שכפול עצמי לשם פיתוח חומרים חדשניים

התגלית החדשה מהווה את הצעדים הראשונים לעבר תהליך כללי של שכפול עצמי של מגוון נרחב של מבנים

מדענים מאוניברסיטת ניו-יורק הצליחו להכין מבנים מלאכותיים המסוגלים לבצע שכפול עצמי, תהליך שטמון בו הפוטנציאל לפיתוח סוגים חדשים של חומרים. בעולם הטבע, שכפול עצמי קיים בכל היצורים החיים, אולם היכולת לשכפול עצמי מעשה ידי אדם הייתה עד כה יעד חמקמק. התגלית החדשה מהווה את הצעדים הראשונים לעבר תהליך כללי של שכפול עצמי של מגוון נרחב של מבנים. מבנים אלו מבוססים על אבני הבניין של הדנ"א, המתפקדות כאותיות המתארגנות ליצירת מילה מוגדרת. תהליך השכפול משמר את רצף האותיות ואת צורת
המחקר, שנערך על-ידי חוקרים מהמחלקות לכימיה ולפיסיקה באוניברסיטת ניו-יורק, מופיע בגיליון האחרון של כתב-העת המדעי היוקרתי Nature.

בתהליך זה טמונה הבטחה רבה ליצירתם של חומרים חדשים. הדנ"א הינו מבנה תפקודי יציב המסוגל לארגן את עצמו וכן מולקולות נוספות לכדי מבנים מורכבים. לאחרונה, דנ"א משמש גם לסידורו של חומר אי-אורגני כגון חלקיקים מתכתיים. החיקוי במעבדה של תהליך ארגון טבעי זה על-ידי מדעני אוניברסיטת ניו-יורק מוליד את הסיכוי לפיתוח סופי של חומרים המשכפלים את עצמם ואשר כוללים מגוון נרחב של תבניות המסוגלות לבצע שלל תפקידים. פריצת הדרך שהשיגו החוקרים היא השכפול של מערכת הכוללת מידע מורכב. לפיכך, השכפול של חומר זה, בדומה לזה של הדנ"א המצוי בתא, אינו מוגבל לתבניות חוזרות ונשנות.

על מנת להדגים את תהליך השכפול העצמי הזה, החוקרים יצרו אבני-בניין מלאכותיות דמויות דנ"א – מערכים קצרים וננומטרים של דנ"א. כל אבן בניין מתפקדת כאות – A או B – המזהה ונקשרת לאותיות משלימות A' או B', בהתאמה. בעולם הטבע, תהליך השכפול של הדנ"א כולל התאמה משלימה של ארבעה בסיסים – אדנין הנקשר לתימן וגואנין הנקשר לציטוזין – לשם יצירת הסליל הכפול המוכר לכולנו. בניגוד לכך, החוקרים פיתחו אבני-בניין מלאכותיות המכונות BTX ( Bent Triple Helix = מולקולות סליל משולש כפוף המכילות שלושה סלילים כפולים של דנ"א) כאשר כל מולקולת BTX כזו מורכבת מעשרה סלילי דנ"א. שלא כמו הדנ"א, צופן ה- BTX אינו מוגבל רק לארבע אותיות – בעיקרון, הוא מסוגל לכלול מיליוני מיליונים של אותיות שונות ואבני-בניין הנקשרים זה לזה תוך ניצול יכולת ההתאמה וההשלמה של ארבעה סלילי דנ"א נפרדים, או כפי שהם מכונים "קצוות דביקות", ליצירת מבנה שש-סלילי.

על מנת לקבל את השכפול העצמי של מערכי מולקולת ה- BTX יש צורך בגרעין ראשוני המזרז את הבנייה של מערכים זהים רבים נוספים. גרעין זה מורכב מרצף של שבע אבני-בניין – עולם של שבע אותיות. על מנת ליזום את תהליך השכפול העצמי הגרעין מוכנס לתמיסה כימית, שבה הוא מסתדר באופן משלים ליצירת "מערך בת" – עולם של מבנים משלימים.

בשלב הבא מערך הבת מופרד מהתמיסה באמצעות חימומה לכארבעים מעלות צלזיוס. תהליך זה חוזר על עצמו שוב ושוב. מערך הבת נקשר לאבני-הבניין המשלימות שלו ליצירת מערך "נכד" וכך מתקבל תהליך של שכפול עצמי של החומר ושל המידע המצוי בגרעין ההורה – ובכך משכפלים את הרצף המקורי. תהליך זה שונה משמעותית מתהליך השכפול המתרחש בתא, מאחר ולא נעשה כל שימוש במרכיבים ביולוגיים, ובמיוחד באנזימים, ואפילו הדנ"א הינו מלאכותי.

"זהו השלב הראשון בתהליך ליצירת חומרים מלאכותיים המשכפלים את עצמם ובעלי הרכבים מגוונים", אומר פרופסור Paul Chaikin מהמחלקה לפיסיקה באוניברסיטת ניו-יורק ואחד מהשותפים לכתיבת המאמר. "האתגר הבא הוא ליצור תהליך שבו השכפול העצמי מתרחש לא רק למספר דורות, אלא שיהיה מספיק ממושך כך שתתקבל גדילה מעריכית."

למרות ששיטת השכפול שלנו מחייבת מספר מחזורי תהליכים תרמיים וכימיים, הצלחנו להדגים כי ניתן לשכפל לא רק מולקולות כדוגמת דנ"א או רנ"א תאי, אלא גם מבנים מוגדרים שיוכלו בעיקרון להתארגן בתורם לצורות שונות רבות, בעלות תכונות תפקודיות שונות ואשר תוכלנה להיקשר לסוגים רבים ושונים של צורונים כימיים," אמר Nadrian Seeman, פרופסור במחלקה לכימיה באוניברסיטת ניו-יורק ואחד מהשותפים לכתיבת המאמר.

הידיעה על המחקר