שימוש בדנ"א מאפשר קבלת ארגון גבישי תלת-ממדי של ננוחלקיקים

היכולת לייצר מבנים תלת-ממדיים אלו הינה חיונית להפקת חומרים תפקודיים בעלי מאפיינים סגוליים הקיימים אך ורק בקנה המידה הננומטרי הזה, כגון: מגנטיות מוגברת, פעילות קטליטית משופרת או תכונות אופטיות חדישות

בהישג, שחלק יראו בו את "הגביע הקדוש" של הננו-מדע, חוקרים מהמחלקה האמריקאית לאנרגיה במעבדה הלאומית של ברוקהייבן, השתמשו לראשונה בהצלחה בדנ"א להכווין את היצירה של מבנים תלת-ממדיים, מסודרים וגבישיים של ננו-חלקיקים (חלקיקים בעלי ממדים הנמדדים במיליארדית המטר). היכולת לייצר מבנים תלת-ממדיים אלו הינה חיונית להפקת חומרים תפקודיים בעלי מאפיינים סגוליים הקיימים אך ורק בקנה המידה הננומטרי הזה, כגון: מגנטיות מוגברת, פעילות קטליטית משופרת או תכונות אופטיות חדישות.

"ממחקר קודם, אנו יודעים כי הקשירה הבררנית הגבוהה של דנ"א יכולה לשמש כתבנית סידור לאינטראקציות בין ננו-חלקיקים," אומר אולג גאנג, מדען במרכז לננו-חומרים תפקודיים בברוקהייבן, אשר הוביל את צוות המחקר הבינתחומי ששותפו בו גם מדענים מהמחלקה לביולוגיה. "למרות שהתיאוריה חזתה, באופן מעניין, כי הדנ"א יכול להכווין ננו-חלקיקים לקבלת אזורים תלת-ממדיים מסודרים, אף חוקר לא הוכיח זאת מדעית, עד עתה." בדומה לעבודתה הקודמת של קבוצת המחקר, שיטת ההרכבה החדשה מתבססת על כוחות המשיכה העזים בין גדילי הדנ"א – התרכובת הבנויה מצמדי בסיסים הידועים באותיותיהם: A, T, G ו- C אשר נושאים בתוכם את הצופן הגנטי של היצורים החיים. תחילה, המדענים חיברו לננו-חלקיקים שלוחות דמויות-שיער של דנ"א בעלות "רצפי הכרה" של בסיסים משלימים.

בשלב הבא הם ערבבו את החלקיקים עטופי-הדנ"א בתוך תמיסה. כאשר הבסיסים המשלימים מזהים אחד את השני בתמיסה, הם נקשרים יחדיו ומחברים את הננו-חלקיקים. קישור ראשוני זה הכרחי אך לא מספיק דיו כדי להפיק את המבנה הסדור שהמדענים מחפשים. בכדי להשיג גבישים מסודרים, המדענים שינו את תכונות הדנ"א והשאילו שיטות אחדות המוכרות בתחום הגבישים הרגילים. בעיקרו, הם חיממו את החלקיקים קשורי-הדנ"א ואז קיררו אותם מחדש לטמפרטורת החדר. "שיטה זו של 'עיבוד חומני' דומה בעיקרון לשיטות המקובלות להכנת גבישים נפוצים המורכבים מאטומים," מסביר החוקר. "הדבר מאפשר לננו-חלקיקים להיפרד, להתארגן מחדש ולמצוא סידור קשרים יציב יותר."

הצוות בדק את השיטה גם עם דרגות שונות של גמישות בדנ"א, רצפי הכרה ועיצובי דנ"א שונים במטרה למצוא את התנאים המיטביים בהם הקישור מוביל לקבלת גביש יציב ביותר. תוצאות ממגוון שיטות אבחון שהופעלו במאיץ החלקיקים הלאומי המבוסס על מקור-אור, ביניהן פיזור קרני רנטגן בזווית חדה, פיזור אור דינאמי ושיטות שונות של ספקטרוסקופיות אופטיות ומיקרוסקופיה אלקטרונית שולבו יחדיו לשם חשיפת הפרטים על המבנים המסודרים תוך הבנת התהליכים המובילים אליהם. תוצאות אלו מצביעות על כך כי המדענים אכן מצאו את התנאים המיטביים ליצירת מִכְלָלי ננו-חלקיקים (nanoparticle assemblies) תלת-ממדיים בעלי סידור גבישי ארוך-טווח באמצעות דנ"א. גבישים אלו מרווחים באופן ניכר, כאשר הננו-חלקיקים עצמם מהווים רק חמישה אחוזים מנפח הסריג הגבישי והדנ"א חמישה אחוזים נוספים. "מבנה 'פתוח' זה מספק אפשרויות רבות לשינויים עתידיים, בכללם הטמעת ננו-רכיבים או ביו-תרכובות שונים, ואשר יוכלו להוביל לתכונות ננומטריות מוגברות וסוגים חדישים של יישומים," טוען החוקר.

כדוגמא, צימוד ננו-חלקיקי-זהב עם מתכות אחרות לרוב משפר את הפעילות הקטליטית שלהם. בנוסף, תרכובות-הקישור שעל הדנ"א יכולות לשמש כפיגום (scaffold) כימי להוספת תרכובות קטנות, פולימרים או חלבונים. יתרה מכך, ברגע שהגביש מתקבל הוא נותר יציב למרות מעגלים חוזרים ונשנים של חימום-קירור – מאפיין חשוב ליישומים אפשריים עתידיים.

כמו-כן, הגבישים רגישים באופן קיצוני להתפשטות חומנית – הם רגישים פי מאה יותר מחומרים רגילים, קרוב לוודאי בשל הרגישות החומנית של הדנ"א עצמו. התפשטות חומנית משמעותית זו יכולה להוות יתרון ניכר בבקרה על התכונות האופטיות והמגנטיות של החומרים, וניתן לבחון את ההשפעה היחסית עליהן כתלות במרחק שבין הננו-חלקיקים. היכולת הקלה להשפיע על שינויים רבים בתכונות החומרים החדישים הללו היא בבסיס אפשרויות היישום הרבות כגון: המרת אנרגיה ואחסונה וכן טכנולוגיית חיישנים. צוות המחקר של ברוקהייבן השתמש אומנם בחלקיקי זהב כדגם, אך לטענתו ניתן ליישם את השיטה גם עבור ננו-חלקיקים אחרים. הם צופים כי השיטה תספק מגוון רחב של גבישים ודמויי-גבישים בעלי סוגים שונים של סריגים תלת-ממדיים שיוכלו להתאים לכל תפקוד רצוי ובשלל טווחים. "עבודה זו הינה השלב הראשון להוכחת היתכנות הקבלה של מבנים מסודרים. היא מספקת מסלולי מחקר מגוונים למדענים ובשל כך היא כה מרגשת," אומר החוקר הראשי. המחקר התפרסם בגיליון 31.01.2008 של כתב-העת .Nature