نانوفناوری DNA

[reza]

ساختمان و ویژگی های DNA
در اواخر قرن نوزدهم یک بیوشیمیست آلمانی به نام اسوالد آوری نشان داد که اسیدهای نوکلئیک (مولکولهای زنجیری بلند که از واحد های ساختمانی کوچک تری به نام " نوکلئوتید" تشکیل شده اند.) دارای قند، اسید فسفریک و چند باز نیتروژن دار می‌باشند. اندکی بعد مشخص شد که قند موجود در اسیدهای نوکلئیک می‌تواند ریبوز یا دئوکسی ریبوز باشد و لذا اسیدهای نوکلئیک به دو دسته (DNA) DeoxyriboNucleic Acid- که قند موجود در آنها دئوکسی ریبوز است – و (RNA) RiboNucleic Acid - که قند موجود در آنها ریبوز است - تقسیم می‌شوند.
پس از کشف اسوالد آوری لازم شد تا ساختار دقیق مولکول DNA و شیوه عمل آن معین شود. در سال 1948 لینوس پاولینگ (Linus Pauling) کشف کرد که بسیاری از مولکولهای پروتئینی به شکل یک مارپیچ (helix) هستند، و تقریباً شکلی شبیه فنر دارند. در سال 1950 نیز اروین شارگاف (Erwin Chargaff) نشان داد که اگرچه آرایش بازهای موجود در ساختار DNA بسیار متنوع است، اما همواره نسبت باز ادنین (A) و باز تیمین (T) موجود در آن با هم برابر است و همین طور نسبت باز سیتوزین (C) با باز گوآنین (G). این دو اکتشاف نقش مهمی را در آشکار شدن ساختمان مولکول DNA ایفا نمود.
در دهه 1950 همچنان رقابت برای کشف ساختار DNA ادامه داشت. در دانشگاه کمبریج کریک (Francis Crick) و واتسون (James Watson) تحت تأثیر کارهای پاولینگ سعی داشتند تا با ارائه مدلهای فیزیکی ساختارهای احتمالی ممکن برای DNA را محدود کنند تا سرانجام به ساختار صحیح دست یابند. گروه دیگری متشکل از ویلکینز (Maurice Wilkins) و فرانکلین (Rosalind Franklin) نیز در کالج کینگ لندن به طور همزمان مشغول مطالعه DNA بود. روش کار این گروه با گروه قبلی متفاوت بود. آنها سعی داشتند تا با روش آزمایشگاهی به ویژه با استفاده از تصاویر پراش اشعه X از مولکول DNA، ساختار آن را معین کنند.
در سال 1951، فرانکلین دریافت که DNA با توجه به میزان رطوبت هوای محیط، می‌تواند دو شکل متفاوت داشته باشد و بنابراین نتیجه گیری کرد که بخش فسفات مولکول در سمت خارجی آن قرار دارد. اندکی بعد او با استفاده از تصاویر اشعه X فهمید که DNA در حالت " مرطوب " (Wet) از تمامی ویژگی های یک مارپیچ (helix) برخوردار است؛ این احتمال که حالت دیگر مولکول DNA نیز به شکل مارپیچی باشد به ذهن او خطور کرد، اما نمی خواست تا زمانی که شواهد قطعی برای این حدس پیدا کند آن را اعلام نماید. در ژانویه 1953 ویلکینز که از به نتیجه رسیدن تحقیقات ناامید شده بود، نتایج تحقیقات فرانکلین را بدون اطلاع و رضایت او، با واتسون در میان گذاشت.
واتسون و کریک با استفاده از این نتایج مدلی بسیار شگفت انگیز را برای ساختار DNA پیشنهاد نمودند. آنها مولکول را به صورت دو زنجیر مارپیچی متشکل از نوکلئوتیدها تصور کردند که یکی از آنها بالا می‌رفت و دیگری پایین می‌آمد. کریک که به تازگی یافته های شارگاف را هم مطالعه کرده بود سعی کرد با استفاده از آنها نحوه قرار گرفتن بازها را در مولکول DNA مشخص کند. او اظهار کرد که بازها در میانه این مارپیچ دوتایی دو به دو به هم متصل می‌شوند تا فاصله بین دو مارپیچ ثابت بماند. آنها ادعا کردند که هر یک از این دو مارپیچ مولکول DNA می‌تواند به عنوان قالبی برای ایجاد دیگری استفاده شود.
در تقسیم سلولی این دو رشته از هم جدا می‌شوند و بر روی هر یک از آنها یک نمونه جدید شبیه رشته مقابل قبلی ساخته می‌شود. با این روش بدون اینکه ساختار DNA عوض شود، یک DNA شبیه آن تولید می‌شود. در اندک مواردی که در این روند خطایی پیش بیاید، شاهد "جهش" خواهیم بود. مدل آنها چنان با اطلاعات حاصل از آزمایش‌ها مطابقت داشت که بلافاصله مورد قبول همه واقع شد. کشف ساختار DNA را می‌توان مهمترین اکتشاف زیستی در صد سال اخیر دانست. در سال 1962 واتسون، کریک و ویلکینز موفق به دریافت جایزه نوبل شدند، اما متأسفانه فرانکلین در گذشته بود.
توانایی منحصر بفرد DNA برای ساخت نانوساختمان های پیچیده از طریق خودآرایی، مربوط به طراحی بسیار ماهرانه در ستون قند- فسفاتی متحدالشکل DNA که بازهای متفاوت چهارگانه بر روی آن قرار گرفته اند است. درصورتی که توالی بازهای دوتک رشته ای DNA با یکدیگر مکمل باشند، این دو رشته بهم متصل شده و تولید یک دورشته ای بسیار هوشمند و دقیق با ساختاری شناخته شده می نمایند. به این ترتیب که بازهای آدنین (A) و گوانین (G) در برابر سیتوزین (C) قرار می گیرند. نتیجه این جفت شدن بازهای مکمل، تشکیل زنجیره ای دو رشته از DNA است که فاصله بین هرجفت باز آن 4/3 آنگستروم و قطر آن 2 نانومتر (20 آنگستروم) است. بدیهی است که زنجیره مذکور می تواند طول بسیار زیادی داشته باشد. از حدود 10 سال قبل زمانی که تکنیک های پیشرفته ای همچون PCR که توانایی تولید بیومولکول های موجود، در مقادیر زیاد و با کیفیت بسیار بالا با هزینه کم را فراهم آوردند، DNAبه دنیای علوم نانوفناوری وارد شد. تکنیک های پیشرفته DNAاین امکان را پدید آورده است که نه تنها توالی های خاصی از DNA را تولید کنیم بلکه توالی خاصی از DNA را با سرعت و در مقادیر زیاد کپی کنیم. امروزه تکنیک های DNA آنقدر آسان شده اند که آنها را می توان در آزمایشگاه ها به راحتی انجام داد.

[reza]

اندازه در نانوفناوری دی ان ای
اندازه واقعی در بیونانوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی همواره مورد سئوال اکثر محققين و دانشمندان بوده است. در حقيقت علوم زيست شناسی و فيزيک مجموعه ای از ساختارهای کوچک را مورد بررسی قرار می دهند (کلمه کوچک می تواند محدوده ای از ١ نانومتر تا ١ ميلی متر را دربر گيرد). علم فيزيک ابزارهايی را عرضه می نمايد که در ساخت و توليد دستگاههايی برای ارزيابی خصوصيات سلولی و اجزاء زير سلولی و نيز موادی که در زيست سلولی و ملکولی استفاده می شود کاربرد دارند. اين درحالی است که زيست شناسی افقی جديد را به خارق العاده ترين و کاربردی ترين مجموعه نانوساختاری موجود باز می نمايد.
سال ٢٠٠٣ پنجاهمين سالگرد کشف ساختار مارپيچ دوتائیDNA بود. مقالات بسياری در رابطه با DNA تاکنون به چاپ رسيده اند. رمزگشائی توالی ژنوم انسان سبب تولد علوم پس ژنومی شده است. DNA ماده ژنتيکی تمام يوکاريوت ها، باکتری ها و بسياری از ويروس هاست. بسياری از تکنيک های بيوتکنولوژی از جمله DNA نوترکيب، DNA و RNA آنتی سنس، تکنولوژی آنتي-ژن، واکسن های DNA و ... در ٣٠ سال گذشته مورد استفاده دانشمندان قرار گرفته است. اخيرا ساير مطالعات روی DNA بر استفاده از توانايی بالقوه DNA بعنوان نانوماده متمرکز شده است

[reza]

DNA بعنوان يک ريزساختار
نانوتکنولوژی دو استراتژی را دربرمی گيرد. اولی ديدگاه بالا به پائين است که بيان می کند اتم ها و مولکول ها بايد بوسيله ابزارهای دقيق و روش های پيشرفته از شکافتن اجزاء بزرگتر حاصل شوند. دومين ديدگاه بر اين اساس استوار است که مولکولها با برقراری اتصال به يکديگر اجزاء بزرگتر را می سازند، اين ديدگاه را پائين به بالا می نامند. DNA بطور کلی مولکولی برنامه دارشده با اطلاعات و آدرس دقيق است. خصوصيت منحصر بفرد دو رشته ای DNA آنرا به بهترين ماده اطلاعاتی با دقت تداخل مولکولی برابر ۳۴/۰ نانومتر تبديل می نمايد. علاوه براين با مکانيسم خودآرايي، DNA می تواند ساختارهايی در محدوده سانتی متر را بوجود آورد. لذا DNA نقشی عمده را در ديدگاه پائين به بالا در نانوتکنولوژی ايفا می نمايد.
سيمن توانست چندين نانوساختار را با استفاده از پهنای همپوشان رشته ها بسازد . باتاليا و همکارانش يک شبکه سيمی را از خودآرايی DNA ساختند. اخيرا يان و همکارانش نيز يک نانوساختار DNA ساختند که چهاربازوی DNAای (دمها) بشکل يک صليب به دو ساختار شبکه ای شکل جداگانه متصل شده بود، که مجموعه ای از نانوروبان ها و نانوگريدهای ٢بعدی را شامل می شد. هر دم از ۹ رشته DNA ساخته شده بود، با يک رشته در مرکز که با همه چهار بازوی دم ها مرتبط می شد. با تغيير انتهاهای رشته های DNA آنها توانستند کنترل کنند که کدام ساختار شبکه ای شکل گيرد. ساختار نانوگريد DNA حاوی شکاف های بزرگی بود که می توانست بعنوان يک مکان اتصالی برای ساير مولکول ها مورد استفاده قرار بگيرد.
DNA بعنوان يک الگو برای ساخت ساختارهايی از نانومواد نيز مورد استفاده قرار گرفته است. سوتو و همکارانش با استفاده از DNA بعنوان يک عامل داخل شونده به نانومواد سازنده، يک شکاف اتصالي-نوری در کريستالهای فوتونيک ساختند. ساير تلاشها منجر به ساخت تجمعاتی از نانومواد با استفاده از DNA و پروتئين های تشخيصی DNA شد. مائدا و همکارانش با استفاده از DNA توانستند کنترل دقيقی بر مکان گزينی قطعات طلا داشته باشند. وارنر و هوتچيسون ساختاری خطی و يک ساختار نوار مانند از ذرات کاتيونی طلا و DNA را ايجاد کردند. علاوه بر اين توليد نانوسيم مسی و تجمع خوشه ای پلاتين با استفاده از DNA بعنوان الگو نيز گزارش شده است. برهمکنش DNA و نانوتيوب های کربنی و نانوتيوب های توليد شده بر پايه DNA بطور وسيعی مورد مطالعه قرار گرفته است

[reza]

DNA بعنوان کامپيوتر (حدواسط های محاسباتي)
در سال ۱۹۹٤ آدلمن روش جديد محاسباتی ای را پيشنهاد نمود که آنرا DNA کامپيوتينگ نام نهاد. در آن کامپيوتر، محاسبه به اعمال مولکولی تبديل می شد که اساس آنها واکنش های شيميايی بود. اين روش برای حل "مسئله راه مستقيم هميلتون" بکار رفت، اين مسئله نمونه ای از مسائل پيچيده ترکيبی بود. برای توضيح محاسبه DNAاي، ابتدا اجازه دهيد مثالی عنوان کنيم. درنظر بگيريد که ۵ نفر در اطراف يک ميز نشسته اند. ترکيبهای ممکن برای نشستن آنها ۱۲۰ حالت مختلف است. حال فرض کنيد که ٢ شخص خاص بدليل داشتن روابط بد نمی توانند در کنار يکديگر بنشينند، بنابراين توالی نشسنتن بايد شامل اين موضوع نيز باشد. کامپيوترها بطور معمول تمام حالات را برای رسيدن به حالت مناسب محاسبه می نمايند.
در هر ترکيب ۵ نقطه کنترلی درنظر گرفته می شود. بنابراين ۱۲۰× ۵ محاسبه لازم است. يک DNA کامپيوتر تاکتيکی کاملا متفاوت را بکار می برد. اين کامپيوتر به هر نفر يک کد سه تائی خاص اختصاص می دهد، مثل AAA، AAC يا AAG. سپس قطعه DNA مرتبط با ۱۲۰حالت ترکيب آماده می شود. اگر از ارتباط بين توالی های AAC و AAG بايستی جلوگيری شود، توالی های مکمل آنها يعنی TTG و TTC برای هيبريد شدن با توالی هدف اضافه می شود. پس از هيبريد شدن، قطعات DNA هيبريد حذف می شوند. قطعات DNA باقيمانده زياد شده و بعنوان پاسخ، تعيين توالی می شوند. محاسبه تنها لازم است يکبار انجام شود.
قابل توجه ترين خصوصيت DNA کامپيوتينگ همزمانی فوق العاده ای است که برپايه توالی ای از واکنش های شيميايی مقادير زيادی از مولکول ها استوار است. باکتريهايی که سرعت همانندسازی آنها بنظر بسيار سريع می آيد، عموما می توانند در هر ثانيه ۵۰۰ جفت باز را همانندسازی نمايند. لذا در شرايط محاسباتي، سرعت همانندسازی باکتری را می توان ۱٠٠۰ بايت در ثانيه درنظر گرفت. سرعتی چنين کم، قطعا آنچه برای کامپيوترهای امروزی به آن نياز داريم را محيا نمی نمايد. با اين وجود DNA کامپيوترها می توانند برای استراتژی سريع سازی فوق العاده بکار روند. اين به معنی آنست که سرعت فعاليت DNA کامپيوتر بايستی به موازات همانندسازی DNA دوبرابر شود. در حقيقت سرعت DNA کامپيوتری که سرعت اوليه آن ۱٠٠۰بايت بر ثانيه است پس از يکبار همانندسازی به ٢٠٠۰بايت بر ثانيه خواهد رسيد. طبيعتا پس از ۳٠ بار همانندسازی همان DNA کامپيوتر اوليه سرعتی معادل ۱٠٠۰گيگابايت بر ثانيه را خواهد داشت. يک DNA کامپيوتر احتمالا متشکل از نانومولکولهای DNA بوده و برای محاسبه تنها به واکنش شيميايی نياز خواهد داشت. بر اين اساس ماهيت آن بعنوان دستگاهی ميکرو- مموری که در کاهش انرژی مصرفی نقش دارد بسيار ارزشمند است.

[reza]

DNA بعنوان واحد تشخيصی مولکول ها
اعمالی که برای تشخيص مولکولی بکار می روند، مثلا برای آنتی بادی ها، می توانند برای DNA نيز بکار گرفته شوند. يک پليمر خود همانندساز سريعا منابع موجود پيش سازهای حاصل از فرايندهای نسبتا ساده شيمی قبل حيات را مصرف خواهد نمود. لذا، از مراحل اوليه تکامل، مسيرهای متابوليکی برای توليد کارآمد پيش سازها مورد نياز بوده است. ريبوزيم هايی که در طبيعت وجود داشتند، دارای فعاليت کاتاليتيک محدود بودند، ولی می دانيم که پتانسيل کاتاليتيک RNA بسيار بيشتر می باشد. با ابداع روشی برای جستجوی مخازن پليمرهای تصادفی RNA و عصاره هايی که فعاليتهای خاص دارند، تحقيق پيرامون مولکول های RNA دارای فعاليتهای کاتاليتيکی جديد بهتر شده است. SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment) چيزی جز تسريع تکامل در لوله آزمايش نمی باشد. SELEX شامل سری فعاليتهايی است که همانند فعاليتهای تئوری تکامل داروين (شامل موتاسيون های خودبخودي، انتخاب طبيعی و توليد نسل) می باشد.
در يک مثال منحصربفرد، اين روش برای انتخاب مولکولهای RNAای بکار می رود که بطور محکم به ATP اتصال می يابند. ابتدا يک مخلوط تصادفی پليمرهای RNA با عبور از ميان رزينی که به آن ATP متصل شده است، در معرض انتخاب غيرطبيعی قرار می گيرد. حد عملی پيچيدگی يک مخلوط RNA در SELEX، حدود ۱٠۱۵توالی مختلف می باشد که بررسی کامل ٢۵ نوکلئوتيدی ها (۱٠۱۵=۴٢۵) را ممکن می سازد. پليمرهای RNA که از ستون عبور می کنند، دور ريخته می شوند. انواعی که به ATP اتصال می يابند، با استفاده از محلول نمکی شسته شده و جمع آوری می گردند. پليمرهای جمع آوری شده، اغلب با استفاده از ترانس کريپتاز معکوس جهت توليد ملکول های متعدد DNA مکمل RNA انتخاب شده و سپس با استفاده از يک RNA پليمراز برای توليد مولکول های متعدد RNA مکمل مولکول های DNA حاصل، تکثير داده می شوند. در نهايت اين مخزن جديد RNA مجددا در معرض همان روش انتخاب قرار داده شده و اين چرخه چندين بار ديگر تکرار می گردد. در انتها، تنها چند توالی RNA با تمايل قابل توجه به ATP باقی می ماند. اين ترتيب عمل مشابه آنچه در تئوری تکاملی داروين مطرح شده است می باشد.

[reza]

DNA بعنوان يک نانودستگاه
بسياری از انواع نانودستگاهها با استفاده از اعمال DNA ساخته شده اند. شکل ۱۰ مثالی از برج های آپتامری که تا کنون ساخته شده اند را نشان می دهد. اين سيستم از روش تشخيصی انتقال انرژی رزونانس فلورسنت استفاده نموده است، که اساس آن بر تغيير شدت فلورسنت بدليل تغيير در فاصله مولکول فلورسنت گزارشگر و مولکول خاموشگر است. اخيرا نانودستگاهی طراحی شده است که بر اساس سيستم آناليزی نور استپ. سيستمی متشکل از تکنيک های آپتامر و PCR نيز گزارش گرديده استپ. تحقيقات بسياری نيز در زمينه سيستم هايی که نانودستگاههايی برای تشخيص مولکولی و اعمال کاتاليتيکی کاربرد داشته باشند انجام شده استپ.
علاوه بر اين اعمال ترکيبی DNA، تغييرات شيميايی در DNA نيز انجام شده است. بدليل اينکه تعداد انواع نوکلئوتيدها تنها چهار می باشد، نوکلئوتيدهای غيرطبيعی جديدی ساخته شده تا برای انتخاب در شيشه اوليگونوکلئوتيدها بکار رود. اين روش راه جديدی را برای توليد پليمرهايی که هرگز در طبيعت وجود نداشته اند هموار می نمايد. تا کنون چندين نوع از مشتقات نوکلئوتيدی برای انتخاب درشيشه ساخته شده اند. در هر حال از ظرفيت بالقوه تشخيصی DNA در ساخت انواع مختلفی از نانودستگاههای پيشرفته می توان استفاده نمود.

[reza]

DNA بعنوان نشانه يا امضای مولکولي
DNA می تواند بعنوان يک نشانه برای تمايز و تشخيص اشخاص مورد استفاده قرار گيرد. شيمی ترکيبی مثال خوبی از استفاده DNA بعنوان يک نشانه مولکولی است. مثلا يک نشانه DNA در توليد کتابخانه مولکولی ترکيبی بروش آبگيری و شکاف مورد استفاده قرار گرفته و DNA منطبق با تاريخچه بيماری به ورقه های کتابخانه مرتبط می شود. ورقه انتخاب شده را می توان از طريق اطلاعاتی که در DNA متصل شده به ورقه است (با يک تست عملي) مشخص نمود و اطلاعات DNA براحتی توسط تکنولوژی PCR بدست خواهد آمد. اخيرا يک شرکت حفاظتی سرويس تعيين هويتی ای را برای قراردادها و وصيتنامه ها عرضه نموده است که از تکنولوژی DNA در آن بهره برده شده است. جوهر مخصوصی (که حاوی مقادير ناچيزی از DNA گرفته شده از مشتری منحصربفردی است) می تواند بعنوان امضا برای اين سرويس استفاده شود. هويت شخص براحتی از طريق تصديق جوهر DNA قابل احراز است.

[reza]

DNA بعنوان نانوسيم هادي
از زمانی که الکترونيک برای توليد رايانه ها مورد استفاده قرار گرفت، پيشرفت های شگرفی در زمينه ارتقا سخت افزاری و نرم افزاری آن انجام شده است بطوری که با کشف و استفاده از تکنولوژی مدارهای متمرکز و ميکروچيپ ها رايانه های غول آسای ابتدايی اينک به رايانه هايی با توانائی بيشتر و در حجمی بمراتب کوچکتر تبديل گشته اند. اما با وجود پيشرفت های بسيار زياد و کوچک شدن مدارهای مجتمع و ميکروچيپ ها بالغ بر دو دهه است که تغييری در اندازه جعبه های (Cases) رايانه ها بوجود نيامده است. در توليد قطعات روی برد محدوديت هايی برای کاهش اندازه وجود دارد، هرچند بشر در اين رابطه به پيشرفت های قابل توجهی دست يافته است. علاوه براين عامل بسيار مهم و تعيين کننده حجم يک جعبه در دستگاه رايانه مادربرد و ساير بردهای موجود در جعبه می باشد، و عامل حياتی در اندازه اين بردها تنها اندازه قطعات الکترونيک آنها نيست بلکه عاملی که تاکنون اين محدوديت اساسی را ايجاد نموده است اندازه خطوط ارتباطی روی برد می باشد.
تلاشهای کنونی در راستای توليد مدارهايی با اندازه های نانومتری که خصوصيات موردنظر را دارا باشد چندان موفق نبوده اند. از سال ۱۹۹۳ که مورفی و همکارانش خاصيت هدايت الکتريکی را در مولکول DNA کشف نمودند توجه بسياری از محققان به اين زمينه معطوف گرديد که از رشته های بسيار نازک DNA در توليد نانوبردها استفاده نمايند. حتی در صورتی که به اين نتيجه برسيم که مولکول DNA هادی الکتريکی نيست، از آن در توليد سيمهای نانو می توان استفاده نمود. در اين صورت از DNA بعنوان پل ارتباطی دو الکترود و سطح اتکای نانوذرات توليد کننده سيم استفاده می شود. سپس اين زنجيره ٢ نانومتری فلز نشانی (metal-plating) می گردد. سيم حاصل قطری در حدود ۱٠٠ نانومتر خواهد داشت. نانوسيم توليد شده علاوه برمصارف الکترونيک، کامپيوتر و صنايع پايين دستی در تشخيص ناهجاری های ژنتيکی و تغييرات در ماده ژنتيکی نيز بکار می رود.