פיתוח חדש על בסיס דנ”א יאפשר לבודד בעתיד אטומים ויונים

המלקחיים שיצעידו את הרובוטים קדימה

ראו בהמשך עדכון לתאריך 21/8/2000

חוקרים ממעבדות בל ואוניברסיטת אוקספורד עיצבו לראשונה מלקחיים זעירים הבנויים מדנ”א. מטרת פיתוחם של המלקחיים, הקטנים בחמישה סדרי גודל מראש של סיכה, היא למשל לבודד ולהוציא אטום אחד מתוך 30 טריליון החלקיקים שמכילה טיפת מים אחת.

עיקרון פעולת המלקחיים מבוסס על המנגנון הביולוגי של הדנ”א: מולקולת דנ”א נראית כמו סליל כפול המורכב משני גדילים, שכל אחד מהם בנוי מתת יחידות הנקראות בסיסים. הגדילים מתחברים זה לזה רק כשיש בין זוגות הבסיסים שלהם התאמה מושלמת. בסיס המלקחיים הוא למעשה מולקולה רגילה של דנ”א, כאשר כל גדיל מתפקד כזרוע. בקטע מסוים מתחבר לשתי הזרועות גדיל שלישי מקופל שמונע מהן להתחבר זו לזו ופורש את שתי הזרועות לצדדים. לשתי הזרועות הפרושות מתחבר גדיל רביעי, מקופל גם הוא, שמשלים את יצירת המלקחיים, ולמעשה לא מותיר אף גדיל דנ”א חשוף. זאת, על מנת למנוע את הידבקותן של 2 הזרועות בחזרה לכדי סליל כפול.

לדברי ד”ר ברנרד יורק ממעבדת בל, העומד בראש צוות המחקר, בבוא היום עשויים המלקחיים גם לבודד ולשלוף יונים – אטומים שהוציאו או הוסיפו להם אלקטרונים – ואלה יסייעו בבניית מבנים מולקולריים, וכן יאפשרו (בעזרת כוחות חשמליים, הפרשי ריכוזי היונים וכו') את תנועתן של מכונות זעירות, כגון רובוטים. לדבריו, מעבדת בל – חלק מחברת “לוסנט טכנולוג'יס” – אמנם לא מתעניינת באופן ישיר ברעיון המלקחיים, אלא בהדגמת המנגנון בו שני הגדילים מתחברים זה לזה באופן עצמאי, ללא עזרים חיצוניים. הוא מסביר שזו ההוכחה כי בעתיד ניתן יהיה לחבר רכיבים אלקטרוניים למולקולה דו-גדילית של דנ”א, והגדילים יתחברו ליצירת מחשב מהיר ובעל קיבולת אגירת מידע גבוהה בהרבה מזו הקיימת במחשבים היום.

ההתקדמויות המהירות בתחום ההיי-טק שיפרו מאוד את הזיכרון של שבבי המחשב, אך לדברי מומחים, בסופו של דבר נגיע לקצה גבול היכולת של פיתוח רכיבים אלקטרוניים בטכנולוגיה הקיימת, ואז נהיה מוכרחים למצוא דרכים חדשות ויעילות יותר לאגירת מידע. הדנ”א הוא האמצעי הטבעי לאגירת כמויות אדירות של מידע בשטח זעיר: הרווח בין הבסיסים בכל אחד מהגדילים הוא 0.34 ננומטר (מיליארדית המטר). גודלם המינימלי של המכשירים הטכנולוגיים הזעירים היום הוא כ-100 ננומטר.

פיתוח המלקחיים הוא חלק מניסיון ראשוני להשתמש בדנ”א כפיגום אלקטרוני, ממנו יפותחו בעתיד מחשבים מיקרוסקופיים או רובוטים זעירים שיוכלו לנוע במערכת הדם ולרפא פציעות. בעבר כבר פותחו מבנים תלת ממדיים מדנ”א, כמו מתגים מכניים שנכבים ונדלקים בכל פעם שמתווסף חומר כימי לתמיסת הדנ”א. השנה רשמה חברת הביוטכנולוגיה “ננוגן” פטנט לדנ”א הצבוע צבעים פלורסנטיים היוצר זיכרון אופטי שיכול לאגור מידע רב יותר מתקליטור.

ואולם, מומחים סבורים כי יחלפו לפחות עשר שנים לפני שיהיה אפשר להיעזר בדנ”א לפתרון בעיות יומיומיות. לדברי מומחים אחרים, אף ייתכן כי יסודות כימיים אחרים יתגלו כיעילים יותר מדנ”א לאותם שימושים. הפרופסור לכימיה ג'יימס טור, מאוניברסיטת רייס, אומר שהעבודה עם דנ”א תהיה אולי “מעבדת ניסויים חביבה, אך לא ברור עד כמה זה מעשי”. לדבריו, קיימות בעיות בסיסיות בעבודה עם דנ”א: הוא פועל טוב יותר בסביבה נוזלית, ואינו מוליך טוב – דבר שמגביל את חיבור הרכיבים האלקטרוניים אליו.
{הופיע בעיתון הארץ, 14/8/2000}
עדכון 21/8/2000
מתג מיקרוסקופי”, שעימו, כך הם טוענים, ניתן לתכנת מולקולות כשם שמתכנתים מחשבים, בטכניקה הידועה כ-“מיכון מולקולרי”,כך מדווח אתר החדשות E-commerce Times. “המחשב המולקולרי” יאפשר לנו לבצע פעולות שטרם עלו בדמיוננו”, אומר ג'יימס הלס מאוניברסיטת UCLA.

על בסיס ההנחה כי כל מערכת מחשב בנויה מגופים קטנים שבאפשרותם להיות במצב של “פועל” או “כבוי”, מבקשים החוקרים לבנות בעתיד סדרה של מולקולות שיבצעו פעולות לפי “תכנות” באמצעות זרמי חשמל או חשיפה לאור. החוקרים איתרו מולקולה בשם קאטנן (Catenane), הבנויה משני מעגלים של אטומים בודדים. השפעות חיצוניות, כמו אור או הפרעה חשמלית, גורמות לשני המעגלים להיפרד, ובכך לשוות למולקולה דימוי של “כבויה”.

בתחילת החודש, יצרה קבוצת חוקרים ממעבדות בל ומאוניברסיטת אוקספורד, מנוע מולקולרי זעיר במיוחד, כה זעיר עד כי 30 טריליונים כמותו יכולים להיכנס לטיפת מים אחת. הטכנולוגיה החדשה, המכונה נאנו-טכנולוגיה, עדין בשלבי ינקותה, אולם מדענים צופים לה פוטנציאל רב. לא מכבר פיתחו המדענים,גירסה של ה”מתג” המולקולרי לשימוש חד פעמי, או בסביבה בה הטמפרטורה הנה נמוכה. הפרסום מסוף השבוע האחרון מתייחס ל”גירסה” שעימה ניתן לבצע שימוש חוזר והיא עמידה בטמפרטורת החדר.

חברות רבות בעולם, וביניהן IBM, מוטורולה ו-Hewlett-Packard (HP) הנן בין החברות המובילות במערך הניסיוני של האלקטרוניקה המולקולרית. הממשל האמריקאי משקיע משאבים רבים בפיתוח הנאנו-טכנולוגיה, ומדווח על העברת כ-500 מיליון דולר בשנה לפיתוח בנושא זה.

מספר מחקרים בנושא מצביעים על כך שבעתיד יוכלו כמיליארד מעגלים מולקולריים להתקרב אחד לשני בעזרת תגובה כימיקלית, וליצור גוף אחד. המשמעות היא פיתוח יכולת לייצור שבבים אשר תפחית באופן משמעותי את עלויות הייצור ותשפר את יכולת הביצוע , לעומת המחשבים של היום המבוססים על מרכיבי הסיליקון. בנוסף, יאפשרו המחשבים המבוססים על המיכון המולקולרי אחסון אמין יותר של מידע מזה המקובל כיום. יתרונם יהיה גם בגודלם הזעיר, המאפשר לשזור אותם בפרטי לבוש או ליצור רובוטים זעירים, המסוגלים לשייט בתוך גוף האדם ולרפא פציעות.
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~292429773~~~28&SiteName=hayadan