר. בחינת הפסים במיקרוסקופ כוח אטומי היא למעשה שימוש ב”בר-קוד” כדי לקרוא את הנתונים המקודדים בגדיל הדנ”א הראשון ששימש כקלט הראשוני. האמצעי החזותי הזה לקריאת רצף דנ”א עשוי להאיץ את שלב הקריאה בהתקני מחשוב מבוססי-דנ”א ועשוי לשמש גם למיפוי מוטציות.
צ'נגדה מאו, עכשיו באוניברסיטת פרדו, ואני יצרנו תבניות דו-ממדיות ממקביליות של דנ”א הדומות לפאונים שלנו. אפשר לחבר עותקים של היחידה הזאת וליצור גביש המשתרע בשני ממדים. את החורים במערך שנוצר אפשר לכוונן מראש באמצעות שינוי ממדי המקביליות. למרות הגמישות של צמתי סיעוף בודדים, אם מסדרים ארבעה מהם בקודקודי המקבילית אפשר לבנות יחידה חוזרת במערך המקביליות ש”מתנהגת כיאות”.
מכונות ננומטריות
מכונות בקנה מידה מוליקולרי עומדות במרכז הננוטכנולוגיה. דנ”א הוכיח את יעילותו כאמצעי שימושי לבניית מכונות כאלה. אנו בנינו כמה התקנים מדנ”א, אבל אני אתמקד כאן בשתי דוגמות שהמבנה שלהן אופיין היטב. בשני המקרים המנגנון מבוסס על שינוי במבנה מולקולת הדנ”א – שינוי מקונפורמציה אחת (כמו למשל הסליל הכפול הרגיל) לאחרת.
דנ”א רגיל הוא סליל ימני. דמיינו את עצמכם עולים בגרם מדרגות לולייני. יד שמאל שלכם אוחזת במעקה הפנימי, ויד ימין במעקה החיצוני. גרם מדרגות כזה הוא סליל ימני. דנ”א ימני רגיל קרוי בשם B-דנ”א והוא המבנה המועדף ביותר מבחינה אנרגטית בתנאים מימיים טיפוסיים.
סליל דנ”א כפול יכול להופיע במספר מבנים אחרים בהתאם לרצף הבסיסים שלו ובהשפעת הצורונים הכימיים המצויים בתמיסה שבה הוא מומס. אחד המבנים האלה הוא Z-דנ”א, שאת המבנה שלו אפיינו בפעם הראשונה ב-1979 אלכסנדר ריץ' ועמיתיו במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT).
שני תנאים נדרשים כדי להכין Z-דנ”א. ראשית, רצף הבסיסים צריך להיות בדרך כלל ציטוזין וגואנין לסירוגין. שנית, מבנה של Z-דנ”א גורם לקבוצות הזרחתיות (פוספאט) המרכיבות את עמוד השדרה של הדנ”א להתקרב זו לזו. אולם הקבוצות האלה טעונות במטען חשמלי שלילי והן יכולות להתקרב זו לזו רק אם ממסכים את המטען שלהן. מבנה Z-דנ”א מועדף אפוא רק אם המיסוך אפשרי. המיסוך מתאפשר בסביבה מימית המכילה ריכוז גבוה של מלח, או בנוכחות יון בעל השפעה גדולה במיוחד, כגון קובלט שש-אמיני, Co(NH3)63+. יון זה מבצע את המשימה בריכוז נמוך בהרבה מריכוז המלח הרגיל. הדרישה לרצף של ציטוזין וגואנין לסירוגין מאפשרת לנו לקבוע היכן בדיוק ימוקם המעבר מצורה B לצורה Z במולקולת הדנ”א (ולפיכך גם מה עושה המכונה שלנו). הדרישה לסביבה כימית מסוימת מאפשרת לנו לשלוט מתי יתרחש המעבר (ולפיכך גם מתי תפעל המכונה).
עמיתיי באוניברסיטת ניו יורק, ויקיונג סן וז'יונג שן, מאו ואני בנינו התקן המורכב משתי מולקולות DX המחוברות זו לזו במוט של סליל דנ”א כפול. באמצע המוט יש רצף של 20 זוגות בסיסים שיכולים לעבור למבנה Z בתנאים המתאימים. בתנאים רגילים כל מרכיבי ההתקן יהיו במבנה של B-דנ”א, ושתי מולקולות ה-DX יהיו באותו צד של המוט. כשמוסיפים לתמיסה קובלט שש-אמיני, החלק המרכזי של המוט עובר למבנה Z ואחת ממולקולות ה-DX מסתובבת שלושה וחצי סיבובים ביחס למולקולת ה-DX השנייה. חצי הסיבוב הנוסף מביא את שתי מולקולות ה-DX להתמקם משני צדי המוט. סילוק הקובלט השש-אמיני מחזיר את ההתקן למבנה המקורי שלו. הוכחנו שהתנועה אכן מתקיימת באמצעות שיטה ספקטרוסקופית, באמצעות שימוש בשני חומרי צבע שונים שנקשרו למולקולות ה-DX.
התקן B-Z זה הוא התקן קשיח למדי, אבל יש בו פגם. אם משלבים קבוצה של התקני B-Z שונים למבנה-על גדול יותר (למשל, אחד מן הסריגים הדו-ממדיים שנדונו למעלה) יימצא כל המבנה באחד משני מצבים בלבד: כל המכונות יהיו במצב B או שכולן יהיו במצב Z. כדי לשלוט בכל מכונה ומכונה באוסף של מכונות יש צורך בהתקנים בעלי מתגים בלתי תלויים. אם משתמשים בדנ”א, קיימת כמובן דרך טבעית לעשות זאת: גדילי דנ”א יהיו המתגים המפעילים, וכל אחת מן המכונות תופעל על ידי רצף שונה ומיוחד רק לה.
כדי ליישם את התחבולה הזאת, האו יאן, עכשיו באוניברסיטת דיוק, קסיאפינג ז'אנג מאוניברסיטת ניו יורק, שן ואני פיתחנו מערכת שצורתה משתנה אם גדילים שונים נקשרים אליה. המערכת מורכבת משני סלילים כפולים ומקבילים של דנ”א המתלכדים לגדיל יחיד בצומת שבמרכז המולקולה. אזור ההצטלבות יכול להימצא בשני מצבים שונים בהתאם לנוכחותם של גדילים יחידים מסוימים. את הגדילים היחידים אפשר להוסיף לתמיסה, והם נקשרים לקטעים החד-גדיליים שבהתקן [ראו מסגרת בעמוד 000]. שני מצבי ההתקן מסומנים באותיות PX , ו-JX [האות X מציינת הצטלבות, והאותיות P ו-J מרמזות על הגאומטריה של ההצטלבות, כפי שמתואר באיור בעמוד 000]. כשההתקן מצוי במצב PX שני הסלילים שבצד אחד של הצומת המרכזי מסובבים בחצי סיבוב לעומת מיקומם במצב JX.
כאשר מוסיפים לתמיסה זוג גדילים מסוימים (המכונים בשם גדילי מצב) הם נקשרים לחלק המרכזי של ההתקן אך לא גורמים להצלבה בין שני הסלילים הכפולים באופן שלאחר הקישור הם מונחים זה לצד זה – זהו מצב JX. כדי להעביר את ההתקן למצב PX צריכים קודם כול להסיר את גדילי המצב. בשנת 2000 הראו ברנרד יורק ועמיתיו מחברת “לוסנט טכנולוגיות” שאפשר לחלץ גדיל מתוך סליל של דנ”א באמצעות קשירתו לרצף המשלים המלא שלו. כדי ליישם את התהליך הזה, השארנו בגדילים המכוונים שלנו קצוות חופשיים קצרים, שלא נקשרים להתקן, ונותרים בולטים החוצה. כשאנו מוסיפים לתמיסה גדילים שהרצף שלהם משלים לגמרי לרצף גדילי המצב הם נקשרים תחילה לקצוות הבולטים הבלתי קשורים ואז מחלצים את שאר גדילי המצב מתוך ההתקן.
לאחר שגדילי המצב הראשונים סולקו מן המבנה, ביכולתנו להוסיף כעת גדילי מצב מסוג שונה, שייקשרו אף הם לאזור ההצטלבות המרכזי. הקישור הזה מסובב את שני הסלילים הכפולים ומציב את ההתקן במצב PX. אפשר להפוך את כיוון התהליך אם נסיר את גדילי המצב מן הסוג השני, ונחזיר את הסוג הראשון. בדרך הזאת אפשר לסובב את הסלילים הכפולים הלוך ושוב כרצוננו. אפשר להפעיל באופן בלתי תלוי התקני PX-JX שונים באמצעות הוספה וסילוק של גדילי מצב שתוכננו מראש לאזורי קישור המיוחדים להם.
השתמשנו במיקרוסקופ כוח אטומי כדי לבדוק איך ההתקן שלנו נע. הכנו שרשרת ארוכה של התקנים כאלה, וחיברנו בצדו של כל אחד מהם יחידת דנ”א גדולה בצורת טרפז. ראינו שאם כל ההתקנים מצויים במצב PX אז כל הטרפזים מצויים בצד אחד של השרשרת. ואם כל ההתקנים מצויים במצב JX אז הטרפזים מצויים לסירוגין משני צדי השרשרת ומקנים לה צורת זיגזג.
בשנת 2000 הציגו יורק ועמיתיו “מלקחיים” ננוסקופיים שהורכבו משלושה גדילי דנ”א. סלילים מכוונים, שיורק כינה בשם גדילים מניעים, פתחו וסגרו את המלקחיים. חוקרים אחרים השתמשו בשיטות דומות כדי למתג הפעלה של ריבוזימים – אנזימים הבנויים מרנ”א. מייקל פ' רובינסון ואנדריו ד' אלינגטו מאוניברסיטת טקסס באוסטין הדגימו ב-1998 הגברה פי 10,000 בפעילותו של ריבוזים לאחר שהוסיפו גדיל מצב מתאים שנקשר אליו ושינה את הקונפורמציה שלו.
העתיד
יעד חיוני לעתידה של ננוטכנולוגיה מבוססת דנ”א הוא הרחבת ההצלחות בשני ממדים לשלושה. כשזה יושג, תהיה בידינו הוכחה שאפשר לתכנן חומרים מוצקים באמצעות קביעה מראש של סדרת רצפי דנ”א והרכבתם יחדיו. אם המבנים יהיו מסודרים מאוד, נוכל לבצע באמצעותם ניסויים קריסטלוגרפיים לקביעת מבנה של מולקולות שיוחזקו בתוך כלוב שיחידת המבנה שלו חוזרת על עצמה , כפי שתואר למעלה.
יעד נוסף הוא כליאה של התקני דנ”א בתוך המבנים השלדיים. הישג כזה יהיה הצעד הראשון לקראת ננורובוטיקה המשלבת בתוכה יכולת תנועה מורכבת ומגוון של מצבים. מערכת כזאת תוכל לאפשר לנו לבנות קווי ייצור כימיים להרכבת חומרים. באמצעות התקנים דומים לאלה שתוארו כאן נוכל להרכיב חומרים חדשים בדיוק רב. ג'יימס ו' קנארי ופיליפ ס' לוקמן מאוניברסיטת ניו יורק, לי ז'ו, עכשיו באוניברסיטת טקסס באוסטין, ואני בנינו לא מכבר אב-טיפוס והרכבנו פיסת ניילון קטנה על גבי שלד של חומצת גרעין. אנו סבורים שבבוא היום נוכל להכין פולימרים חדשים בעלי תכונות מסוימות וטופולוגיות מתוכננות מראש (כמו למשל פיתול של שלד הפולימר).
כדי להשיג את היעדים האלה יהיה צורך לנצל את יכולת התכנות של הדנ”א, אבל גם הקריסטלוגרפיה וגם הננוטכנולוגיה לא יוכלו להסתמך רק על הדנ”א לבדו. לדוגמה, יהיה צורך לשלב בין מולקולות הדנ”א לבין רכיבים ננואלקטרוניים, כגון חלקיקי-ננו מתכתיים או שפופרות פחמן ננומטריות. השילוב הזה יתבצע במערכות ובתמיסות נוזליות שיהיו חייבות להיות תואמות גם לתכונות הדנ”א וגם לתכונות הרכיבים האחרים. המשימה הזאת לא תהיה קלה מפני שקיימים הבדלים ניכרים באופיים של המרכיבים השונים. זאת ועוד, גם אם יהיה אפשר לבנות רכיבים ננו-אלקטרוניים באמצעות התארגנות עצמית של דנ”א, יצטרכו בסופו של דבר מכונות הננו האלה לקיים פעולות-גומלין עם העולם המאקרוסקופי. פעולות-גומלין אלה יצטרכו להיות הרבה יותר מתוחכמות מהוספת גדילי מצב לתמיסה או סילוקם. זהו אתגר כביר.
מכונת החלומות הננוטכנולוגית היא מכונה שמסוגלת להכפיל את עצמה. אבל בניגוד לדנ”א לינארי, דנ”א מסועף לא נוטה לשכפל את עצמו בקלות. ובכל זאת, בשנת 2003 הצליחו ויליאם מ' שיה, ג'ואל ד' קוויספ וג'רלד פ' ג'ויס ממכון המחקר סקריפס בלה-הויה שבקליפורניה להתקדם צעד ראשון ומרגש לקראת מבני-דנ”א המשכפלים את עצמם. הם בנו אוקטהדר מגדיל אחד ארוך של דנ”א (1,700 בסיסים בקירוב) וחמישה גדילים “מסייעים” קצרים שהשלימו את ההרכבה. כל צלע של האוקטהדר בנויה משני סלילים כפולים של דנ”א הכרוכים זה בזה – סדרות של מולקולות DX ו-PX. אורך כל צלע כ-14 ננומטרים, או בערך ארבעה ליפופים של הסליל הכפול. אוקטהדר מקופל אינו מסוגל להשתכפל, אבל כשהוא פרוס אפשר להעתיק את הגדיל הארוך מיליוני פעמים באמצעות התהליך הביוטכנולוגי השגרתי הקרוי PCR (תגובת שרשרת של פולימראז). קיים עדיין מרחק עצום בין ההישג הזה לבין יכולת השכפול של כל יצור חי, אבל כשנחגוג את יום השנה המאה לתגליתם של ווטסון וקריק יהיו בידינו מכונות מבוססות דנ”א המסוגלות לשכפל את עצמן אף הן.