החוקרים מסין נעזרו ב”ננוטכנולוגית DNA מבנית”, העושה שימוש ביחידות הכימיות הבסיסיות של הדנ”א (C, T, A, G) לשם קיפול-עצמי למספר אבני-בניין שונים המסוגלים בהמשך להתארגן יחדיו למבנים תבניתיים
בממלכה הזעירה של הננוטכנולוגיה, מדענים משתמשים במגוון נרחב של חומרים לבניית מבנים במידות אטומיות. אולם, בדיוק כמו בתחומי הבנייה, חוקרי הננוטכנולוגיה יכולים לעיתים להיות מוגבלים בכמותם הנגישה של חומרי-הגלם. עתה, החוקר Hao Yan, מהמכון לתכנון ביולוגי באוניברסיטת אריזונה הצליח להתגבר על מכשול זה בעזרת תאים המשמשים לבניית ננו-מבנים מבוססי-DNA בתוככי התא החי. הממצאים פורסמו בגרסת האינטרנט של כתב-העת Proceedings of the National Academy of Sciences.
החוקר יאן מתמחה בתת-תחום בננוטכנולוגיה הצומח במהירות והקרוי “ננוטכנולוגית ד.נ.א. מבנית”, ואשר בו משתמשים ביחידות הכימיות הבסיסיות של ה-DNA . (C, T, A, G) לשם קיפול-עצמי למספר אבני-בניין שונים המסוגלים בהמשך להתארגן יחדיו למבנים תבניתיים.
“זוהי דוגמא טובה לננו-מבנים מלאכותיים הניתנים לשכפול תוך שימוש במנגנונים הקיימים בתאים חיים,” אמר החוקר. “התאים הם היעילים ביותר בהכנת העתקים של ד.נ.א. דו-גדילי והצלחנו להשתמש בתא כבמכונת צילום ליצירת ננו-מבנים מבוססי-ד.נ.א. מורכבים מאוד.”
ננוטכנולוגיות ד.נ.א. הולידו מספר הישגים מעניינים ביותר במהלך העשור החולף. אך טכנולוגיה זו הייתה מוגבלת בשל הצורך לסנתז באופן כימי את כל החומרים מראשיתם. עד היום, זה היה מדע במבחנה בלבד, באמצעותו הצליחו חוקרים לפתח כלי-עבודה רבים להכנת ננומבנים שונים וכן לקשור ולארגן תרכובות אחרות, בכללן ננוחלקיקים ותרכובות ביולוגיות שונות.
“אם אתה צריך להכין גרם אחד של ננו-מבנה מבוסס-ד.נ.א. עליך להזמין גרם אחד של חומרי-מוצא. בעבר מדענים השתמשו בשיטות כימיות לשכפול מבני-ד.נ.א. מסועפים וכן הייתה התקדמות משמעותית בשימוש של רצפי-ד.נ.א. ארוכים שהועתקו מתוך תאים או נגיפים כפיגומים קצרים שסייעו לרצפים להצמיח עצמים דו- ותלת-ממדיים,” אומר יאן, פרופסור במחלקה לכימיה וביוכימיה באוניברסיטת אריזונה.
“תמיד חלמנו לשדרג את הננוטכנולוגיה של הד.נ.א.; דרך אחת לעשות זאת הינה ע”י השימוש במערכת התאית, מכיוון שניתן לשכפל ד.נ.א. מדויק בתוך התא. רצינו לדעת אם “מכונת השכפול” של התא תוכל לבצע זאת גם עם ננו-מבנים מבוססי-ד.נ.א. חד-גדילי המכילים מבנים שניוניים מורכבים.”
בכדי לבחון זאת, יאן ועמיתיו מאוניברסיטת ניו-יורק חזרו ויצרו מחדש את הננו-מבנה המלאכותי הראשון אי-פעם המבוסס על ד.נ.א. – “צומת הצטלבות” של ד.נ.א. בעל ארבעה זרועות בצורת צלב ומבנה דומה של צומת המורכב מטופולוגית הצטלבות אחרת.
בכדי לשכפל את הננו-מבנים המסועפים הללו בתוך תא חי, צוות המחקר החדיר תחילה את המטען לתא של חיידק. אז הם חתכו והדביקו את הד.נ.א. ההכרחי להכנת מבנים לתוך פאגאמיד (phagemid), חלקיק דמוי-וירוס שמדביק תא חיידקים. ברגע היותו בתא, הפאגאמיד משתמש בתא בדיוק כפי שמשתמשים במכונת צילום לשכפול מיליוני העתקים של הד.נ.א.; באופן תיאורטי, בהפעלת המערכת ע”י הדבקה מזהמת אחת עם פאגאמיד יחיד ומיליליטר אחד של תרבית תאים, החוקר מצא כי התאים מסוגלים לייצר טריליונים של מבנים שכאלו.
כן נמצא כי הננו-מבנים שיוצרו בתאים התקפלו באופן הנכון, בדיוק כפי שהתרחש במבחנה. לדבריו של יאן, הממצאים גם הוכיחו את קיומם החשוב של ננו-מבני הד.נ.א. במהלך מחזורי השכפול והחלוקה הרגילים של התא. “כאשר ננו-מבנה מבוסס ד.נ.א. משוכפל, הוא אכן מתקיים ומסוגל לשרוד את המנגנון התאי המורכב. ונראה כי התא מסוגל להתמודד עם סוג זה של מבנה ועדיין לעשות את עבודתו כהלכה. זה מדהים,” אומר החוקר יאן.
החוקר מכיר בכך שזהו רק הצעד הראשון, אך יחד עם זאת צופה כי המדענים ידרשו להביא בחשבון את קיומם האפשרי של מגוון גרסאות ד.נ.א. מעניינות אחרות. “העובדה כי המנגנון התאי הטבעי מסוגל להתמודד עם נגזרות ד.נ.א. מלאכותיות מסקרנת ביותר, ועדיין איננו יודעים מהו הגבול לכך.”
הקבוצה של יאן תוכל לשנות ולהביא להתפתחותם של ננו-מבנים אלו והתקנים המבוססים עליהם תוך שימוש במערכת התאית, וטכנולוגיה חדשה זו תוכל להוליד אפשרויות אחדות ליישומים של ביולוגיה סינתטית.
“אני מאוד נרגש לגביי עתידה של הננוטכנולוגיה המבוססת-ד.נ.א., אולם עדיין נותרה עבודה רבה בתחום זה. נושא מחקר מעניין שכדאי להתמיד בו הינו הממשק של ננו-מבנים מבוססי-ד.נ.א. אלו עם תאים חיים; התחום הזה מלא בהזדמנויות,” אמר יאן.
תגובה אחת
לרגע חששתי שהסינים מתחילים להתקדם מדעית, אחרי שפני כמה חודשים קראתי מאמר על איזה תגלית סינית. קריאה במאמר מסבירה שהחוקר אולי נולד בסין, אבל הוא חוקר אמריקאי לכל דבר שעובד באוניבריסטה אמריקאית. לכל מי שחושש מהשתלטות הסינית. כנראה שההודים יצליחו להשתלט על עולם הטכנולוגיה קצת יותר מהר, אם בכלל.