نرم‌افزاری که به محققان اجازه می‌دهد اشیاء گرد کوچکی از DNA بسازند، دلیل جذابیت این فناوری چیست؟
از ساختارهای ریز نانومقیاس که از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی دانشگاه دوک و دانشگاه ایالتی آریزونا پدیدار می‌شوند، شگفت‌زده شوید و به راحتی می‌توان تصور کرد که در حال مرور فهرستی از کوچکترین سفال‌های جهان هستید.
یک مقاله جدید برخی از ساخته‌های این تیم‌ها را آشکار می‌کند: گلدان‌های کوچک، کاسه‌ها و کره‌های توخالی که یکی در دیگری پنهان شده است، مانند ظروف خانه برای یک عروسک روسی.
اما محققان به جای ساختن آنها از چوب یا خاک رس، این اشیاء را از مولکول‌های نخ‌مانند DNA طراحی کردند که با دقت نانومتری خم و تا شده و به اشیاء سه‌بعدی پیچیده تبدیل می‌شوند.
این خلاقیت‌ها، امکانات یک برنامه نرم‌افزاری متن‌باز جدید را نشان می‌دهند که توسط دانشجوی دکترای دانشگاه دوک، دن فو، به همراه استاد راهنمایش، جان رایف، توسعه داده شده است.
این نرم‌افزار که در ۲۳ دسامبر در مجله Science Advances شرح داده شد، به کاربران اجازه می‌دهد تا نقاشی‌ها یا مدل‌های دیجیتالی از اشکال گرد را گرفته و آنها را به ساختارهای سه‌بعدی ساخته شده از DNA تبدیل کنند.
نانوساختارهای DNA توسط نویسندگان مشترک، راگو پرادیپ نارایانان و آبهای پراساد، در آزمایشگاه پروفسور هائو یان در دانشگاه ایالتی آریزونا مونتاژ و تصویربرداری شدند.
هر شیء توخالی کوچک بیش از دو میلیونیم اینچ قطر ندارد. بیش از ۵۰۰۰۰ عدد از آنها می‌توانند روی سر یک سوزن جا شوند.
اما محققان می‌گویند که اینها چیزی بیش از نانومجسمه‌های صرف هستند. این نرم‌افزار می‌تواند به محققان اجازه دهد تا ظروف کوچکی برای رساندن داروها یا قالب‌هایی برای ریخته‌گری نانوذرات فلزی با اشکال خاص برای سلول‌های خورشیدی، تصویربرداری پزشکی و سایر کاربردها ایجاد کنند.
برای اکثر مردم، DNA طرح اولیه زندگی است؛ دستورالعمل‌های ژنتیکی برای همه موجودات زنده، از پنگوئن‌ها گرفته تا درختان صنوبر. اما برای تیم‌هایی مانند تیم رایف و یان، DNA چیزی بیش از یک حامل اطلاعات ژنتیکی است – DNA کد منبع و ماده‌ی سازنده است.
چهار «حرف» یا باز در کد ژنتیکی DNA وجود دارد که به روشی قابل پیش‌بینی در سلول‌های ما جفت می‌شوند تا پله‌های نردبان DNA را تشکیل دهند.
این ویژگی‌های جفت شدن دقیق بازهای DNA – A با T و C با G – است که محققان از آنها بهره برده‌اند. با طراحی رشته‌های DNA با توالی‌های خاص، آنها می‌توانند رشته‌ها را طوری «برنامه‌ریزی» کنند که خودشان را به شکل‌های مختلف در کنار هم قرار دهند.
این روش شامل تا کردن یک یا چند قطعه بلند از DNA تک رشته‌ای، به طول هزاران باز، با کمک چند صد رشته کوتاه DNA است که به توالی‌های مکمل روی رشته‌های بلند متصل می‌شوند و آنها را در جای خود «منگنه» می‌کنند.
محققان از دهه ۱۹۸۰ در حال آزمایش DNA به عنوان یک ماده ساختمانی بوده‌اند. اولین اشکال سه‌بعدی، مکعب‌های ساده، هرم‌ها، توپ‌های فوتبال بودند، اشکال هندسی با سطوح خشن و بلوکی.
اما طراحی سازه‌هایی با سطوح منحنی که بیشتر شبیه به سطوح موجود در طبیعت هستند، دشوار بوده است. هدف این تیم گسترش طیف اشکالی است که با این روش امکان‌پذیر است.
برای انجام این کار، فو نرم‌افزاری به نام DNAxiS توسعه داد. این نرم‌افزار بر روشی برای ساخت با DNA متکی است که در سال ۲۰۱۱ توسط یان، که ۲۰ سال پیش قبل از پیوستن به هیئت علمی دانشگاه ایالتی آریزونا، دانشجوی فوق دکترا در دانشگاه دوک با ریف بود، شرح داده شده است.
این نرم‌افزار با پیچاندن یک مارپیچ دوتایی بلند DNA به صورت حلقه‌های متحدالمرکز که روی یکدیگر قرار می‌گیرند تا خطوط کلی جسم را تشکیل دهند، مانند استفاده از حلقه‌های گل رس برای ساخت گلدان، کار می‌کند.
برای قوی‌تر کردن سازه‌ها، تیم همچنین امکان تقویت آنها را با لایه‌های اضافی برای افزایش پایداری فراهم کرد.
فو انواع شکل‌هایی را که می‌توانند بسازند نشان می‌دهد: مخروط، کدو حلوایی، برگ شبدر. DNAxiS اولین ابزار نرم‌افزاری است که به کاربران اجازه می‌دهد چنین شکل‌هایی را به طور خودکار طراحی کنند و از الگوریتم‌هایی برای تعیین محل قرارگیری «منگنه‌های» کوتاه DNA برای اتصال حلقه‌های بلندتر DNA به یکدیگر و حفظ شکل در جای خود استفاده می‌کنند.
فو گفت: «اگر تعداد آنها خیلی کم باشد یا اگر در موقعیت نادرستی باشند، ساختار به درستی شکل نمی‌گیرد. قبل از نرم‌افزار ما، انحنای شکل‌ها این مشکل را به یک مشکل بسیار دشوار تبدیل می‌کرد.»
به عنوان مثال، با توجه به مدلی از شکل قارچ، کامپیوتر لیستی از رشته‌های DNA را که می‌توانند به صورت خود به خود در پیکربندی صحیح مونتاژ شوند، ارائه می‌دهد.
ریف گفت، پس از سنتز و مخلوط کردن رشته‌ها در یک لوله آزمایش، بقیه کارها به خودی خود انجام می‌شود: با گرم کردن و سرد کردن مخلوط DNA، ظرف تنها ۱۲ ساعت «به طرز جادویی به نانوساختار DNA تبدیل می‌شود.»
محققان گفتند که کاربردهای عملی نرم‌افزار طراحی DNA آنها در آزمایشگاه یا کلینیک ممکن است هنوز سال‌ها طول بکشد. اما ریف گفت: «این یک گام بزرگ رو به جلو در زمینه طراحی خودکار ساختارهای سه‌بعدی جدید است.»
لینک مفید:مهار مولکول‌های DNA برای تشخیص بیماری و الکترونیک
بیشتر بدانید:محققان حسگر زیستی DNA منحصر به فردی برای تشخیص بیماری در مراحل اولیه ایجاد کردند
بیشتر بخوانید:شیمیدانان با استفاده از DNA کوچکترین آنتن جهان را ساختند
تاریخ:1404/7/1
مهسا نعمتی
