با ابداع روشی جدید برای ساخت نانوساختارهای سه‌بعدی با استفاده از DNA، دانشمندان به ساخت ابزارهای دقیق‌تری برای حمل دارو، قطعات الکترونیکی و عکسبرداری زیستی نزدیک‌تر شده‌اند.

با سوار کردن «آجرهای» DNA، روش بدیعی برای ساخت نانوساختارهای سه‌بعدی بسیار پیچیده توسط محققان دانشگاه هاروارد ایجاد شده است. آجرها که شبیه تکه‌های کوچک «خانه‌سازی» هستند، قابلیت اتصال به دسته‌ی وسیعی از اشکال و پیکربندی‌ها را دارا هستند؛ بدین معنی که می‌توان از آن‌ها برای ساخت نانوساختارهای دقیق استفاده کرد. ساختارهای حاصل می‌توانند کاربردهایی در ابزارهای پزشکی تحویل دارو در بدن، کاوه‌های عکسبرداری قابل برنامه‌ریزی و حتی ساخت مدار تراشه قدرتمندتر و سریع‌تر داشته باشند.

سازه‌ای سه‌بعدی با شالوده‌ای از DNA

نانوفناوری DNA اکنون حوزه‌ای ۳۰ ساله است که با ابداع روشی به نام «اوریگامی»  جهش قابل ملاحظه‌ای نیز یافته است. این روش که به واسطه هنر ژاپنی "تا زدن کاغذ" نامیده و توسط پائول رودموند در موسسه فناوری کالیفرنیا ۲۰۰۶ ایجاد شده، شامل تا زدن رشته‌های بلند DNA به اشکالی مشخص و با طیفی گسترده است. نانوساختارهای حاصل را می‌توان به عنوان داربست یا تخته‌مدارهای مینیاتوری برای سوار کردن دقیق اجزایی همچون نانولوله‌های کربن و نانوسیم‌ها به کار برد.

اگرچه اوریگامی DNA برای ساخت اشکال دو و سه‌بعدی قوی است اما محدودیت‌های خود را دارد. برای تا زدن DNA باید چند صد «گیره» را به اطراف رشته‌های DNA متصل کرد و هر نانوساختار جدید نیاز به مجموعه جدیدی از گیره‌ها دارد. به‌علاوه، ساختارهای DNA تمایل دارند تا خودشان را به صورت تصادفی روی سطح زیرلایه آرایش دهند، همین امر تجمیع آن‌ها در مدارهای الکترونیکی را دشوار می‌گرداند.

آجرهای سازنده

گروهی به هدایت پنگ یین[1] در هاروارد، در ابتدای امسال روش خودسامان آجرهای DNA را ارایه داد. به جای آغاز از رشته‌های بلند DNA، پژوهشگران موفق به اتصال رشته‌های DNA برای ساخت ساختارهای بزرگتر شدند. در واقع، آن‌ها با کنترل برهمکنش‌های موضعی بین رشته‌ها، رشته‌های کوچک را به «پارچه مولکولی» بدل کردند. این روش مانند هر روش خودسامان DNA دیگر، از این واقعیت بهره می‌برد که چهار جفت پایه در DNA (آدنوسین (A)، تیمین (T)، کیتوسین (C) و گوانین (G)) به شکل طبیعی به نحوی برنامه‌ریزی شده‌اند که به شکلی خاص در کنار هم قرار گیرند: A تنها به T و C تنها به G پیوند می‌خورد. بنابراین گروه قادر بود تا با استفاده از چسباندن آجر DNA با طول ۳۲ پایه بر روی آجر دیگر، مجموعه‌ای از ساختارهای دوبعدی تولید کند.

اشکال سه‌بعدی

اکنون، یین و همکارانش روش خود را به سه‌بعد تعمیم داده‌اند. پژوهشگران با رشته DNA کوتاهتری –با طول پایه ۳۲- آغاز می‌کنند که دارای چهار ناحیه برای پیوند به چهار رشته DNA همسایه است. این آجرها در تمام ۹۰ درجه متصل می‌شوند و بنابراین می‌توان آن‌ها در هر سه جهت – بالا، پایین و بیرون- ساخت تا پارچه مولکولی مکعبی «اصلی» ایجاد شود که حاوی صدها آجر است. در مقایسه با ساختارهای دست‌ساز خانه‌سازی، هر ساختار DNA خودسامان می‌یابد زیرا هر آجر با دنباله‌ای مجزا کد شده که مکان نهایی آن در نانوساختار را مشخص می‌کند. هر دنباله تنها به دنباله‌های مکمل دیگر جذب می‌شود، یعنی با انتخاب دنباله‌های گوناگون می‌توان اشکال مشخصی ساخت.

بزرگترین مزیت روش جدید این است که با انتخاب آسان زیرمجموعه‌هایی از آجرهای مشخصِ مکعب اصلی، می‌توان بدون زحمت هر تعداد ساختار را ایجاد نمود. یین می‌گوید: «ما در حال حاضر بیش از ۱۰۰ شکل متفاوت را (با حفره‌ها، کانال‌ها و ویژگی‌های سطحی مختلف) به این طریق ساخته‌ایم که هر کدام از ساختارهای DNA سه‌بعدی دهه اخیر پیچیده‌تر هستند. افزون بر آن، می‌توان آجرهای DNA را اضافه، کم یا اصلاح کرد بدون این که دیگر بخش‌های ساختار متاثر شوند.»

ساختارهای پیچیده

پژوهشگران مدعی هستند که ساختارهای پیچیده ساخته‌شده به روش آن‌ها، به کاربردهای جاری نانوفناوری DNA کمک می‌کنند. یین می‌گوید: «برای مثال می‌توانیم مولکول‌های مهمان در ابزارهای کاری قرار دهیم و آن‌ها را به کاوه‌های مولکولی قابل برنامه‌ریزی، عکسبرداری زیستی و حاملان دارو بدل کنیم. همچنین از این ساختارها می‌توان برای ساخت قطعات توانمند پیچیده غیرزیستی با کاربردهای الکترونیکی و فوتونیکی سود جست.»

ساختارهای آجر DNA کاملا سنتزی هستند در حالی که اوریگامی DNA نیمه زیستی‌اند. این امر گستره کاربردهای ممکن را فراتر می‌برد. یین می‌افزاید: «برای مثال با استفاده از بسپارهای سنتزی به جای شکل طبیعی DNA، شاید بتواینم ساختارهای عملیاتی بسازیم که در محیط‌های متنوع‌تری پایدار هستند.» این گروه اکنون با نگاهی دقیق‌تر به ساختار و طراحی دنباله DNA، سنتز آنزیمی برای رشته‌هایی با کیفیت بهتر و بهینه‌سازی شرایط پردازش، سرگرم ارتقای روش خود است، آن طور که یین می‌گوید: «ما تمایل داریم تا معابر جنبشی در سامانه‌های DNA را بهتر درک کنیم.»

منبع:

Complex 3D nanostructures built using DNA bricks

مرجع:

Three-Dimensional Structures Self-Assembled from DNA Bricks