ثقب النانو

يمثل ثقب النانو بالإنگليزية: nanopore ثقباً صغيراً في الأغشية العازلة كهربائياً، والتي يمكن استخدامها ككاشفٍ عن الجزيء المفرد. كما يمكن اعتباره عداد كولتر بالنسبة للجسيمات الأصغر حجماً. هذا بالإضافة إلى أنه يمكن اعتباره كذلك قناةً بروتينيةً حيويةً في الطبقة الثنائية الدسمة للمقاومة الكهربائية أوكثقب في غشاءٍ صلبٍ. ويُبنى مبدأ الاكتشاف على مراقبة وضبط التيار الأيوني لمحلول الكهرليت والمار عبر ثقب نانوي أثناء مرور الجهد عبر الغشاء. وعندماقد يكون لثقب النانوأبعاداً جزيئيةً، فإن مرور الجزيئات (على سبيل المثال: الحامض النووي يتسبب في حدوث تقاطعاتٍ لمستوى التيار المفتوح، مما يسفر عن حدوث إشارة "التحول من حدثٍ إلى آخرٍ". وتسبب عملية مرور الحمض النووي أوجزيئات الحمض النووي المفردة عبر قناة ألفا هيمولوسين (alpha-hemolysin) والتي تمثل جزءً لا يتجزء من الغشاء (ذات قطرٍ 1.5 نانومتر)، على سبيل المثال، حجزاً لـ ~ 90% من التيار (والذي يتم قياسه بـ 1 م من محلول KCl). كما حتى ملاحظة حتى مرور تيار من الحمض النووي والمحتوي على قواعد مختلفة والذي يسفر عن مستويات حجزٍ مختلفةٍ، أدت إلى تشكيل هجريبٍ متسلسلٍ لثقوب النانو. ولونجح مثل ذلك التسلسل، قد يؤدي إلى إحداث ثورةٍ في مجال فهم الجينوم، حيث أنه يمكن تبسيط عملية التسلسل وإتاحة القدرة حينئذٍ لإحداث تحسيناتٍ حيويةٍ في قوة وتكلفة الاصدارات الحديثة التي تستخدم الفلوروسين/اللومينيسين (fluorescence/luminescence) بالإضافة إلى الأجهزة البصرية لاستكشاف هذه الإشارة الضوئية. وتتضمن التطبيقات، كجزءٍ من سلسلة الحمض النووي السريع، عملية فصلٍ للحمض النووي الفردي والثنائي (الزوجي) في المحلول، وكذلك عملية تقرير طول البوليمرات أوالمكوثرات. وتساهم ثقوب النانوفي تلك الفترة على عملية تفهمٍ لفيزياء البوليمر الحيوية، بالإضافة إلى تحليل الجزيء المفرد لتفاعلات البروتين - الحمض النووي.

وغالباً ما تصنع الثقوب النانوية الصلبة من أغشية السيليكون المركبة، والتي تعد واحدةً من أكثر نيتريدات السيليكون شيوعاً. ويمكن تصنيع ثقوب النانوالصلبة من خلال استخدام الكثير من الأساليب ومنها النحت بالشعاع الأيوني وأشعة الإلكترون.

كما قد تستخدم ثقوب النانوكذلك في عملية التعهد على التحاليل الطبية الأخرى بخلاف الحمض النووي. حيث تمكن فريق الأستاذ الجامعي هاجان بيلي (Hagan Bayley)البحثي بجامعة أسفورد من نشر بحثاً يستخدم ثقوب البروتين النانوية في التفريق بين مضادات التبلور (enantiomers) للجزيئات الصغيرة ومنها إيبوبروفين (ibuprofen) وثاليدوميد (thalidomide) (J Am Chem Soc. 2006 Aug 23;128(33):10684-5.)، وفي التعهد على بعض المؤشرات الحيوية (Chembiochem. 2006 Dec;7(12):1923-7.)، بالإضافة إلى عملية مسح القنوات الأيونية (J. Am. Chem. Soc., 2008, 130 (46), pp 15543–15548 DOI: 10.1021/ja804968g). كما قد يحدث لثقوب النانوتطبيقاتٍ أوسع المجال في كلٍ من مجالي الطب العلاجي وتطوير الدواء.

تعريف بديل

يصل طول قطرها إلى نحو20 نانمتر. كما أنها تتكامل وتدمج داخل الخلايا المغلفة والمكونة صناعياً لرقاقات السيليكون. وتسمح تلك الثقوب بمرور الجزيئات الصغيرة ومنها الأكسجين، الجلوكوز والإنسولين، على الرغم من أنها تمنع جزيئات الجهاز المناعي كبيرة الحجم ومنها الجلوبين المناعي (immunoglobins) من المرور عبرها. ونتيجة كون خلايا الفأر البنكرياسية مغلفة بصورةٍ دقيقةٍ، فإنها تستقبل المغذيات وتبعث الإنسولين من خلال الثقوب النانوية المعزولة تماماً عن البيئة المجاورة لها والتي منها مثلاً الخلايا الأجنبية. وقد تساعد تلك الفهم في إحلال الجزر الغير عاملة من خلايا لانغرهانس والموجودة بالبنكرياس (والتي تعد مسؤولة عن إنتاج الإنسولين)، باستخدام الخلايا المقطوعة من صغار الخنازير. حيث يمكن غرسها تحت جلد الإنسان بدون الحاجة إلى أخذ مثبطاتٍ للمناعة والتي تجعل الحالة الصحية لسقمى السكري حرجةً خوفاً من مخاطر التعرض للعدوى.

أخبار البحث الفهمي

تم تجهيز غشاءٍ اصطناعيٍ ذي هيكل ثقب نانوي مفرد، والمستوحى من القناه الأيونية الحيوية، وذلك كما قام أبل وآخرون بوصفه. وعلى عكس الغشاء ثنائي الطبقة البروتيني الهش والذي تكون فيه معظم القنوات الأيونية الحيوية مدمجة أوتمثل جزءً لا يتجزء منه، فإن هذا الغشاء الاصطناعي يتسم بالقوة ميكانيكياً وكيميائياً. وبالرغم من حتى القنوات الأيونية في الكائنات الحية تم دراستها من خلال طريقة المحاكاة باستخدام الثقوب النانوية الاصطناعية خلال العقود القليلة الماضية، فإن كيفية ربط تلك الثقوب النانوية بالذكاء ما زالت عملية مليئة بالتحديات. إلا حتى دكتور لي جيانج وزملاؤه قد قاموا بتوسيع نطاق وظيفة أنظمة "ثقوب النانو- الجزيء" من خلال استخدام (G-quadruplex DNA). حيث يتواجد في نظامهم المحاكي للقنوات النانوية الحيوية، تأثيراً للهجريز الأيوني، والتي تعد ظاهرةً هامةً داخل جسم الكائن الحي حيث أنها لا تتواجد في الأنظمة الأخرى. وقد استجاب نظامهم لمحاكاة القنوات النانوية الحيوية للبوتاسيوم ضمن مدى هجريز محدد وحاكى هذه العمليات في بيئةٍ حياديةٍ لعامل pH كما هوالحال في الكائن الحي الطبيعي. وقد أصبح لموقف تطعيم (G-quadruplex DNA) على ثقب نانوي مفرد القدرة على محاكاة الوضع الطبيعي (إن فيفو) بصورةٍ متقاربةٍ، نتيجة ارتبط واتصال تراكم خلايا الطرف الأقسومي بالكروموسوم. ومن ثم فنظامهم الصناعي له القدرة على الارتقاء بالقدرة عل دراسة التغيير الجزيئي الحيوي في المساحة المحددة بالمقاييس الحالية، والذي يختلف بصورةٍ جوهريةٍ عن سلسة ثقب النانو. هذا بالإضافة إلى حتى هذا النظام قد يحفز من بذل المزيد من الجهود التجريبية والنظرية بهدف محاكاة عملية النقل الأيوني بالكائنات الحية والتي يمكن تعميمها بصورةٍ أوسع على الجزيئات الوظيفية الأكثر تعقيداً بهدف استثمار آلات الثقوب النانوية الجديدة الذكية المستوحاة حيوياً.

المصادر

ويكيبيديا

^ Akeson M, Branton D, Kasianowicz JJ, Brandin E, Deamer DW (1999). "Microsecond time-scale discrimination among polycytidylic acid, polyadenylic acid, and polyuridylic acid as homopolymers or as segments within single RNA molecules". Biophys. J. 77 (6): 3227–33. doi:10.1016/S0006-3495(99)77153-5. PMC 1300593. PMID 10585944. Unknown parameter |month= ignored (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^ Li J, Stein D, McMullan C, Branton D, Aziz MJ, Golovchenko JA (2001). "Ion-beam sculpting at nanometre length scales". Nature. 412 (6843): 166–9. doi:10.1038/35084037. PMID 11449268. Unknown parameter |month= ignored (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^ Storm AJ, Chen JH, Ling XS, Zandbergen HW, Dekker C (2003). "Fabrication of solid-state nanopores with single-nanometre precision". Nat Mater. 2 (8): 537–40. doi:10.1038/nmat941. PMID 12858166. Unknown parameter |month= ignored (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link)