تقنية النانوللدنا

DNA nanotechnology involves forming artificial, designed nanostructures out of nucleic acids, such as this DNA tetrahedron. Each edge of the tetrahedron is a 20 base pair DNA double helix, and each vertex is a three-arm junction. The أربعة DNA strands that form the أربعة tetrahedral faces are color-coded.

تقنية الدنا النانوية هي أحد فروع تقانة الصغائر التي تعتمد على مجموعة سمات التعهد الجزيئي بالإنگليزية: molecular recognition للحمض النووي (دنا) بالإضافة إلى باقي الأحماض النووية بهدف تصنيع هياكلٍ اصطناعيةٍ مصممةٍ من الدنا ليتم استخدامها بعد ذلك في الأغراض التقنية المتنوعة. مما يدعونا إلى فهم حتى الدنا يُستَخْدَمُ هنا كمادةٍ بنائيةٍ بدلاً من كونه مجرد حاملٍ وناقلٍ للمعلومات الوراثية، مما يجعل ذلك الفهم أحد أمثلة فهم الاحياء النانوي. ولتقانة الدنا الحيوية تطبيقاتٍ عدةٍ في مجال التجميع الذاتي الجزيئي وحوسبة الدنا.

عملى الرغم من حتى الدنا غالباً ما يُعتبر ناقل وحامل المعلومات الوراثية في الخلايا الحية في إطار فهم الأحياء الجزيئي، فإن تقانة الدنا الجزيئية تهتم بالدنا فردياً كمادةٍ وكمركبٍ كيميائيٍ، وغالباً ما تتبعه خارج أي إطارٍ حيويٍ. ومن ثم، فتقانة الدنا الجزيئية تستفيد من حقيقة أنه بسبب خصوصية زوج واتسون كريك القاعدي، فإن أجزاءً وبتراً فقط من ضفائر الدنا، والتي تُعَدُ تكميليةً لكلٍ منها الآخر، سترتبط بكلٍ منها الأخرى بهدف تشكيل حلزون الدنا المزدوج بالإنگليزية: Nucleic acid double helix. هذا ويحاول فهم تقانة الدنا النانوي تصميم نسبياً بالإنگليزية: Nucleic acid design ضفائر الدنا ومن ثم فالبتر المرغوبة فقط من جميع ضفيرةٍ ستتجمع في الأماكن السليمة لتكوين هيكلاً مستهدفاً مرغوباً.

هذا ويبد حتى هذا المجال يُطلق عليه اسم (تقانة الدنا النانوية)، إلا حتى مبادئه تنطبق كذلك وبصورةٍ متكافئةٍ على الأحماض النووية الأخرى والتي منها الحمض الريبي النووي وحمض الببتيد النووي بالإنگليزية: Peptide Nucleic Acid، هذا بالإضافة إلى أنه تم إنتاج هياكلٍ وبناياتٍ تدمجهم معاً. مما دعى إلى الإشارة إلى هذا المجال على أنه تقانة الحمض النووي النانوية جراء ذلك السبب.

مفاهيم أساسية

These four strands associate into a DNA four-arm junction because this structure maximizes the number of correct base pairs, with A matched to T and C matched to G. See this image for a more realistic model of the four-arm junction showing its tertiary structure.

الهجريب الكيميائي للدنا. حلزونين مزدوجين للحمض النووي سيتشكلان فقط فيما بين ضفيرتين إثنتين من التسلسلات المتكاملة، حيث تتماثل القواعد النووية بالإنگليزية: Nucleobase فقط فيما بين أزواج A-T وG-C.

This double-crossover (DX) supramolecular complex consists of five DNA single strands that form two double-helical domains, on the top and the bottom in this image. There are two crossover points where the strands cross from one domain into the other.

خصائص الأحماض النووية

يقوم مجال تقانة الدنا النانوية بإنتاج هياكلٍ مركبةٍ من الأحماض النووية من خلال الاستفادة من خصوصية الزوج القاعدي لجزيئات الحمض النووي. وتتكون بنية جزيء الحمض النووي من سلسلةٍ من النيكلوتيدات، المتميزة بالقواعد النووية التي تحتوي عليها. حيث تكون الأربع قواعدٍ النيتروجينيةٍ المستخدمة في حمض الدنا النووي الأدينين A، الگوانين G، الثيمين C والسيتوزين T. كما حتى للحمض النووي خاصية حتى جميع جزيئين إثنين يرتبطان بكلٍ منهما الآخر لتشكيل حلزونٍ مزدوجٍ بالإنگليزية: double helix، وذلك فقط في حالة كون هاتين السلسلتين متكاملتين بالإنگليزية: Complementarity (molecular biology)، مما يعني أنهما تشكلان سلاسلاً متطابقةً من الأزواج القاعدية، مع ارتباط قواعد الأدينين فقط إلى قواعد السيتوزين وقواعد الثيمين إلى قواعد الگوانين. وبسبب حتى تكون أزواج قاعدية متطابقة تماماً مواتيةٌ بقوةٍ بالإنگليزية: Nucleic acid thermodynamics، فمن المتسقط حتى ترتبط ضفائر الحمض النووي ببعضها الآخر في التعديل الخاص بتضخيم عدد الأزواج القاعدية السليمة. كما تُستخدم تلك الخاصية، الخاصة بكون تلك السلسلة تحدد شكل الرابطة والبنية الكاملة، في تطبيقات تقانة الدنا النانوية بمثل تلك التسلسلات المصممة نسبياً بالإنگليزية: Nucleic acid design، مما يسفر عن القابلية لتشكيل بنيةٍ مرغوبةٍ.

تستخدم جميع هياكل تقانة الدنا النانوية تقريباً هياكل الدنا المتفرعة المحتوية على تقاطعاتٍ، وذلك تعارضاً مع غالبية الدنا الحيوي المتواجد في صيغة حلزون الدنا المزدوج بالإنگليزية: Nucleic acid double helix الخطية. وهنا نلاحظ حتى واحداً من أبسط الهياكل المتفرعة، والتي صُنِعَت أولاً، هوتقاطع رباعي الأذرع والذي يمكن صناعته باستخدام ضفائر الحمض النووي (دنا) الفردية والتي تتسم بأنها متكاملة مع بعضها الآخر في النموذج السليم. هذا وعلى خلاف ما قائمٌ في حالة تقاطعات هوليداي بالإنگليزية: Holliday junction، فإن التسلسل القاعدي بالإنگليزية: Nucleic acid sequence في جميع ذراعٍ، في حالة التقاطع رباعي الأذرع الصناعي غير المتحرك والمشروح بالأسفل،قد يكون مختلفاً عن الآخر، مما يعني حتى نقطة هذا التقاطع ثابتةٌ في مسقطٍ محددٍ.

هذا ويمكن استعمال التقاطعات في الجزيئات الأكثر تعقيداً. حيث حتى واحداً من أكثر تلك الجزيئات واسعة الاستخدام يتمثل في "التقاطع المزدوج" أوحافز دي إكس (DX). فيمكن تخيل جزيء دي إكس (DX) على أنه مكون من حلزونين إثنين من الدنا، المتوازيين مع بعضهما الآخر، مع وجود نقطتين للتقاطع حيث تعبر الضفائر من حلزونٍ واحدٍ إصوب الآخر. ويلاحظ حتى جميع نقطة تقاطعٍ هي نفسها تعبير عن تقاطعٍ رباعي الأذرع طوبوغرافياً. ويتسم هذا الجزيء بميزة حتى نقاط التقاطع يتم إعاقتها الآن صوب توجهٍ فرديٍ، حيث يتم معارضتها لتصبح مرنةً كما هوالحال في حالة التقاطع رباعي الأذرع. مما يجعل حافز دي إكس (جزيء دي إكس) ملائماً كحاجزٍ بنائيٍ هجريبيٍ لهجريبات الحمض النووي (دنا) الأضخم حجماً.

المجالان الفرعيان

DNA nanotechnology is sometimes divided into two overlapping subfields: تقنية نانوالدنا البنيوية وتقنية نانوالدنا الديناميكية. تقنية نانوالدنا البنيوية، أحياناً تـُختصر SDN، يركز على تخليق وتمييز مجمعات الأحماض النووية والمواد التي تتجمع لتصبح حالة نهائية من التوازن الاستاتيكي. وفي الناحية الأخرى، فإن تقنية نانوالدنا الديناميكية هجرز على المجمعات ذات السلوك غير المتزن المفيد مثل القدرة على reconfigure based on a chemical or physical stimulus. Some complexes, such as nucleic acid nanomechanical devices, combine features of both the structural and dynamic subfields.

The complexes constructed in structural DNA nanotechnology use topologically branched nucleic acid structures containing junctions. (In contrast, most biological DNA exists as an unbranched double helix.) One of the simplest branched structures is a four-arm junction that consists of four individual DNA strands, portions of which are complementary in a specific pattern. Unlike in natural Holliday junctions, each arm in the artificial immobile four-arm junction has a different base sequence, causing the junction point to be fixed at a certain position. Multiple junctions can be combined in the same complex, such as in the widely used double-crossover (DX) structural motif, which contains two parallel double helical domains with individual strands crossing between the domains at two crossover points. Each crossover point is, topologically, a four-arm junction, but is constrained to one orientation, in contrast to the flexible single four-arm junction, providing a rigidity that makes the DX motif suitable as a structural building block for larger DNA complexes.

Dynamic DNA nanotechnology uses a mechanism called toehold-mediated strand displacement to allow the nucleic acid complexes to reconfigure in response to the addition of a new nucleic acid strand. In this reaction, the incoming strand binds to a single-stranded toehold region of a double-stranded complex, and then displaces one of the strands bound in the original complex through a branch migration process. The overall effect is that one of the strands in the complex is replaced with another one. In addition, reconfigurable structures and devices can be made using functional nucleic acids such as deoxyribozymes and ribozymes, which can perform chemical reactions, and aptamers, which can bind to specific proteins or small molecules.

تقنية نانوالدنا البنيوية

تقنية نانوالدنا البنيوية، أحياناً تُختصر SDN، هجرز على synthesizing and characterizing nucleic acid complexes and materials where the assembly has a static, equilibrium endpoint. The nucleic acid double helix has a robust, defined three-dimensional geometry that makes it possible to predict and design the structures of more complicated nucleic acid complexes. Many such structures have been created, including two- and three-dimensional structures, and periodic, aperiodic, and discrete structures.

الأعقاد الممتدة


The assembly of a DX array. Left, schematic diagram. Each bar represents a double-helical domain of DNA, with the shapes representing complementary sticky ends. The DX complex at top will combine with other DX complexes into the two-dimensional array shown at bottom.Right, an atomic force microscopy image of the assembled array. The individual DX tiles are clearly visible within the assembled structure. The field is 150 nm across.

اليسار، a model of a DNA tile used to make another two-dimensional periodic lattice. اليمين، an atomic force micrograph of the assembled lattice.


An example of an aperiodic two-dimensional lattice that assembles into a fractal pattern. Left, the Sierpinski gasket fractal. Right, DNA arrays that display a representation of the Sierpinski gasket on their surfaces

البنى المنفصلة

التجميع المقولب

تقنية نانوالدنا الديناميكية

تقنية نانوالدنا الديناميكية كثيراً ما تستخدم toehold-mediated strand displacement reactions. In this example, the red strand binds to the single stranded toehold region on the green strand (region 1), and then in a branch migration process across region 2, the blue strand is displaced and freed from the complex. Reactions like these are used to dynamically reconfigure or assemble nucleic acid nanostructures. In addition, the red and blue strands can be used as signals in a molecular logic gate.

Strand displacement cascades

التصميم

يجب حتى يتم تصميم هياكل الدنا النانوية حتى يتسنى لها حتى تتجمع في الهياكل المرغوبة. ويتضمن هذا كلاً من تصميم هياكل الحمض النووي الثانوية بالإنگليزية: Nucleic acid secondary structure، الخاص بتقرير وتحديد أي الأجزاء التي منها يجب حتى يتم ربط جزيئات الحمض النووي ببعضها البعض، وكذلك هياكل الحمض النووي الأولية بالإنگليزية: Nucleic acid primary structure، والخاص بتحديد هوية جميع قاعدةٍ مفردةٍ.

التصميم الهجريبي

لعل أول خطوةٍ في تصميم هياكل الحمض النووي النانوية تتمثل في تحديد كيفية تمثيل هيكلٍ متاحٍ بواسطة ترتيبٍ محددٍ لضفائر الحمض النووي. ومن ثم فخطوة التصميم تلك تحدد الهجريب الثانوي لمركب الحمض النووي الذي سيقوم لاحقاً بالتجمع ضمن الشكل المرغوب. وهنا نلاحظ وجود الكثير من المداخل التي تم توضيحها والمتمثلة فيما يلي:

تقلص التماثل المتسلسل. حيث يركز غالبية التصميم في تقانة الدنا النانوية على تصميم سلاسل ومن ثم تكون البنية أوالهيكل المرغوب الوصول إليه هوعبارةٍ عن تدنٍ ديناميكيٍ حراريٍ، وتكون الهياكل التي أُسيء تجمعها ذات طاقاتٍ أعلى ومن ثم تكون غير مرغوبةٍ.
الهياكل الملفوفة. لعل أحد المداخل البديلة للمنهجية البلاطية يتمثل في حتى هياكل الدنا ثنائية الأبعاد يمكن إنتاجها من خلال ضفيرةٍ طويلةٍ مفردةٍ من التسلسل الجبري الذي يتم طيه أولفه في الشكل المرجوبواسطة استخدام ضفائرٍ "مشبكيةٍ" أقصرٍ طولاً. مما يسمح بعد ذلك بإنتاج أشكالٍ ثنائية الأبعاد نانوية المقياس من خلال استخدام حمض الدنا النووي. وتضمنت التصاميم المشروحة الوجه المبتسم (سميلي) وخريطة شمال أمريكا التضاريسية غير المستوية. فقد كانت أوريگامي الدنا بالإنگليزية: DNA origami سيرة غلاف الدورية الفهمية في عددها الصادر في 15 من مارس 2006 م.
التجمع الحركي. ظهر اهتمام مؤخراً صوب ضبط حركة التجمع الذاتي للدنا، ومن ثم يمكن برمجة الديناميات العابرة بالإنگليزية: transient dynamics ضمن هذا التجمع. ونلاحظ حتى لتلك الطريقة ميزةً تتمثل في التقدم بشكلٍ متساوالحرارة ومن ثم لا تتطلب خطوة التخمير بالإنگليزية: Annealing (biology) الحراري المطلوب في الطرق الديناميكية الحرارية الفردية.

التصميم المتسلسل

بالإنگليزية: Nucleic acid design

بعد استخدام وتطبيق أيٍ من الأساليب آنفة الذكر لتصميم الهياكل الثانوية للجزيء المستهدف، يجب تقسيم تسلسلٍ عمليٍ من النوكليوتيدات والتي ستتشكل في الهيكل المرغوب. وهنا يمثل تصميم الحمض النووي عملية إنتاج مجموعةٍ من سلاسل الأحماض النووية القاعدية والتي سترتبط ضمن تعديلٍ مرغوبٍ (انظر، على سبيل المثال، هجريب الحمض النووي بالإنگليزية: Nucleic acid structure). مما يجعل من تصميم الحمض النووي مركزياً في مجال تاقنة الدنا النانوية.

لتصميم الحمض النووي أهدافاً مثيلةً بتصميم البروتين بالإنگليزية: Protein design: ففي كليهما، يتم تصميم تسلسل المونومرات لصالح الهيكل المترابط أوالمطوي الملفوف ولغير صالح الهياكل البديلة. وهنا نلاحظ حتى لتصميم الحمض النووي ميزة كونه يمثل مشكلةً أبسط حسابياً، وذلك بسبب حتى بساطة قواعد زوج واتسون كريك القاعدي تؤدي إلى سبلٍ حدسيةٍ بسيطةٍ والتي تسفر عن تصاميمٍ قويةٍ تجريبياً. على الرغم من ذلك، فإن هياكل الحمض النووي أقل تنوعاً من البروتينات في وظيفيتها.

المواد والطرق

Gel electrophoresis methods, such as this formation assay on a DX complex, are used to ascertain whether the desired structures are forming properly. Each vertical lane contains a series of bands, where each band is characteristic of a particular reaction intermediate.

أنماط الهياكل

تم تصنيع وتمييز الكثير من الهياكل المصنعة من الدنا.

الشبكات المتكررة (Periodic lattices)

تجمع مصفوفة دي إكس. حيث يمثل جميع قضيبٍ نطاقاً مزدوج الحلزون من الحمض النووي، وذلك مع الأشكال الممثلة للنهايات اللزجة بالإنگليزية: sticky end التكميلية. حيث سيتم دمج جزيء دي إكس في الأعلى ضمن مصفوفة دنا ثنائية الأبعاد والتي تظهر في الأسفل. حيث يُعَدُ ذلك مثالاً للاستراتيجية البلاطية لتصميم هياكل الدنا النانوية. مصدر الملف: ماو2004.

على اليسار، نموذج لرقاقة الدنا المستخدمة لتشكيل شبكةٍ دوريةٍ ثنائية الأبعاد. أما الصورة على اليمين فتظهر لقطةً مصورةً لمجهر الطاقة الذرية للشبكة المجمعة. مصدر الملف: سترونج 2004.

لعل إحدى الطرق الأولى لإنتاج هياكل الدنا النانوية تمثلت في تصنيعها من الوحدات المنفصلة الأصغر حجماً. ولتلك الطريقة ميزة كونها قادرةً على فصل التفاعلات الأقوى إدراكياً والتي تشكل جميع بنيةٍ من تجمع الهيكل الكامل الأكبر حجماً. حيث أنها غالباً ما تُستخدم لإنتاج الشبكات الدورية، إلا أنه يمكن استخدامها كذلك لتحقيق التجمع الذاتي الحسابي بالإنگليزية: algorithmic self-assembly، مما يجعلها رصيفاً واحداً لحوسبة الدنا.

هذا بالإضافة إلى أنه يمكن تزويد وتجهيز جزيئات دي إكس أوثنائية التقاطع بالنهايات اللزجة بالإنگليزية: sticky end بهدف دمجها ضمن الشبكة الدورية ثنائية الأبعاد. وهناقد يكون لكل جزيء دي إكس أربعة أطرافٍ، واحد في جميع نهايةٍ من النطاقين الحلزونيين المزدوجين الإثنين، وأن هذه يمكن تزويدها بنهاياتٍ لزجةٍ والتي تبرمجها ليتم دمجها ضمن نموذجٍ معينٍ. وهنا نلاحظ وجود أكثر من نمطٍ واحدٍ للجزيئات ثنائية التقاطع (دي إكس) يمكن استخدامها والتي يمكن إنتاجها ليتم ترتيبها في صفوفٍ أوأي نموذج فسيفساءٍ آخرٍ. ومن ثم فهي تشكل صفائحاً مسطحةً ممتدةً والتي هي عبارةٌ عن بلوراتٍ دنويةٍ ثنائية الأبعاد بصورةٍ أساسيةٍ.

كما تم تشكيل المصفوفات ثنائية الأبعاد من المحفزات الأخرى كذلك، والتي منها مصفوفة تقاطع هوليداي معينة الأضلاع بالإنگليزية: Holliday junction rhombus array، وكذلك باقي المصفوفات ثنائية التقاطع (دي إكس) الأخرى الكثيرة والمتنوعة في أشكال المثلثات ومسدسات الأضلاع.

ونلاحظ حتى إنتاج الشبكات ثلاثية الأبعاد المصنعة من (الدنا) كان أولى الأهداف الخاصة بتقانة الدنا الحيوية، إلا أنه أثبت أنه واحداً من أصعب الأهداف ليتم تحقيقه. إلا أنه أفادت التقارير عام 2009 أنه تم النجاح في محاولات إنتاج شبكات الدنا ثلاثية الأبعاد، من خلال استخدام محفز قائم على فكرة الانشدادية بالإنگليزية: tensegrity، المتمثلة في التوازن القائم بين قوى التوتر والضغط.

الأنابيب النانوية

بالإضافة إلى الصفائح المسطحة، تم إنتاج الشبكات ثنائية التقاطع (دي إكس) لتشكيل أنابيبٍ نانويةٍ جوفاء يتراوح قطرها من أربعة إلى 20 نانومتراً. وهنا نلاحظ حتى أنابيب الدنا النانوية تلك شبيهةٌ إلى حدٍ ما في أحجامها بالأنابيب النانوية الكربونية، إلا حتى الأنابيب النانوية الكربونية عبارةٌ عن موصلاتٍ أقوى وأفضل للحرارة، في حين أنابيب الدنا النانوية هي أكثر قابليةٍ للتعديل بسهولةٍ وارتباطاً بالهياكل الأخرى.

نموذج لرباعي أسطح الدنا كما تم وصفه في جودمان 2005. فكل حافةٍ من الشكل رباعي الأسطح هي عبارةٌ عن 20 زوجاً قاعدياً من الدنا الزوجي، وأن جميع رأسٍ هي تعبير عن تقاطع ثلاثي الأذرع.

متعددة الأوجه

تم إنتاج عدداً من جزيئات الدنا ثلاثية الأبعاد والتي تتسم بالقدرة على الارتباط بمتعدد الأسطح والتي منها على سبيل المثال ثماني السطوح أوالمكعب. وبصيغةٍ أخرى، فإن ثنائيات الدنا تتبع حواف متعددات الأسطح ذات تقاطع الدنا في جميع رأسٍ له.

فقد تضمنت التوضيحات الأولى لمتعدد أسطح الدنا كلاً من روابط الدنا بالإنگليزية: DNA ligase المتعددة وخطوات تصنيع الفترة الصلبة بالإنگليزية: solid-phase synthesis بهدف إنتاج متعدد السطوح. إلا حتى الأعمال الحديثة أسفرت عن إنتاج متعدداً للأسطح والذي يتسم تصنيعه بالسهولة. وهذا يتضمن ثماني سطوح الدنا المصنوع من ضفيرةٍ فرديةٍ طويلةٍ مصممة لتنطوي داخل التعديل السليم، بالإضافة إلى رباعي السطوح الذي يمكن إنتاجه من أربعة ضفائرٍ للدنا في خطوةٍ واحدةٍ.

أشكال تعسفية

بالإضافة إلى ما تجاوز ذكره، تم تصنيع كذلك هياكل دنا ذات أوجهٍ صلدةٍ، بواسطة استخدام طريقة أوريگامي الدنا بالإنگليزية: DNA origami. حيث يمكن برمجة مثل تلك الهياكل لتفتح وتُطْلِقُ حمولتها استجابةً لمثيرٍ أوتحفيزٍ معينٍ، مما يجعلها مفيدةً كأقفاصٍ جزيئيةٍ بالإنگليزية: Molecular encapsulation مبَرْمَجةٍ.

هياكل الحمض النووي النانوية الوظيفية

هجرز تقانة الدنا النانوية على إنتاج جزيئاتٍ ذات وظيفيةٍ مصممةٍ وهياكلٍ كذلك. حيث تم استعراض وتوضيح الكثير من تصنيفات الأنظمة الوظيفية.

عمارة نانوية

كان أول من اقترح فكرة استخدام مصفوفات الدنا لقولبة تجمع الجزيئات الوظيفية الأخرى هونادرين سيمان في عام 1987، إلا أنه تم تحقيق التقدم مؤخراً فقط في تقليل أنواع تلك المشاريع للمارسة. ففي عام 2006، قام الباحثون بربط جسيمات المضى النانوية بالإنگليزية: Gold nanoparticle تساهمياً بالبلاطة ثنائة التقاطع للدنا بالإنگليزية: DX-based tile وأظهروا حتى التجمع الذاتي لهياكل الدنا قامت كذلك بتجميع الجزيئات النانوية التي تم إضافتها لهم. كما ظهر مشروع استضافة غير تساهمية في عام 2007، بواسطة استخدام متعددات أميد بيتر ديرفان بالإنگليزية: Peter B. Dervan على مصفوفة ثنائية التقاطع لترتيب بروتينات الاستريبتافيدين بالإنگليزية: Streptavidin على أنواعٍ خاصةٍ من البلاطات على مصفوفة الدنا.

هذا في عام 2006، قام كلٌ من دوير ولابين باستعراض الأحرف "D" "N" و"A" المنتجة على مصفوفة 4x4 ثنائية التقاطع (دي إكس) بواسطة استخدام بروتين الاستريبتافيدين. بينما تم استعراض في عام 2007 تجمعٍ هرميٍ قائمٍ على هذا المُدْخَل والذي يوضح المقاييس للمصفوفات الأكبر حجماً (8x8 و8.96 MD).

كما ظهر اهتمام في استخدام تقانة الدنا النانوية لتجميع الأجهزة الإلكترونيات الجزيئية. ووصلاً لتلك الغاية، تم استخدام حمض الدنا النووي لتجميع الأنابيب النانوية الكربونينة أحادية الجدار ضمن مقاحل التأثير الحقلي.

التجمع الذاتي الحسابي

مثلث سيربنسكي.

مصفوفات الدنا التي تُظْهِرُ تقديماً لمثلث سيربنسكي على أسطحها. اضغط على الصورة لمزيدٍ من التفاصيل. مصدر الملف: روزموند وآخرون: 2004.

انظر أيضاً: حوسبة الدنا

تم تطبيق تقانة الدنا الجزيئية في المجال المرتبط بها الخاص بحوسبة الدنا. حيث أنه قد يحدث للبلاطات الدنوية ثنائية التقاطع (دي إكس) تسلسلات نهاياتها اللزجة المختارة ومن ثم فهي تسلك على أنها بلاطات وانج بالإنگليزية: Wang tiles، مما يسمح لهم بأداء الحسابات. كما تم استعراض المصفوفة ثنائية التقاطع (دي إكس) والتي يرمز لتجمعها بعملية الفصل الحصري بالإنگليزية: Exclusive or أو(XOR)؛ مما يسمح لمصفوفة الدنا بتطبيق الخلايا ذاتية السلوك والتي تولِّد كسيريات يُطلق عليها اسم مثلث سيربنسكي. وهذا يوضح حتى الحساب يمكن دمجه ضمن تجمعٍ من مصفوفات الدنا، مما يزيد مجال فيما وراء المصفوفات المتكررة البسيطة.

ولنلاحظ حتى حوسبة الدنا تتداخل مع، ولكن ليست منفصلة عن، تقانة الدنا النانوية. حيث تستخدم الثانية خصوصية زوج واتسون- كريك القاعدي لإنتاج هياكلٍ جديدةٍ من الدنا. ويمكن استعمال هذه الهياكل المنتجة في مجال حوسبة الدنا، إلاأنها ليست ملزمة ليتم استخدامها لهذا الغرض. هذا بالإضافة إلى حتى حوسبة الدنا يمكن إجراؤها بدون استخدام أنماط الجزيئات المنتجة بواسطة استخدام تقانة الدنا النانوية.

أجهزة الدنا النانوميكانيكية

تم إنتاج مركبات الدنا التي تغير قابلتها بناءً على بعض المثيرات. حيث يتمثل الغرض من تصنيعها في حتىقد يكون لها تطبيقاتٍ في مجال روبوات النانو. حيث أُطلق على واحداً من أوائل تلك الأجهزة: "ملاقيط جزيئية"، والذي يقوم بالتغير من الوضع المفتوح إلى الوضع المغلق بناءً على وجود ضفائر التحكم.

كما تم تصنيع آلات الدنا لتظهر حركةً لفافةً ملتويةً. كما حتى أحد تلك الأجهزة يستفيد كذلك من الانتنطق بين أشكال B-DNA بالإنگليزية: Nucleic acid double helix وZ-DNA بهدف الاستجابة للتغير في شروط الصد. في حين تعتمد إحداها الأخرى على وجود ضفائر ضبطٍ للتحول من تشكيل تقاطع محاذاةٍ (PX) بالإنگليزية: Paranemic crossover إلى تشكيل تقاطعٍ مزدوجٍ (JX2).

المواد والطرق

Gel electrophoresis methods, such as this formation assay on a DX complex, are used to ascertain whether the desired structures are forming properly. Each vertical lane contains a series of bands, where each band is characteristic of a particular reaction intermediate.

تتوفر بالعمل سلاسل الدنا التقليدية عبر عملية تصنيع قليل النيوكليوتيد بالإنگليزية: oligonucleotide synthesis. حيث غالباً ما تدار تلك العملية بواسطة استخدام آلة تصنيع الدنا، كما حتى الدنا التقليدي أصبح متاحاً للتبادل التجاري لدى الكثير من البائعين.

كما حتى سلاسل ضفائر الدنا الفردية والتي تنتج الهياكل المستهدفة يتم تصميمها حوسبياً. هذا وتُستَخْدَم النموجة الجزيئية (Molecular modeling) والنمذجة الحرارية الديناميكية في بعض الأحيان كذلك لتحسين سلاسل الحمض النووي إلأى أحسن الأوضاع المرغوبة.

وتتسم جزيئات الدنا التي تم إنتاجها بواسطة استخدام تقانة الدنا الجزيئية غالباً بسمة الفصل الكهربائي للهلام، والتي توفر معلوماتٍ حول حجم وشكل جزيئات الدنا، مما يشير إلى ما إذا كان قد تم إنتاجها بصورةٍ ملائمةٍ كما هومرغوبٍ أم لا. وكذلك يمكن استعمال كلٍ من الوسم الفلوري (Fluorescent labeling) ونقل طاقة رنين فورستر (Förster resonance energy transfer) بهدف تشخيص بنية الجزيئات.

هذا ويمكن تصوير هياكل الدنا مباشرةً بواسطة استخدام مجهر الطاقة الذرية، والذي يقوم بتصوير الهياكل المتواجدة على سطحٍ مسطحٍ مستوٍ. ونلاحظ حتى تلك الكيفية تناسب الهياكل ثنائية الأبعاد بصورةٍ جيدةٍ، إلا أنها أقل فائدةٍ في حالة الهياكل ثلاثية الأبعاد المتفردة. حيث يصبح المجهر الإلكتروني النافذ (Transmission electron microscopy) والمجهر الإلكتروني شديد التبريد (cryo-electron microscopy) سبلاً ضروريةً هنا. ويتم تحليل المشابك ثلاثية الأبعاد الممتدة بواسطة استخدام دراسة البلورات بالأشعة السينية. في حين يمكن دراسة حركية تجمع الدنا الذاتي بواسطة تقنيات وأساليب الوقت الحقيقي والتي منها مثلاً التداخل ثنائي الاستقطاب بالإنگليزية: Dual polarization interferometry وQCMD.

التاريخ

لوحة البتر الخشبي (عـمق) العمق لإيشر، الملهمة لنادرين سيمان للتفكير والاعتبار في استخدام مشابك الدنا ثلاثية الأبعاد لتوجيه الجزيئات صعبة التبلور، مما يؤدي إلى نقطة البداية مجال عمل تقانة الدنا النانوية.

كان أول من ابتكر فكرة تقانة الدنا الحيوية هونادرين سيمان في أوائل الثمانينات من القرن العشرين. حيث اهتم سيمان مبدئياً باستخدام ملقاط الدنا ثلاثي الأبعاد لتوجيه الجزيئات المستهدفة، والتي ستتحدد دراستها البلورية من خلال التخلص من العملية الصعبة الخاصة بالحصول على بلوراتٍ نقيةٍ. وأفادت التقارير حتى تلك الفكرة كانت قد واتته في خريف 1980، بعد إدراكه التشابه فيما بين لوحة البتر الخشبي (ديبث) أوالعمق لإشر ومصفوفة تقاطعات الدنا سداسية الأذرع. ولتحقيق تلك الغاية، نشر معمل سيمان في عام 1991 عملية تصنيع مكعبٍ مصنوعٍ من الدنا، والذي يعتبر أول كائنٍ نانوي المقياس ثلاثي الأبعاد، والذي على أثره حصل سيمان على جائزة فينمان في مجال القتانة النانوية (Foresight Nanotech Institute Feynman Prize)، والذي كان قد تبعه تصنيع مجسم الدنا الثماني المبتور (truncated octahedron). على الرغم من ذلك، فقد أصبح من الواضح لاحقاً حتى هذه الجزيئات، الأشكال متعددة الأضلاع ذات التقاطعات المرنة كنقاطها الهندسية، لم تكن صلبةً بصورةٍ كافيةٍ لتشكيل الملاقيط ثلاثية الأبعاد الممتدة.

في حين طور سيمان حافز بالإنگليزية: Structural motif التقاطع المزدوج الصلب، بالإضافة إلى أنه، وبالتعاون مع إريك وينفري (Erik Winfree)، نشر عام 1998 إنتاج الملاقيط ثنائية الأبعاد من البلاطات مزدوجة التقاطع (DX). حيث تتسم تلك الهياكل القائمة على استخدام البلاطات بأنها توفر القدرة على تطبيق وتطبيق استخدام حوسبة الدنا، والتي أوضحها وينفري وبول روزاموند في عام 2004، والتي بفضلها اقتسما معاً جائزة فينمان للتقانة النانوية في عام 2006.

ومع مرور الزمن، يستمر مجال تقانة الدنا النانوية في التشعب أكثر وأكثر. فأول آلةٍ دنا نانويةٍ - الحافز الذي يغير بنيته استجابةً لمدخلٍ ما - ظهرت عام 1999. كما كان سيمان أول من اقترح مجال العمارة النانوية في عام 1987، والتي بدأت في الظهور عام 2006. هذا وكان روزاموند أول من استعرض أسلوب أوريگامي الدنا في عام 2006 لتسهيل إنتاج جزيئات الدنا المطوية الملتفة لأي شكل. أما في عام 2009، نشر سيمان تصنيع ملقاطٍ ثلاثي الأبعاد، بعد مرور ما يقرب من 30 عاماً من استعداده للقيام بذلك.

انظر أيضا

قشرة نانوية
جسيم نانوي
التقانة النانوية الحيوية
تقانة نانوية

المصادر

ويكيبيديا

مراجع

^ DNA polyhedra: Goodman, R.P. (2005). "Rapid chiral assembly of rigid DNA building blocks for molecular nanofabrication". ساينس. 310 (5754): 1661–1665. doi:10.1126/science.1120367. ISSN 0036-8075. PMID 16339440. Unknown parameter |month= ignored (help); Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ Overview: Mao, Chengde (December 2004). "The emergence of complexity: lessons from DNA". PLoS Biology. 2 (12): 2036–2038. doi:10.1371/journal.pbio.0020431. PMC 535573. PMID 15597116.
^ Overview: Seeman, Nadrian C. (2004). "Nanotechnology and the double helix". ساينتفك أمريكان. 290 (6): 64–75. doi:10.1038/scientificamerican0604-64. PMID 15195395. Unknown parameter |month= ignored (help)
^ Dynamic DNA nanotechnology: Zhang, D. Y.; Seelig, G. (February 2011). "Dynamic DNA nanotechnology using strand-displacement reactions". Nature Chemistry. 3 (2): 103–113. Bibcode:2011NatCh...3..103Z. doi:10.1038/nchem.957. PMID 21258382.
^ Structural DNA nanotechnology: Seeman, Nadrian C. (November 2007). "An overview of structural DNA nanotechnology". Molecular Biotechnology. 37 (3): 246–257. doi:10.1007/s12033-007-0059-4. PMC 3479651. PMID 17952671.
^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير سليم؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة Seeman2010
^ Dynamic DNA nanotechnology: Lu, Y.; Liu, J. (December 2006). "Functional DNA nanotechnology: Emerging applications of DNAzymes and aptamers". Current Opinion in Biotechnology. 17 (6): 580–588. doi:10.1016/j.copbio.2006.10.004. PMID 17056247.
^ Other arrays: Strong, Michael (March 2004). "Protein Nanomachines". PLoS Biology. 2 (3): e73. doi:10.1371/journal.pbio.0020073. PMC 368168. PMID 15024422.
^ Yan, H.; Park, S. H.; Finkelstein, G.; Reif, J. H.; Labean, T. H. (26 September 2003). "DNA-templated self-assembly of protein arrays and highly conductive nanowires". Science. 301 (5641): 1882–1884. Bibcode:2003Sci...301.1882Y. doi:10.1126/science.1089389. PMID 14512621.
^ Algorithmic self-assembly: Rothemund, Paul W. K. (2004). "Algorithmic Self-Assembly of DNA Sierpinski Triangles". PLoS Biology. 2 (12): 2041–2053. doi:10.1371/journal.pbio.0020424. ISSN 1544-9173. PMC 534809. PMID 15583715. Unknown parameter |month= ignored (help); Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ DNA origami: Rothemund, Paul W. K. (2006). "Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns". Nature. 440 (7082): 297–302. doi:10.1038/nature04586. ISSN 0028-0836. PMID 16541064.
^ Kinetic assembly: Yin, Peng; Choi, Harry M. T.; Calvert, Colby R.; Pierce, Niles A. (2008). "Programming biomolecular self-assembly pathways". Nature. 451 (7176): 318–22. doi:10.1038/nature06451. PMID 18202654.
^ Sequence design: Dirks, Robert M. (2004). "Paradigms for computational nucleic acid design". Nucleic Acids Research. 32 (4): 1392–1403. doi:10.1093/nar/gkh291. PMC 390280. PMID 14990744. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ Sequence design: Dirks, Robert M.; Bois, Justin S.; Schaeffer, Joseph M.; Winfree, Erik; Pierce, Niles A. (2007). "Thermodynamic Analysis of Interacting Nucleic Acid Strands". SIAM Review. 49: 65. doi:10.1137/060651100.
^ Strong, Michael (2004). "Protein Nanomachines". PLoS Biology. 2 (3): e73. doi:10.1371/journal.pbio.0020073. PMC 368168. PMID 15024422.
^ DX arrays: Winfree, Erik (1998). "Design and self-assembly of two-dimensional DNA crystals". Nature. 394 (6693): 529–544. doi:10.1038/28998. ISSN 0028-0836. PMID 9707114. Unknown parameter |month= ignored (help); Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ Liu, Furong (1999). "Modifying the Surface Features of Two-Dimensional DNA Crystals". Journal of the American Chemical Society. 121 (5): 917–922. doi:10.1021/ja982824a. ISSN 0002-7863. Unknown parameter |month= ignored (help); Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ Other arrays: Mao, Chengde (1999). "Designed Two-Dimensional DNA Holliday Junction Arrays Visualized by Atomic Force Microscopy". Journal of the American Chemical Society. 121 (23): 5437–5443. doi:10.1021/ja9900398. ISSN 0002-7863. Unknown parameter |month= ignored (help); Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ Other arrays: Constantinou, Pamela E. (2006). "Double cohesion in structural DNA nanotechnology". Organic and Biomolecular Chemistry. 4 (18): 3414–3419. doi:10.1039/b605212f. PMID 17036134. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ Other arrays: Mathieu, Frederick (2005). "Six-Helix Bundles Designed from DNA". Nano Letters. 5 (4): 661–665. doi:10.1021/nl050084f. ISSN 1530-6984. PMID 15826105. Unknown parameter |month= ignored (help); Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ Three-dimensional lattices: Zheng, Jianping; Birktoft, Jens J.; Chen, Yi; Wang, Tong; Sha, Ruojie; Constantinou, Pamela E.; Ginell, Stephan L.; Mao, Chengde; Seeman, Nadrian C. (2009). "From molecular to macroscopic via the rational design of a self-assembled 3D DNA crystal". Nature. 461 (7260): 74–7. doi:10.1038/nature08274. PMC 2764300. PMID 19727196.
^ DNA nanotubes: Rothemund, Paul W. K. (2004). "Design and Characterization of Programmable DNA Nanotubes". Journal of the American Chemical Society. 126 (50): 16344–16352. doi:10.1021/ja044319l. ISSN 0002-7863. PMID 15600335. Unknown parameter |month= ignored (help); Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ DNA polyhedra: Zhang, Yuwen (1994). "Construction of a DNA-truncated octahedron". Journal of the American Chemical Society. 116 (5): 1661–1669. doi:10.1021/ja00084a006. ISSN 0002-7863. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ DNA polyhedra: Shih, William M. (2004). "A 1.7-kilobase single-stranded DNA that folds into a nanoscale octahedron". [[تخصصر (مجلة)|]]. 427 (6975): 618–621. doi:10.1038/nature02307. ISSN 0028-0836. PMID 14961116. Unknown parameter |month= ignored (help); Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ DNA boxes: Andersen, Ebbe S.; Dong, Mingdong; Nielsen, Morten M.; Jahn, Kasper; Subramani, Ramesh; Mamdouh, Wael; Golas, Monika M.; Sander, Bjoern; Stark, Holger (2009). "Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid". Nature. 459 (7243): 73–6. doi:10.1038/nature07971. PMID 19424153.
^ DNA boxes: Ke, Yonggang; Sharma, Jaswinder; Liu, Minghui; Jahn, Kasper; Liu, Yan; Yan, Hao (2009). "Scaffolded DNA Origami of a DNA Tetrahedron Molecular Container". Nano Letters. 9 (6): 2445–7. doi:10.1021/nl901165f. PMID 19419184.
^ Nanoarchitecture: Robinson, Bruche H. (1987). "The Design of a Biochip: A Self-Assembling Molecular-Scale Memory Device". Protein Engineering. 1 (4): 295–300. doi:10.1093/protein/1.4.295. ISSN 0269-2139. PMID 3508280. Unknown parameter |month= ignored (help); Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ Nanoarchitecture: Zheng, Jiwen (2006). "2D Nanoparticle Arrays Show the Organizational Power of Robust DNA Motifs". Nano Letters. 6 (7): 1502–1504. doi:10.1021/nl060994c. ISSN 1530-6984. PMID 16834438. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ Nanoarchitecture: Cohen, Justin D. (2007). "Addressing Single Molecules on DNA Nanostructures". Angewandte Chemie. 46 (42): 7956–7959. doi:10.1002/anie.200702767. ISSN 0570-0833. PMID 17763481. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ Park, Sung Ha (2006). "Finite-Size, Fully Addressable DNA Tile Lattices Formed by Hierarchical Assembly Procedures". Angewandte Chemie. 118 (40): 749–753. doi:10.1002/ange.200690141. ISSN 1521-3757. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help); Unknown parameter |month= ignored (help)
^ DNA machines: Yurke, Bernard (2000). "A DNA-fuelled molecular machine made of DNA". Nature. 406 (6796): 605–609. doi:10.1038/35020524. ISSN 0028-0836. PMID 10949296. Unknown parameter |month= ignored (help); Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ DNA machines: Mao, Chengde (1999). "A DNA Nanomechanical Device Based on the B-Z Transition". Nature. 397 (6715): 144–146. doi:10.1038/16437. ISSN 0028-0836. PMID 9923675. Unknown parameter |month= ignored (help); Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ DNA machines: Yan, Hao (2002). "A robust DNA mechanical device controlled by hybridization topology". Nature. 415 (6867): 62–65. doi:10.1038/415062a. ISSN 0028-0836. PMID 11780115. Unknown parameter |month= ignored (help); Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ History: . New York. Unknown parameter |سنة= ignored (help); Unknown parameter |الصفحات= ignored (help); Unknown parameter |الرقم المعياري= ignored (help); Unknown parameter |الأول= ignored (help); Unknown parameter |الناشر= ignored (help); Unknown parameter |الأخير= ignored (help); Unknown parameter |العنوان= ignored (help); Missing or empty |title= (help)
^ History: See Nadrian Seeman's homepage, Current crystallization protocol for a statement of the problem, and Nadrian Seeman's homepage, DNA cages containing oriented guests for the proposed solution.

قراءات إضافية

تتبع قائمة الموضوعات والخط التي تستطيع توفير مزيداً من المعلومات للقاريء في مجال تقانة الدنا النانوية:

Seeman, Nadrian C. (2004). "التقانة النانوية والحلزون المزدوج". ساينتفك أمريكان. 290 (6): 64–75. doi:10.1038/scientificamerican0604-64. PMID 15195395. Unknown parameter |month= ignored (help)—منطقة خطها مؤسس المجال للعاملين العاديين.
"Chapter 8: DNA Self-Assembly". New York. Unknown parameter |سنة= ignored (help); Unknown parameter |الرقم المعياري= ignored (help); Unknown parameter |الأول= ignored (help); Unknown parameter |الناشر= ignored (help); Unknown parameter |الأخير= ignored (help); Unknown parameter |العنوان= ignored (help); Missing or empty |title= (help)—استعراض للنتائج الحقلية من منظور التجمع الذاتي.
Seeman, Nadrian C. (1999). "هندسة الدنا وتطبيقاتها في مجال التقانة النانوية". Trends in Biotechnology. 17 (11): 437–443. doi:10.1016/S0167-7799(99)01360-8. ISSN 0167-7799. Unknown parameter |month= ignored (help)—منطقة أقدم تحتوي على وصف جيد للافعية القائمة وراء تقانة الدنا.
Seeman, Nadrian C. (2007). "استعراض لتقانة الدنا النانوية البنائية". Molecular Biotechnology. 37 (3): 246–57. doi:10.1007/s12033-007-0059-4. PMID 17952671.—منطقة أكثر حداثة.
Feldkamp, Udo; Niemeyer, Christof M. (2006). "التصميم النسبي لعمارة الدنا النانوية". Angewandte Chemie International Edition. 45 (12): 1856–76. doi:10.1002/anie.200502358. PMID 16470892.&mdashمنطق جيد من وجهة نظر تصميم الهياكل الثانوية.
Lin, Chenxiang; Liu, Yan; Rinker, Sherri; Yan, Hao (2006). "التجمع الذاتي القائم على بلاطة الدنا: بناء هياكل معمارية نانوية معقدة". ChemPhysChem. 7 (8): 1641–7. doi:10.1002/cphc.200600260. PMID 16832805.—منطق مصغر يدور أساساً على الهجريز على التجمع القائم على التبلط.
Chen, Junghuei; Jonoska, Natasha; Rozenberg, Grzegorz (eds.). Natural سلسلة الحوسبة. New York. Unknown parameter |العنوان= ignored (help); Unknown parameter |سنة= ignored (help); Unknown parameter |الناشر= ignored (help); Unknown parameter |الرقم المعياري= ignored (help); Missing or empty |title= (help)—كتاب يشتمل على منطقاتٍ للعديد من الباحثين في مجال تقانة الدنا النانوية وحوسبة الدنا.