ננו-טכנולוגית דנ”א

בעזרת מולקולות דנ”א המתפקדות בתור פיגום ארכיטקטי, מדענים הצליחו לבנות מערך אנזימטי מלאכותי תלת-ממדי המחקה מסלול ביוכימי חיוני שיוכל להיות חשוב ליישומים עתידיים בתחומי הביו-רפואה והאנרגיה.

בעזרת מולקולות דנ”א המתפקדות בתור פיגום ארכיטקטי, מדענים הצליחו לבנות מערך אנזימטי מלאכותי תלת-ממדי המחקה מסלול ביוכימי חיוני שיוכל להיות חשוב ליישומים עתידיים בתחומי הביו-רפואה והאנרגיה.

במסגרת פריצת דרך שבוצעה זה מכבר, צוות מחקר התייצב אל מול האתגר של חיקוי פעילותם של אנזימים מחוץ לסביבתם הידידותית הרגילה – בתוך התאים עצמם. אנזימים אלו מאיצים תגובות כימיות המתרחשות בגוף שלנו ומשמשות לשם הפרוק של מזון לסוכרים והמרתם לאנרגיה במהלך המטבוליזם. מדענים מאוניברסיטת המדינה אריזונה פיתחו מערך אנזימטי מלאכותי תלת-ממדי המחקה מסלול ביוכימי חיוני שיוכל להיות חשוב ליישומים עתידיים בתחומי הביו-רפואה והאנרגיה. הממצאים פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Nanotechnology.

מחקרים בתחום של ננו-טכנולוגיית דנ”א מנצלים את היתרון של תכונות הקישור של אבני הבניין הכימיים של מולקולות הדנ”א, תוך פיתול והתאגדות עצמית של מולקולות אלו לבניית מבנים דו- ותלת-ממדיים יצירתיים עבור יישומי רפואה, אלקטרוניקה ואנרגיה.

“פנינו אל הטבע לשם קבלת השראה ממנו עבור הבנייה של מערכות מולקולאריות מעשה ידי אדם שתוכלנה לחקות את הננו-מכונות המולקולאריות המתוחכמות שהתפתחו במערכות ביולוגיות, ועיצבנו בצורה מסודרת ננו-פיגומים מולקולאריים לשם השגת שכפול הביולוגיה ברמה המולקולארית,” אמר החוקר הראשי.

בתחום של אנזימים, כל החלקים הנעים חייבים להיות מתואמים בפעילותם ומבוקרים ברמה גבוהה, שאם לא כן, התגובה לא תתרחש כלל. החלקים הנעים, הכוללים מולקולות כגון המגיבים והקו-פקטורים, כולם מתאימים בדיוק רב לתוך נישת אנזים מורכבת. מרגע שכל החלקים הכימיים מוצאים את מקומם בנישה, האנרגיות השולטות בתגובה הופכות להיות מועדפות, וגורמות לתגובה הכימית להתרחש חיש מהר. כל אנזים משחרר את התוצר שלו לאנזים אחר שהוא בתורו אחראי לשלב הבא במסלול הביוכימי בגוף האדם, בדומה למקל המועבר מאצן לאצן בתחרות של ריצת שליחים.

במסגרת המחקר הנוכחי, החוקרים בחרו בזוג של אנזימים אוניברסליים,glucose-6 phosphate dehydrogenase (G6pDH) ו- malate dehydrogenase(MDH), החשובים לביו-סינתזה של חומצות האמינו, השומנים וחומצות הגרעין החיוניים כולם לחיים. לדוגמה, פגמים המתרחשים במסלול זה גורמים לאנמיה בבני-אדם. “אנזימים מקבוצת הדה-הידרוגנאזות חשובים במיוחד מאחר והם מספקים את מרבית האנרגיה של התא,” מסביר החוקר הראשי. “מחקר בתחום של אנזימים אלו יוכל להוביל לפיתוחים עתידיים של יישומים עבור ייצור אנרגיה ירוקה, לדוגמה, פיתוח תאי דלק העושים שימוש בביו-חומרים לשם ייצור דלק.”

במסגרת מסלול ביוכימי זה, G6pDH משתמש במצע של הסוכר גלוקוזה ובעזרת הקו-פקטור NAD מרחיק אטומי מימן מהגלוקוזה ואז הוא מעביר אותם לאנזים הבא בתור, MDH, היוצר בתורו חומצת פירות ואת הקו-פקטור NADH, שהוא עצמו מהווה מרכיב חיוני בתהליכי ביו-סינתזה. הכנת צמד אנזימים אלו בתוך מבחנה וקבלת האפשרות של פעילותם הנדרשת מהווים אתגר רציני בתחום של ננו-טכנולוגיית דנ”א.

על מנת לעמוד באתגר זה, החוקרים הכינו בשלב הראשון פיגום של דנ”א הנראה כמו מספר דפים המגולגלים יחדיו לכדי גליל. בעזרת תוכנת מחשב, החוקרים הצליחו לבחור את אבני הבניין הכימיים של רצף הדנ”א המתאימים ביותר כך שהפיגום ייבנה בעזרת התאגדות עצמית. בשלב הבא, שני האנזימים הנפרדים נקשרו לקצוות של גליל הדנ”א. במרכזו של פיגום הדנ”א, החוקרים הוסיפו גדיל יחיד של דנ”א שאל קצהו נקשר הקו-פקטור NAD, כעין כדור הקשור לחבל. החוקרים מגדירים את החלק הזה בתור זרוע מיטלטלת, שהינה ארוכה, גמישה וייעודית מספיק על מנת לדלג בין שני האנזימים הנפרדים.

לאחר שהמערכת נבנתה במבחנה באמצעות חימום וקירור הדנ”א, מה שמוביל להתאגדות העצמית שלו, נוספו למבחנה מרכיבי האנזימים. החוקרים אימתו את המבנה הכולל בעזרת מיקרוסקופ מתוחכם (AFM) המסוגל להבחין בננו-מבנים. בדומה לאדריכלים, המדענים בנו תחילה מודל בקנה-מידה מלא כך שהם יכלו לבחון ולמדוד את הגיאומטריה המרחבית ואת המבנים השונים, תוך שהם מוסיפים למערך חומר פלואורסצנטי זעיר המחובר לזרוע המיטלטלת. אם התגובה אכן מתרחשת כמצופה, החוקרים מסוגלים למדוד את האות של קרינה אדומה שפולט החומר הפלואורסצנטי. בשלב הבא, הם גילו כי מערכת האנזימים פועלת בדיוק כמו מערך האנזימים התאי. החוקרים גם מדדו את ההשפעה שיש לשינוי המרחק שבין הזרוע המיטלטלת לבין האנזימים – הם מצאו כי המרחק המיטבי הוא 7 ננומטרים, בנקודה שבה זווית הזרוע מקבילה לצמד האנזימים.

לאחר שהחוקרים גילו כי מערכת המבחנה בעלת הזרוע האחת פועלת בדיוק כמו המערכת הביולוגית, הם החליטו להוסיף זרועות על מנת לבחון את מגבלות המערכת עם עד 4 זרועות. הם הראו כי כל זרוע נוספת מאפשרת הגברת הפעילות של האזנים G6pDH, בעוד שהאנזים השני (MDH) הגיע למרב הפעילות שלו כאשר היו במערכת רק 2 זרועות.

השיטה החדשה סוללת את הדרך לעתיד מזהיר שבו ניתן יהיה לשכפל מסלולים ביו-כימיים מחוץ לתאים על מנת לפתח יישומים ביו-רפואיים כגון שיטות גילוי עבור אבחון מחלות ומצבים רפואיים. “יעד נשגב ושימושי יותר יהיה הבניה של מסלולי אנזימים מתוכנתים מראש על גביי ננו-מבנים של דנ”א תוך שליטה בחומרי הקלט ותוצרי הפלט. השגת יעד זה לא רק יאפשר לחוקרים לחקות את המסלולים האנזימטיים האלגנטיים המצויים בטבע תוך הבנת המנגנונים שבבסיסם, אלא שהם יוכלו גם לקדם את הבנייה של מערכים מלאכותיים שכלל לא מצויים בטבע,” אמר החוקר הראשי.

הידיעה על המחקר