יצורי פלנקטון חד-תאיים יביאו לפריצת הדרך בננו-יצור של שבבי מחשב

הצורניות הן יצורים חד-תאיים השוכנים באוקיאנוסים, באגמים ואפילו בבוץ. הן יוצרות מסביב לעצמן קונכיות בצורות מורכבות שונות, המקיפות אותן מכל הכיוונים. ומכל היצורים בעולם, יתכן שדווקא היצורים הקטנטנים האלו יביאו למהפכה הבאה ביצור שבבי מחשבים

אם ניקח מלוא החופן חול מחוף הים ונסתכל בו בעזרת המיקרוסקופ, נגלה למול עינינו המשתהות עולם ומלואו. גרגרי החול הקטנים והפשוטים מורכבים למעשה מאלפי שברים של קונכיות מעוצבות לתפארת. תחת עדשת המיקרוסקופ נגלה צריחי קתדרלות נישאים, צורות גאומטריות מורכבות, מניפות מתפרשות ועוד קונכיות רבות אחרות. רובן שייכות ליצורים הנקראים צורניות. קיימים יותר מ- 100,000 מינים שונים של צורניות, ולכל אחד מאותם המינים קונכייה שונה וייחודית.

הצורניות הן יצורים חד-תאיים השוכנים באוקיאנוסים, באגמים ואפילו בבוץ. הן יוצרות מסביב לעצמן קונכיות בצורות מורכבות שונות, המקיפות אותן מכל הכיוונים. ומכל היצורים בעולם, יתכן שדווקא היצורים הקטנטנים האלו יביאו למהפכה הבאה ביצור שבבי מחשבים.

הצורניות בונות את דפנות הקונכיות הקשות שלהן על-ידי יצור ומיקום שורות תת-מיקרוניות של סיליקה – צורן דו-חמצני המשמש גם כחומר מפתח בתעשיית המוליכים-למחצה. “אם נוכל לשלוט בתהליכים האלה בצורה גנטית, תהיה לנו דרך חדשה לגמרי לייצר שבבי מחשבים בגדלי הננו,” אומר מיכאל זוסמן, פרופסור לביוכימיה באוניברסיטת וויסקונסין-מדיסון.

על מנת להגיע למטרה זו, קבוצת מחקר בראשות זוסמן ווירג'יניה ארמברוסט – מומחית לצורניות מאוניברסיטת וושינגטון – דיווחו על מציאת סדרה של גנים המעורבים ספציפית ביצור הסיליקה ובעיבודה בצורנית תאלאסיוסירה פסאודונאנה. המחקר פורסם היום במהדורה המקוונת המוקדמת של PNAS.

הנתונים החדשים יאפשרו לזוסמן להתחיל לתפעל את הגנים האחראיים על יצור סיליקה, ובתקווה לנצל אותם ליצור שורות סיליקה על שבבי מחשבים. התקדמות זו ביצור השבבים תוכל להגדיל את מהירות העיבוד במידה רבה, לפי זוסמן, מכיוון שצורניות מסוגלות להפיק קווי סיליקה דקים בהרבה משהטכנולוגיה הנוכחית מאפשרת.

“תעשיית המוליכים-למחצה הצליחה להכפיל את צפיפות הטרנזיסטורים על שבבי מחשב כל מספר שנים. הם עשו זאת ע”י שימוש בטכניקות של פוטו-ליתוגרפיה (המערבות שימוש בלייזר עוצמתי) ב- 30 השנים האחרונות,” מסביר זוסמן. “אך הם מתקרבים עכשיו לגבול הרזולוציה של האור הנראה.”

עד שזוסמן החליט להתעניין בכישורי ההנדסה של הצורניות, עיקר העניין בהן הגיע מצד אקולוגים שניסו להעריך את תפקידן במחזור הפחמן של כדור-הארץ. הצורניות הקטנות משיגות את האנרגיה הדרושה לקיומן באמצעות פוטוסינתזה, שמנצלת את הפחמן הדו-חמצני באוויר ובמים וכאשר הן מתות הן שוקעות לקרקעית האוקיאנוס. הן מנקזות 20% מהפחמן הדו-חמצני שבאטמוספירה מדי שנה. כמות דומה של פחמן דו-חמצני מנוקזת מהאטמוספירה מדי שנה על-ידי כל יערות הגשם יחדיו.

אך המחקר על הצורניות חשף אפשרויות מרתקות אחרות. כאשר זוסמן למד על הצורניות, הוא הופתע לגלות אודות המגוון העצום הקיים בקונכיות השונות. הוא הבין כי חייבים להיות מנגנונים ייחודיים השולטים על ריצוף מולקולות הסיליקה ליצירת תבנית הקונכייה הייחודית לכל מין.

על מנת לקבוע אילו גנים מעורבים בעיצוב הקונכיות השונות, צוות המחקר השתמש בשבב דנ”א שפותח ע”י זוסמן, פרנקו קרינה ופרד בלאטנר – מהנדס חשמל וגנטיקאי, בהתאמה. ביחד, יסדו השלושה את חברת הביוטכנולוגיה NimbleGen. השבב איפשר לשלושת המדענים לגלות מיהם הגנים המעורבים בתהליכים תאיים שונים. במקרה זה, השבב זיהה גנים שהגיבו כאשר הצורניות גודלו ברמות נמוכות של חומצה סיליקית – חומר הגלם בו הן משתמשות ליצור סיליקה.

הרמות הנמוכות של החומצה הסיליקית פירושן למעשה שהצורניות הורעבו. במצב זה של רעב קיצוני לחומר הגלם לסיליקה, 30 גנים 'השתגעו' והתחילו לפעול יתר על המידה. מתוכם, 25 גנים הם חדשים לגמרי ואינם דומים לגנים ידועים אחרים.

“קיימים 13,000 גנים באורגניזם. עכשיו שאנו יודעים כי קיימת סבירות גבוהה ש- 30 הגנים שלנו מעורבים בעיבוד סיליקה, אנו יכולים להתמקד בהם ולהתחיל לתפעל ולשנות אותם בעזרת הנדסה גנטית ולראות מה קורה,” אומר זוסמן.

אם וכאשר תגיע הטכנולוגיה המבוססת על תפעול גני הצורניות לישום מלא, הרי שהיא תחולל מהפיכה – ולא רק בתחום המוליכים-למחצה. אותם גנים מקודדים לאנזימים – ננו-מכונות בגודל של מולקולות בודדות – המסוגלות להפוך את החומצה הסיליקית למולקולות בודדות של סיליקה ולרצף אותן בצורה שתקבע על-ידי מתכנתי הצורניות. הצורניות המשועבדות יוכלו ליצור למעשה כל צורה תלת-מימדית מסיליקה. זה עתיד להיות הצעד הראשון במהפכה הננו-טכנולוגית המתפעלת מולקולות ואטומים בודדים. הצלחת הפרוייקט תביא לחיפוש אחר חד-תאיים אחרים המכילים אנזימים המסוגלים לשנע ולרצף מולקולות אחרות, ולא רק סיליקה. גילויים של אנזימים כאלו והבנת תפקודם תביא לכך שנוכל בעתיד לייצר חומרים חזקים, נטולי פגמים ומורכבים ביותר, בצורה זולה ויעילה, אטום אחר אטום.

לידיעה באתר אוניברסיטת וושינגטון

קישורים לתמונות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של צורניות :
קישור 2
קישור 3