סיקור מקיף

ננו-צינוריות מדנ"א: אבני-הבניין של החיים

חוקרים בקאלטק הצליחו ליצור אבני-בניין מדנ"א, המסוגלות להתחבר זו לזו וליצור מבנים הניתנים לתכנות, כגון צינוריות בקטרים שונים

ננו שפופרות פחמן. (מקור: ויקיפדיה)
ננו שפופרות פחמן. (מקור: ויקיפדיה)

תלים גבוהים של מאמרים וספרים נכתבו כבר על חזון המכונות הננו-טכנולוגיות. מכונות אלו יהיו בגודל של מספר ננו-מטרים – מיליארדית המטר – ומליונים מהן יוכלו להצטופף על קצה האצבע. אך קיים קושי רב ביצירת רכיבי המכונות בגדלים אלו, בין אם אלו המוטות, המסבים וכל שאר החלקים המרכיבים מכונה פועלת. הקושי מגיע מכך שאיננו יכולים לתפעל, ואפילו בפינצטות העדינות ביותר, את המולקולות הזעירות המרכיבות את המכונות התיאורטיות.

כדי להתגבר על הבעיה הוצע פתרון העובד בכל התאים החיים. מושג ה- 'הרכבה העצמית' מתאר תהליך בו מולקולות מתחברות זו לזו מאליהן, ליצירת מבנים מורכבים ביותר המסוגלים לפעול במגוון דרכים. שני היתרונות הבולטים בתהליך זה הם הקטנת האנרגיה הדרושה לתהליך הבניה, וחוסר-הצורך להתערב פיזית בתהליך היצירה. צריך רק לשים את הרכיבים הנכונים בתמיסה, והם יתחברו מעצמם ליצירת המבנים הנכונים, בהתאם לתכנון. ניתן לחשוב על כך כאבני לגו המתחברות מעצמן ליצירת המבנה הסופי. תופעה זו מתרחשת רק בגודל הננו-מטרי, שם אבני הבניין המולקולריות 'מנסות' כל העת להתחבר אחת לשניה, ורק התצרפים הנכונים נותרים בסופו של תהליך.

מדענים בקאלטק – המכון לטכנולוגיה של קליפורניה – פיתחו לאחרונה אבני בניין חדשות בגודל ננו-מטרי, המסוגלות להתחבר זו לזו וליצור ננו-צינוריות בגדלים שונים. אבני-הבניין החדשות עשויות מאחד החומרים הביולוגיים הנפוצים ביותר בעולם: הדנ"א.

דנ"א נחשב מאז ומתמיד לחומר בניה אידיאלי עבור הרכבה עצמית. שני גדילי דנ"א תואמים יכולים לזהות אחד את השני ולהידבק זה לזה. מחקרים קודמים כבר הדגימו כי ניתן להשתמש בדנ"א ליצירת אבני-בניין קשיחות הידועות כ- 'רעפים' (tiles). רעפים אלו יכולים להתחבר זה לזה ליצירת מבנים מורכבים יותר, כגון צינוריות. למרות שהתהליך הודגם בהצלחה, כמעט ולא ניתן היה לשלוט בקטרים השונים של הצינוריות המתקבלות.

הרעפים החדשים שנוצרו בקאלטק מורכבים מגדיל יחיד של דנ"א באורך של 42 בסיסים בדיוק, עם ארבעה אתרי קשירה נפרדים. האתרים מסוגלים להיקשר זה לזה באוריינטציה מסויימת, בדומה לאבני לגו. בעזרת תכנון נכון של הרעפים ניתן להביא להרכבה עצמית של צינוריות בגדלים שונים. קוטרה של הצינורית המתקבלת נקבע לפי מספר הרעפים השונים המשתתפים בבנייתה. לדוגמא, ארבעה רעפים יוצרים צינורית שקוטרה 12 מיליארדיות המטר (12 ננו-מטרים). חמישה רעפים יוצרים צינורית בקוטר 15 ננו-מטר, ושישה רעפים יוצרים צינורית בקוטר 18 ננו-מטר.

"איננו הראשונים ליצור צינוריות דנ"א עם שליטה על הקוטר," אומר פנג יין, חוקר במסגרת פוסט-דוקטורט במרכז קאלטק לתיכון מעגלים ביולוגיים ואחד מעורכי המחקר. "אבל בהשוואה לגישות קודמות, השיטה שלנו במפורש פשוטה ומודולרית." המודולריות של השיטה מאפשרת לתכנן צינוריות באמצעות מערכת הפשטה גרפית פשוטה, שפותחה גם היא בקאלטק בשנה האחרונה.

ננו-צינוריות בקטרים שונים יכולות לשמש לבניית מגוון רחב של ננו-מבנים ולשימושים רבים. התכונות המכניות של הצינוריות משתנות בהתאם לקוטר. כך, לדוגמא, צינוריות דקות גם גמישות יותר, וצינוריות רחבות הן גם נוקשות יותר. הננו-צינוריות עשויות לשמש גם ליצור ננו-חוטים להולכת אלקטרונים, ולקוטרן יש השפעה גם על תכונות ההולכה שלהן.

"ההבטחה הטמונה בגישה הפשוטה של הרעף החד-גדילי היא ביצור מערכות מולקולריות סבוכות יותר מאי-פעם, בשיטה של הרכבה עצמית. עבודה זו אלגנטית ושימושית באותה העת." אומר אריק ווינפרי, פרופסור חבר במדעי המחשב, חישוביות ומערכות נוירליות וביו-הנדסה בקאלטק. עיקר המחקר נעשה במעבדתו של ווינפרי בקאלטק.

המחקר התפרסם בכתב-העת המדעי היוקרתי Science, תחת השם Programming DNA Tube Circumferences, ונחשב לצעד חשוב נוסף בדרך להגשמת חזון הננו-טכנולוגיה ויצירת מכונות ומבנים ננו-מטריים.

לידיעה באתר קאלטק

2 תגובות

  1. לא הבנתי כלום ממה שרשום-במיוחד-במה זה רלוונטי לחיינו-בשפה פשוטה, שמי שהוא לא מדען יוכל להבין.
    תרשמו שרק מדענים מבינים את הנאמר…..

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן