“ جاهزون لصنع فولترون! تفعيل التشابك! ... العمالقة ينطلقو! إنطلق يا قوة فولترون! شكلوا القدمين والساقين! شكلوا الذراعين والجسد! وأنا سأشكل الرأس!”

فريق قوة الفولترون

قابلية بناء روبوت بتلقائية في الفضاء هي للأسف ممكنة فقط  لفريق قوة الفولترون, في برنامج الكارتون القديم. مع ذلك، هناك إصدار من الفولترون غير مرئي للعين المجردة موجود في الحقيقة حتى اليوم.

يستخدم العلماء المواد الحية لبناء روبوتات مصغرة في مقياس النانو. في هذا المقياس, يجب على العلماء أن يجعلوا التركيب تلقائي ( بمعنى أنه سيحدث من تلقاء نفسه). لا يمكنهم أن يجعلو أدوات البناء صغيرة كفاية لكي تعمل في هذا المستوى. من هم العلماء الذين يستطيعون أن يجعلو الأشياء في هذا المقياس؟ إنهم علماء التكنولوجيا النانوية الحيوية.

ما هو علم التكنولوجيا النانوية الحيوية؟

التكنولوجيا النانوية الحيوية هي دراسة كيفية عمل العالم الحي، في مقياس ذري. معرفة كيف تعمل القطع الصغيرة في عالمنا يمكنه أن يحسن ويطور تقنيات جديدة. لكي يمكنهم الأستمرار في التقدم في هذا المجال، يجب على العلماءأن يستطيعوا التلاعب بالقوات النانوسكوبية. كنتيجة لذلك، فهم كيفية عمل العالم في هذا المقياس ضروري، خاصة عندما تقوم بصنع فولترون نانوسكوبي!

قوات: تفعيل!

البناءفي مقياس النانو يتحكم فيه عدة قوى أساسية أو قواعد. هذه تتضمن أنماط الترابط, القوى الدافعة للتركيب، والطبيعة الفيزيائية للجزيئات.

نموذج جزئي لسكر الجلوكوز. إضغط لتفاصيل أكثر

أنماط الترابط هي الطرق الأساسية التي تترابط بها الجزيئات المختلفة مع بعضها البعض. الأنماط الترابطية النموذجية التي نراها في الطبيعة تنشأ من الجزيئات، أو أجزاء من الجزيء، يعثرون على أفضل شركاء اقتران.

لنفكر في هذا من حيث بناء فولترون، من الكارتون. كل ساق وذراع من الفولترون تكون تركيب يطوى لشكل معين. إذا تخيلناهم يركبون مع بعضهم البعض مغناطيسياً، سيكون هذا مثل قوى الأقتران التي تسحب القطع المختلفة سوياً بطريقة معينة في مقياس النانو.

يمكننا التفكير في القوى الدافعة للتركيب أكثر على أنها طريقة ملائمة هذه الأشكال مع بعضها البعض، مثل لعبة المكعبات. كل ساق وذراع للفولترون تلائم الجسم الأساسي في موضع واحد معين. الذراع اليمنى يمكنها فقط أن تلائمالكتف الأيمن، وهكذا. في مقياس النانو، يمكننا التفكير في ربط الأشكال بنفس الطريقة. تلك القطع المختلفة لديها أشكال محددة، يمكنها الارتباط سوياً بطرق معينة.

أخيراً، ارتباط الوحدات الفرعية يمكنه أن يكون أقوى إذا تم ترتيبهم بطريقة معينة. مثلاً، لأي مجموعة مكعبات ليجو، هناك طريقة معينة يجب عليك  تركيب اللعبة بها. غير ذلك، إذا فقدت بعض القطع أو تمت إضافتها في مكان خاطيء، سوف تكون اللعبة غير متوازنة. بنفس الطريقة، التراكيب في مقياس النانو يمكنها أن تكون ثابتة أكثر برص جزيئات معينة بمواضع محددة. هذا يمكنه أن يكون أساس قوي للبناء عليه.

البناء بالDNA

يمكن للجزيئات أن تترتب لكي تكون أقفاص تحمل أدوية أو كيماويات أخرى حتى يمكن توصيلهم إلى مكان محدد. 

 يفهم العلماء العالم النانوي جيداً لدرجة أنهم استطاعوا تطوير آلات نانوية ذاتية التركيب. تلك الآلات تختلف في الحجم والوظيفة. مثل هذه الآلات النانوية تمت صناعتها من الكثير من أنواع الجزيئات المختلفة، مثل البروتينات، الدهون، البوليمرات، والحمض النووي (الدي إن ايه).

كل واحدة من هذه الجزيئات تميل إلى العمل بطريقة مختلفة. مع ذلك، معظمهم يعتمد على التغييرات في بيئتهم للعمل، خلال التغيير في الحموضة، الحرارة، أو حتى التعرض للضوء. الكثير من هذه الآلات النانوية تم إستخدامها لتوصيل الأدوية لعلاج الأمراض أو تحسين ممارسات الزراعة.

مع أن هذه الآلات كانت حديثة بالنسبة لهذا المجال، فإن الكثير منهم ليس معقد بالدرجة الكافية لاحتياجاتنا. بعضهم أيضاً يحتاج أن يكون قابل للبرمجة أكثر، لكي يقوم بأشياء معينة. تلك التطورات يمكن صنعها بإنشاء آلات تعتمد على الحمض النووي.

مجال تكنولوجيا النانو أخذ قفزة هائلة للخلف في عام 1982. حدث هذا عندما أضيف الحمض النووي إلى صندوق الأدوات النانوي الخاص بالعلماء. في البداية، أراد العلماء إستخدام التكنولوجيا النانوية للحمض النووي لبلورة البروتينات لتعلم الخواص الفيزيائية لها. علم البلوَرة بالآشعة السينية عادة ما يستخدم لحل تركيب البروتينات المتبلورة ولكن تبلور البروتين تحدي لعدة أسباب.

تريد أن تحصل على بروتين نقي، تحاول أن تزرع بلورات البروتين تحت ظروف مختلفة، بعد ذلك تحصل على البلورات الأمثل للاختبار.

المة البلورة بالآشعة السينية روزاليند فرانكلين صنعت هذه الصورة من الحمض النووي المتبلور. هذه الصورة كانت شديدة الأهمية لفهم تركيب الحمض النووي.

الفكرة وراء التكنولوجيا النانوية للحمض النووي كانت باستخدام الحمض النووي كشبكة بلورية (أو كهيكل دعم)، لحمل البروتين.

يشبه كأنك تبني صينية تحمل أواني للنباتات في أماكن معينة، بدلاً من نشر بذور نباتات حول صندوق مليء بالطين. نأمل أن هذا سوف يساعد في تكوين مركب حمض نووي مع بروتين. مع ذلك هذا ليس بالعمل السهل. استغرق الباحثون ثلاثون عاماً لكي يحصلوا على أول بلورة حمض نووي ثلاثية الأبعاد. حالياً يقام بالعمل الكثير لكي نمدد هذه الشبكات البلورية، لنحقق الهدف الأول من هذا المجال، الذي ذكر في 1982.

 معرفة الحمض النووي قوة نانوية

لم يساعد الحمض النووي فقط في تصميم البلورات، ولكنه أيضاً أدى إلى تكوين آلات نانوية معقدة. واحدة من فوائده الأساسية لتكنولوجيا النانو للحمض النووي هي أنه جزيء مدروس جيدا. لأننا نفهمه جيداً، يمكن للتراكيب أن تتجمع في طرق محددة جداً. لو تخيلنا أن الحمض النووي مكعبات ليجو صغيرة جداً، سيمكن لهذه المكعبات أن تتركب تلقائياً إلى تشكيلة واسعة من الأشكال والتراكيب في مقياس النانو. هذا يتيح ما يبدو مثل التجمع التلقائي، مثل هذا الذي في الفولترون النانوي. أيضاً، بسبب الطبيعة القابلة للبرمجة للحمض النووي، يمكن إستخدامه في بناء مركبات أكبر ومعقدة أكثر.

مع إقتران قواعد الحمض النووي، الأدنين(A) يقترن مع الثايمين (T) والجوانين (G) يقترن مع السيتوزين ( C) هذه “القواعد” تساعد في تصميم مركبات معقدة. الصورة بواسطة Mad prime عن طريق .Wikimedia commons

ماذا تعني قابل للبرمجة هنا؟ حسناً إنها تعني أن الحمض النووي يتبع قوانين اقتران قواعد محددة جداً. هذه القوانين توضح بأن كل قاعدة من النيوكليوتيد لديها شريك سترتبط به. الأدنين يرتبط بالثيمين والجوانين يرتبط بالسيتوزين. يمكننا أن نتخيل أن الأدنين والثايمين كأنهم مكعبات ليجو لهم مسمارين وأن السيتوزين والجوانين مكعبات ليجو لهم ثلاثة مسامير. المكعبات ذوي المسمارين يلائمون بعضهم البعض، ولكنهم لا يلائمون الاخرين والمثل للمكعبات ذوي الثلاثة مسامير. هذه القوانين تجعل العلماء يصممون مركبات مفصلة جداً. طور العلماء مجسمات متعددة الأسطح - ( أشكال ثلاثية لها أكثر من ستة أوجه)، ملاقيط نانوية، فولترون نانوي، وأكثر.

لأن نطاق التراكيب النانوية للحمض النووي التي يمكن صنعها شاسعة جداً، الطرق التي يمكن إستخدامها أيضاً تبدو لا حد لها.العديد من التراكيب النانوية تستخدم في مجال الطب، عادة كوسيلة نقل للدواء. شحنة الأدوية تفاوتت من جزيئات صغيرة حتى البروتينات. 

واحدة من مميزات تكنولوجيا النانو للحمض النووي هي أنه يمكنك أن تبرمج الأدوات التي يمكنها التحكم في إطلاق الشحنة. نحن نعلم كيف يتأثرالحمض النووي بما يحيطه، لذا يمكن إستخدام التغيرات كأدوات لتبديل شكل المركب وإطلاق الشحنة. بهذه الطريقة، يمكننا توصيل الدواء المراد إلى مكان معين وفي الوقت المرغوب. 

واحدة من العوائق الأساسية لاستخدام الحمض النووي في الآلات النانوية هو سهولة تحلل الحمض النووي. يمكنه أن يكون صعب على المركب أن يصل إلى النسيج المستهدف قبل أن يتحلل الحمض النووي. مع ذلك، هذه المشاكل هي محور اهتمام الأبحاث الحالية. في الوقت المناسب، يتمنى الباحثون أن يتمكنوا من بناء مركبات بنفس التعقيد التي بنت به الطبيعة على مدار ملايين السنين.

لعبة بناء نانوية

 

تريد تجربة يدك في بعض تدريبات الهندسية الحيوية النانوية؟

قم ببناء أنماط معينة باستخدام مجموعة من الكتل الملونة في لعبة البناء بالنانو )متاحة باللغة الإنجليزية فقط). تأكد من تجربة المستويات  السهلة، المتوسطة، والصعبة، أو قم ببناء التركيب الخاص بك في قسم الصندوق الرملي(Sandbox).

توضيح بالرسوم لجوال “كيوريوسيتي” بواسطة ناسا. هذا القسم في Ask A Biologist  تم تمويله بواسطة NSF Grant Award  رقم 1753387.