פריצת דרך בטכניון: חוקרים יצרו מתג חשמלי ממולקולת ד-נ-א

כשביולוגיה הופכת לאלקטרוניקה

יובל דרור, הארץ, וואלה!

בניית מתג חשמלי במולקולת ד-נ-א

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

פריצת דרך בתחום האלקטרוניקה המולקולרית נרשמה באחרונה בעקבות מחקר של חוקרים מהטכניון שהצליחו להראות, לראשונה, כיצד מולקולת ד-נ-א יוצרת מתג חשמלי (טרנזיסטור) בסיסי. תוצאות המחקר, שפורסמו אתמול במגזין ,Science מדגימות לראשונה כיצד ניתן לרתום מולקולות ליצירת מעגלים חשמליים. “הצלחנו להוכיח שאלקטרוניקה המבוססת על ד-נ-א אינה בדיונית”, אמר פרופ' ארז בראון מהפקולטה לפיסיקה בטכניון, שהנחה את המחקר.

המחקר הוא חלק מעבודת הדוקטורט של ד”ר כנרת קרן בהשתתפות פרופסור אורי סיוון, ד”ר יבגני בוכשטב ורותם ברמן. בראיון ל”הארץ” הסביר פרופ' בראון כי בניית הטרנזיסטור היא חלק מפרויקט בן שש שנים. “המטרה שלנו היא לנצל את התכונות הטבעיות של מולקולת הד-נ-א, כך שהאינפורמציה המקודדת בה תאפשר בנייה עצמית של טרנזיסטור”, אמר. השלב הראשון בפרויקט התקיים ב-,'98 אז פיתחו החוקרים – בשיתוף פרופ' יואב אישן מהפקולטה לכימיה בטכניון – שיטה שבאמצעותה הפכו את מולקולת הד-נ-א לחוט המסוגל להוליך חשמל, על ידי ציפויו בכסף ובזהב.

אלא שכדי לייצר טרנזיסטור שפועל כמתג חשמלי היה צורך בפיתוח נוסף. החוקרים השתמשו בתהליך ביולוגי בסיסי המאפשר בטבע ערבוב של גנים ויצירת גנים חדשים. “לקחנו את חלבון ''RecA מחיידק שתפקידו להיצמד למקטע במולקולת הד-נ-א ולהחליף אותו במקטע בעל רצף דומה ממולקולת ד-נ-א אחרת”, מסביר בראון. “על החלבון הרכבנו גדיל קצר של ד-נ-א. החלבון הופך ל'נהג' שמסיע את הגדיל הקצר ומרכיב אותו בנקודה מסוימת על הגדיל הארוך”.

לדברי בראון, לחוקרים הסתבר כי החלבון מגן על האתר שאליו הוא התחבר. “הגנה זו גורמת לכך שבאתר הזה לא תיווצר מתכת. כך השגנו חוט מתכת שבאמצע שלו מופיע החלבון שעליו אין מתכת. זו התקדמות משמעותית מכיוון שהיא מאפשרת לנצל את המידע ברצפי הד-נ-א”, אומר בראון.

אלא שגם זה לא מספיק ליצירת מתג חשמלי. החלבון אינו משמש כמוליך למחצה והיה צורך להשתמש בחומר שיתחבר אל “אתר החלבון” ויעביר חשמל על פי הוראה. במאמר שמתפרסם ב-Science מתארים החוקרים כיצד התגברו על הבעיה. הם החליטו להשתמש בשפופרת פחמן ננו-מטרית שלה תכונות רבות, ובין השאר ניתן להשתמש בה כמוליך למחצה. “הבעיה היא כיצד תגרום לשפופרת להתלבש על החלבון. הרי לא נרצה לעשות זאת באופן ידני”, אומר בראון. החוקרים השתמשו במנגנון נוסף של הטבע – הנוגדנים. נוגדן הוא חלבון שיודע להתחבר לחלבון אחר כדי לנטרל אותו. החוקרים השתמשו בנוגדן שיודע להתחבר לחלבון שנמצא על הד-נ-א וחיברו אותו לשפופרת הפחמן בעזרת חלבון עזר נוסף. בכך יצרו בפעם השנייה “נהג” ה”מסיע” את השפופרת בדיוק לנקודה הנכונה.

“כעת יש לנו חוט מתכת שבאמצע שלו חלבון שעליו התיישבה שפופרת פחמן”, מתאר בראון. “כששמנו את החוט הזה על מצע סיליקון והעברנו דרכו מתח חשמלי (המכונה “מתח השער”) הצלחנו לגרום לגדיל הד-נ-א עם שפופרת הפחמן לשמש כמתג אלקטרוני: פעם אחת הוא מעביר חשמל, כלומר המתג סגור ופעם אחת אינו מעביר חשמל, כלומר המתג פתוח”.

הישג החוקרים מרשים במיוחד כשלוקחים בחשבון שעד כה הצליחו חוקרים בעולם לייצר טרנזיסטור אלקטרוני מולקולרי על דרך המקרה: הם מרחו תמיסה שבתוכה שפופרות פחמן על משטח וקיוו שבאקראי יתחברו כמה שפופרות באופן שיאפשר להשתמש בהן כמעגל חשמלי. “אנחנו עושים דבר אחר לגמרי”, מדגיש בראון. “אנחנו שופכים את המרכיבים לתמיסה; גדיל ד-נ-א ארוך, גדיל ד-נ-א קצר עם חלבון, שפופרות פחמן, ותוך כמה דקות נוצר בתוך התמיסה המעגל החשמלי, וזאת, תוך ניצול התכונות המיוחדות של כל הרכיבים שהשלכנו לתמיסה”.

לדברי בראון, יצירת מתג חשמלי בסיסי המתארגן באופן עצמאי
מחלבונים ושפופרות פחמן הוא הצעד הראשון בדרך לבניית מעגלים חשמליים ומערכות אלקטרוניות מורכבות יותר. “על אלקטרוניקה מולקולרית מדברים כבר 30 שנה. התחלנו לעבוד על הנושא לפני שש שנים ורק עכשיו הצלחנו לייצר את המתג החשמלי הראשון על בסיס מולקולות ביולוגיות. מדובר בתהליכים ארוכים ואולם נראה שהצלחנו להתגבר על המשוכה הראשונה בדרך למעגלים אלקטרוניים שמתארגנים בעצמם. כעת ננסה לייצר מעגלים מורכבים יותר, רשתות וצמתים של טרנזיסטורים המורכבים מד-נ-א וכן לגרום לכך שמולקולת ד-נ-א נוספת תהיה זו שאחראית על מיתוג הטרנזיסטורים, ולא מצע הסיליקון שדרכו מועבר המתח החשמלי. במידה ונצליח לעשות זאת, אז תהיה התקדמות אמיתית”.

המירוץ אל המזעור

מאת יובל דרור

הדור הראשון של האלקטרוניקה המודרנית החל עם המצאת שפופרת הריק והטריודה, שאיפשרו את פיתוח המחשבים הראשונים בשנות ה-30 וה-40 של המאה שעברה. מאוחר יותר הומצא הטרנזיסטור שהשימוש בו איפשר למזער התקנים אלקטרוניים שהפכו למהירים וזולים. אלא שהאלקטרוניקה מגיעה במהירות לקצה גבול הדחיסה והמזעור שלה ולכן החל מאמץ מחקרי לבסס מערכות אלקטרוניות חדשות על מולקולות.

המולקולות הן מועמד טבעי לדור הבא בשל גודלן הזעיר. החוקרים יודעים כי אם יצליחו לבנות טרנזיסטור – הנחשב למרכיב הבסיסי ביותר בכל מערכת אלקטרונית – בממדים כה זעירים, יעניקו למכשירי האלקטרוניקה תכונות חדשות שיאפשרו להם לעבוד במהירות וביעילות רבה יותר.

מולקולות הד-נ-א הן המתאימות ביותר לבניית מעגלים אלקטרוניים מולקולאריים, שכן הן מכילות כמויות גדולות של מידע מקודד. מטרת החוקרים היא להשתמש במידע הזה, שבמקור מיועד ליצירת מערכות ביולוגיות, ליצירת מערכות אלקטרוניות.

ידען המדע בישראל
הקלט הוא הדלק

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~694031932~~~209&SiteName=hayadan