نوشته:محمد رضا خزاعی
مقدمه:
نادرین سیمن و همکارانش از دانشگاه نیویورک توانسته اند با استفاده از موتیفهای DNA ساختارهای مولکولی جالبی را ایجاد کنند که بدون کمک DNA ایجاد آن ساختارها امکانپذیر نبود. کاربرد DNA در ساخت این ریزساختارها در قلمرو علم نانوتکنولوژی قرار میگیرد که در ادامه به بخشی از این کاربردها اشاره می شود.
مجتمع کردن ذرات کلوئیدی
برای ساخت برخی سنسورهای شیمیایی و ابزارهای اپتئوالکتریک، از کلوئیدهای فلزاتی مانند طلا (Au) یا تیتانیوم و کلوئیدهایی از ترکیبات نیمه رسانا (Semi Conductor) مانند ذرات CdSe یا CdS استفاده می شود. اما مشکل عمده درساخت این ابزار این است که این ذرات کلوئیدی، بعلت اینکه بر سطح خود دارای بارهای همنام می باشند به سادگی مجتمع نمی شوند و یکدیگر را دفع می کنند. از این خاصیت DNA که رشته های مکمل ، یکدیگر را شناسایی می کنند و با هم هیبرید می شوند ، برای رفع این مشکل استفاده می شود. اگر سطح یک سری از این ذرات کلوئیدی را با یک توالی الیگو نوکلئوئیدی DNA (مانند TACCGTTG) و سطح سری دیگربا الیگو نوکلوئید دیگری (مانندCAACGGTA) پوشانده شود و سپس این دو دسته از ذرات با هم مخلوط شوند ،دراثرهیبرید شدن الیگو نوکلئوتیدها با توالیهای مکمل خود، ذرات کلوئیدی مجتمع شده، بهم می پیوند ند . باتغییر طول توالی های نوکلئوتیدی می توان فاصله بین ذرات کلوئیدی را نیز تنظیم کرد.
ساخت کریستالها
کریستالها در الکترونیک و صنایع کاربرد فراوانی دارند اما ساخت کریستالها به اشکال مختلف دارای مشکلاتی است برای مثال گاهی لازم است که کریستالهای از یک فلز در یک سیستم کریستالی بخصوص داشته باشیم اما به روشهای شیمیایی آن فلز فقط به یک سیستم کریستالی ، کریستالیزه می شود . برای مثال ذرات نقره بصورت طبیعی همواره به سیستم اورتورومبیک کریستالیزه می شوند وحال آنکه به بلورهای دیگری از نقره مانند ترک کلینیک یا کوبیک نیاز است .
DNA در حالت عادی به فرم مارپیچهای نوع B وگاهی A است . اما درهنگام کراسینگ آور، در مولکول DNA ساختاری را شبیه صلیب بوجود می آورند که به آن ساختار هالیدی گفته می شود.
در صورتی که چندین ساختار هالیدی هم اندازه را بکمک آنزیم DNA- لیگاز بهم متصل کنیم . شبکه ای دو بعدی از مولکولهای DNA بوجود می آید که به آن لاتیس (Lattice) گفته می شود . ساختارهای صلیب مانند هالیدی بعنوان مونومرهای این شبکه دو بعدی عمل می کنند .
در صورتیکه انتهای بازوهای این صلیبها بصورت چسبان باشد (Sticky end) مونومرهای هالیدی مختلف می توانند یکدیگر را شناسایی کنند و به یکدیگر متصل شوند به این ترتیب می توان با بکارگیری مونومرهای مختلفی که با الگوی خاصی بهم متصل می شوند . لاتیسهایی با اشکال مختلف بدست آورد.
شکل1:نمونه از لاتیسهای دو بعدی که بکمک DNAساخته میشود.
شکل2:ساختار کوبیک متشکل از لاتیسهای DNA
شکل3: ساختار اکتاهدرال متشکل از لاتیسهای DNA
ساخت این اشکال فضایی مختلف به کمک DNA ، نیازمند بکارگیری توالیهای دقیقاً محاسبه شده از DNA که دارای جایگاه اثر برای آنزیمهای مختلف در مکانهای مختلف هستند و در نوکلئوتیدهای خاصی متیله شده اند، می باشد.(این محاسبات با کامپیوتر انجام می شود و سنتز DNA بصورت مصنوعی صورت می گیرد) توالی DNA باید طوری باشد که در جایگاه بخصوص کراسینک آور بدهند . بکمک آنزیمهای RecA و هلیکاز می توان توپولوژی احجام فضایی حاصله را بطور دلخواه تغییر داد و بکمک توپوایزدمرازهای Iو III می توان احجام فضایی را به انانتومرهای خود (تصاویر آئینه ای ) تبدیل کرد . با قرار دادن جایگاههای اثر آنزیمهای محدود کنندة بخصوص در زاویای احجام تشکیل شده می توان این احجام را به احجام کوچکتر تقسیم کرد و بااستفاده از ترکیب چند تا از این احجام کوچک به کمک آنزیم لیگاز ، احجام جدیدی بدست آورد. بکمک این احجام فضایی می توان اسکلت کریستالهای مختلفی را طراحی کرد و بااتصال نانوکریستالها(ذرات ریز کریستال ) به DNA ، از این اسکلت بعنوان داربستی برای کریستالیزاسیون این ذرات کوچکتر استفاده کرد (شکل 3) برای این منظور پس از آنکه مولکولهای DNA ds بعنوان اسکلت برای کریستال مورد نظر طراحی شدند ، اجزاء تشکیل دهنده کریستال را به این مولکولهای DNA متصل می کنند و سپس با کمک آنزیمهای مختلف این DNA را بصورت لاتیس های دو بعدی و سپس احجام فضایی در می آورند . با قرار دادن مولکول حاصل در شرایط کریستالیزاسیون ، کریستال بر دابست DNA به شکل دلخواه تشکیل میشود . پس می توان مولکولهای DNA را با آنزیم Dnase حذف کرد .
شکل 4: استفاده از آنزیمها
از احجام فضایی DNA نه تنها برای ساخت کریستالهای ، بلکه برای ساخت سازه های زیستی نیز می توان استفاده کرد در سال 1994 نی مایر (Neimeyer ,eatl 1994) از این احجام فضایی بعنوان داربستی برای ساخت پروتئینها به اشکال متفاوت استفاده کرد .این گروه در سدد هستند با استفاده از این تکنیک شکل اسکلت سلولی سلولها را تغییر دهند و سلولهایی با اشکال جدید برای مصارف صنعتی ایجاد کنند.
شکل5:داربستهایی بعنوان زیرساختارهای پروتئینی
ساخت مدارهای منطقی :
با ترکیب مشخصی از مولکولهای B- DNA و Z- DNA حلقوی می توان حلقه های درهم رفته ای از مولکولهای DNA را با اشکال مختلف بدست آورد به این حلقه های دهم رفته حلقه های Borromean گفته می شود. اگر یکی از این حلقه ها از هم باز شود بقیه حلقه های از یکدیگر جدا می شوند وبصورت حلقه های مجزایی در می آیند.
شکل6:حلقه های برومین
در الکترونیک از سوی حلقه های Borromean برای ساخت مدارهای منطقی استفاده می شود به این صورت که اگر اتصال در یکی از حلقه ها (مدارات ) ، برقرار نباشد ، اتصال در دیگر مدارات نیز قطع می شود . از این مدارات در ساخت کامپیوترهای ساده (ماشین حسابهاو….) استفاده می شود باساخت حلقه های Borromean از DNA در صورت منطقی نبودن یک حلقه (نادرست بودن محاسبه ) دیگر حلقه ها از هم جدا می شوند که با انجام ژل الکترونورز می توان منطقی نبودن معادله را مشاهده کرد .
منابع:
[1] Adleman, L.M. (1994), Molecular computation of solutions to combinatorial problems, Science 266, 1021-1024.
[2] Chen, J.H., Kallenbach, N.R. and Seeman N.C. (1989), A specific quadrilateral synthesized from DNA branched junctions, J. Am. Chem. Soc. 111, 6402-6407.
[3] Zhang, Y. and Seeman, N.C. (1992), A solid-support methodology for the construction of geometrical s from DNA, J. Am. Chem. Soc. 114, 2656-2663.
[4] Mao C., Sun W. and Seeman N.C. (1997), Assembly of Borromean rings from DNA, Nature (London) 386, 137-138.
[5] Li, X., Yang, X., Qi, J., Seeman, N.C. (1996), Antiparallel DNA double crossover molecules as components for nanoconstruction, J. Am. Chem. Soc. 118, 6131-6140.
[6] Winfree, E. (1996), On the computational power of DNA annealing and ligation. In: DNA Based Computing, ed. by Lipton, E.J. and Baum , E.B, Providence: Am. Math. Soc., pp. 199-219.
[7] Mirkin, C.A., Letsinger, R.L., Mucic, R.C. and Storhoff, J.J. (1996), A DNA-based method for rationally assembling nanoparticles into macroscopic materials. Nature 382, 607-09.
[8] Niemeyer, C.M., Sano, T., Smith, C.L., Cantor, C.R. (1994), Oligonucleotide-directed self-assembly of proteins. Nucl. Acids Res. 22, 5530-5539.
