DNA אוריגמי

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

DNA אוריגמי היא שיטה לקיפול רצפי חומצות גרעין (דנ"א) המאפשרת לפתח מבנים דו-ממדיים ותלת-ממדיים בעלי סדר גודל ננומטרי (10-9 המטר). באמצעות רצפי דנ"א מתוכננים, המנצלים את תכונת ההרכבה העצמית של רצפי דנ"א משלימים, ניתן להרכיב צורות זעירות בעלות מבנה מוגדר. השיטה, אשר פותחה במכון הטכנולוגי של קליפורניה על ידי פול רוטמונד בשנת 2006[1], מתבססת על יצירה של רצף דנ"א חד גדילי ארוך ושל רצפי דנ"א חד גדילי קצרים רבים. הרצפים הקצרים נקשרים אל הרצף הארוך ומשמשים כעין סיכות אשר מהדקות את מבנה הרצף הארוך ומקנות לו את צורתו. בדרך זו, מדענים הצליחו עד היום ליצור מבנים דו ממדיים ותלת ממדיים שונים. מקור השם דנ"א אוריגמי הוא באמנות קיפולי נייר אשר מקורה ביפן.

תמונת מיקרוסקופ אלקטרוני של DNA אוריגמי.
מיפוי ה-DNA למעלה והמודל האטומי למטה. EMD-2210

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

בשנת 1959 ריצ'רד פיינמן העלה בהרצאתו יש שפע מקום בתחתית (באנגלית: There’s plenty of room at the bottom) את השאלה הבאה: "מדוע איננו יכולים לכתוב את כלל עשרים וארבעה הכרכים של אנציקלופדיה בריטניקה על גבי ראש של סיכה?". הוא חישב שלצורך כך יידרש שימוש בנקודות בגודל 8 ננומטר. שיטות אשר שולטות באטומים בודדים, כגון מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) ומיקרוסקופ מינהור סורק(STM), יכולות לענות על האתגר, אך שיטות אלה מסובכות לשימוש ודורשות תנאים קיצוניים לעבודה. אפשרות נוספת היא שימוש בשיטות הרכבה עצמית שאינן יקרות, קלות יותר לביצוע ובעלות יכולת ליצירה מקבילית של מבנים ננומטריים בתנאים נוחים. יחד עם זאת, שיטות אלו אינן מאפשרות יצירה של מבנים מורכבים.

בניה מדנ"א מבוססת על ההנחה שגדילים בודדים של דנ"א מתחברים ליצירת דו-גדילים (בין גדילים שונים, בין גדילים שווים או בקיפול גדיל על עצמו) כאשר יש ביניהם התאמה רצפית. הגישה המסורתית להרכבת מבני דנ"א מ"אבני בניין" היא יצירת מספר אוליגו-נוקלאוטידים מתוכננים היוצרים השלמה לסלילים כפולים דו-גדיליים והמהווים מבנה "אבן הבניין". בקצוות הגדילים מתוכננים רצפים המאפשרים השלמה בין אבני בנין שונים, קצוות אלו נקראים "קצוות דביקים", שכן הם מאפשרים לחבר אבן בנין אחת לרעותה. הרעיון הועלה לראשונה בשנת 1982 על ידי החוקר נאדריאן סימן שהציע כי באמצעות תכנון מקטעי דנ"א עם קצוות דביקים ניתן יהיה להרכיב מבנים תלת-ממדיים [2]. האפשרות לחזות את האינטראקציות בין הגדילים מאפשרת לחוקרים לתכנן מולקולות דנ"א שיכולות להתחבר אחת אל השנייה. באופן טבעי, דנ"א דו-גדילי הוא לינארי, אך בתכנון של הרצף ניתן ליצור מבנים של ענפי דנ"א (אריחי דנ"א). בין המבנים השונים ניתן לחבר על ידי הצלבה של קצוות דביקים. הניסיונות הראשונים ליצור מבנים מענפים בודדים נחלו כישלון [3] ומספר הצורות שניתן היה להרכיב בהצלבה אחת היה מוגבל. בשנת 1993 השתמשו לראשונה בהצלבה כפולה. בשיטה זו נבנות מספר רשתות דו ממדיות מחזוריות. אף על פי שרשתות אלו מאפשרות לקשור חלבונים, מתכות וכדומה בצורה מדויקת, הן אין-סופיות ואינן אחידות בגודל ובצורה. שיטה זו רווחת גם היום. בשנת 2005 פיתחו ליו וקבוצתו שיטה לבניית מבנים סופיים על ידי שימוש במספר אריחי דנ"א בעלי קצוות דביקים שונים המתחברים רק לאריח השכן. בשנת 2007 שולמן ווינפרי הצליחו ליצור רשת ברוחב קבוע על ידי בקרה מדויקת של תהליך הגדילה שלה [4]. בשנים האחרונות פותחו שיטות דומות נוספות. בשיטות אלו קשה לתכנן מבנה יציב ולכן הן מוגבלות לצורות גאומטריות פשוטות. כמו כן שיטות אלו מכילות שלבי עבודה רבים ותפוקתן מועטה. כיוון מחקר נוסף שהתפתח במקביל היה של ין וקבוצתו (2003) שהציעו אסטרטגית הרכבה ייחודית המבוססת על אריחי דנ"א שיורכבו על דנ"א חד גדילי ארוך שיהווה פיגום. גישה זו מהווה את הבסיס לדנ"א אוריגמי. הקפיצה הגדולה בבניה מדנ"א הייתה כאשר פול רוטמונד[1], פיתח גישה בה משתמשים ברצפי דנ"א קצרים כ"סיכות" המתוות את הצורה שבה יתקפל גדיל דנ"א ארוך המהווה "פיגום" של המבנה – זהו הדנ"א אוריגמי. לשיטה זו מספר יתרונות על השיטות האחרות: מיעוט הטעויות בקיפול הגדיל הארוך גורם ליצירה של פחות מבנים פגומים ומתקבלת תפוקה גבוהה יותר בזמן סינתזה קצר יותר; כמו כן, מתאפשרת יצירת מבנים מסובכים יותר, בהם יש אפשרות לגשת למיקומים ספציפיים (על סמך הרצף הידוע של פיגום הדנ"א). בשיטה זו יצרו בקבוצה של רוטמונד מספר צורות דו ממדיות כגון מלבנים, משולשים וכוכבים.

שלבי יישום השיטה[עריכת קוד מקור | עריכה]

תכנון ועיצוב דנ"א אוריגמי נעשה בחמישה שלבים:

בשלב הראשון, הנעשה ידנית, יש לבנות מודל גאומטרי של מבנה דנ"א לפי הצורה המבוקשת. הצורה הנבחרת מכילה מספר זוגי של דו-גדילים מקבילים הבנויים מגדיל ארוך המלופף הלוך וחזור כעקלתון ומהווה את שלד הצורה. שזירת הגדיל השלד ההעקלתוני נעשית באמצעות גדילי דנ"א קצרים המשלמים למקטעים בתוך גדיל השלד, כאשר כל מקטע שזור נקרא "צילינדר". אורך הגדיל השלד מתוכנן כך שיתאים לצורה המבוקשת. בכל "צילינדר" יהיה מספר שלם של סיבובי דו-הגדיל. על מנת להחזיק את הצילינדרים במקומם, משולב בצורה הנבנית מערך של מעברים בין הצילינדרים. מעברים אלו מייצגים מיקומים שבהם גדילי הדנ"א השוזרים את גדיל השלד עוברים מסליל (צילינדר) אחד לסליל מקביל בתוך גדיל השלד המתפתל. ידוע שגדילים מקבילים במבני דנ"א אינם ארוזים בצפיפות כנראה בשל דחייה בין מטענים השלילים של קבוצות הזרחן אשר על השלד של מולקולת הדנ"א. הרווח בין כל זוג צילינדרים תלוי בריווח של המעברים ומוגבל על ידם. רצוי שהמעברים יופיעו במרווחים של מספר אי-זוגי של חצאי סיבוב דו-הגדיל.

בשלב השני, לאחר שהמודל הגאומטרי של הצורה הרצויה וכן מסלול הקיפול של הדנ"א החד גדילי הארוך הוכנו, הם מוצגים כרשימות של אורכי דנ"א והזחות ביחידות של חצאי סיבובים של דו-הגדיל. נתונים אלו מוזנים לתוכנת מחשב, יחד עם רצף הדנ"א החד-גדילי הארוך. תכנת המחשב מבצעת תכנון של סט המעברים, הקרויים גם "אטבים" או "סיכות", אשר משלימים את הדנ"א החד-גדילי הארוך ליצירת דו-גדיל.

בשלב השלישי, על מנת לייצב את המבנה מבחינת לחץ המופעל עליו בתהליכי הקיפול, מחושבים מחדש מיקומי המעברים בין הצילינדרים ומיקומם משתנה בהתאם. כמו כן, מיקומי ה"סיכות" מחושבים בהתאם.

בשלב הרביעי, כדי לאפשר ל"סיכות" תחום קשירה גדול יותר עם החד-גדיל הארוך, זוגות סמוכים של "סיכות" מאוחדים ליצירת סט של גדילים ארוכים יותר ומעטים יותר. הדבר מקנה ייחודיות רבה יותר בקישור ואנרגיית קישור גבוהה יותר (שתוצאתה בנקודת התכה בה הגדילים נפרדים גבוהה יותר).

שימושים ויישומים[עריכת קוד מקור | עריכה]

זיהוי של מולקולות בודדות[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • זיהוי ביטוי גנים – בשיטה זו, יוצרים משטח מלבני מדנ"א בשיטת דנ"א אוריגמי, אשר אליו מחוברים רצפי דנ"א חד גדילים באורך 20 נוקלאוטידים, המשמשים כגלאים. אם יהיה בדגימה רצף רנ"א משלים לאחד הגלאים, הם יעברו היברידיזציה. את רצפי הרנ"א המחוברים ניתן לאתר בקלות באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי. יתרונה של שיטה זו על פני שיטת מערך הדנ"א (DNA microarray) הנהוגה כיום, הוא שניתן לגלות בעזרתה אפילו ביטוי נמוך מאוד של גן מסוים, ייתכן שאפילו ברמת התא הבודד [5].
  • זיהוי תגובות כימיות - ניתן לאתר תגובה כימית בין שתי מולקולות על ידי תצמידים של ביוטין-סטרפטאבידין שמוקמו על מלבן דנ"א, כאשר כל יצירה או פירוק של קשר כימי מביאים לקישור או ניתוק התצמידים מהמשטח (בהתאמה). ניתן לעקוב אחר קשרים אלו על ידי מיקרוסקופ כוח אטומי. ניתן להשתמש בשיטה זו כדי לחקור מגוון של תהליכים כימיים ואף ליצירה של מקרומולקולות ברמת סלקציה גבוהה מהקיימת היום.

ארגון חומרים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • ארגון חלבונים - ניתן להשתמש במבני דנ"א דו ממדיים כדי לסדר עליהם חלבונים בצורה מכוונת [6]. על מנת לעשות זאת משתמשים בסיכות שמחובר אליהן החלבון הרצוי. ניתן לתכנן את מיקום החלבונים על ידי מיקום מכוון של כל סיכה.
  • בניית מעגלים חשמליים - בעזרת הדנ"א אוריגמי ניתן לעגן שפופרות פחמן (SWNT) על מבני דנ"א דו ממדיים [7]. בדרך זו, ניתן יהיה לייצר מעגלים חשמליים בשיטת "מלמטה-למעלה" (bottom-up).
  • שימוש בבסיס דנ"א ליצירת מבני מתכת ננומטריים על ידי פיגומי דנ"א מתוכננים עליהם משקיעים יוני מתכת (קשר בין מטען החיובי שביון המתכת למטען השלילי שבזרחן על-גבי שלד הדנ"א) היוצרים גרעין גיבוש להשקעה נוספת וכך יוצרים ננו-חוטים מוליכים במתווה המתוכנן של דנ"א אוריגמי. [8][9].

אוריגמי תלת-ממדי[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • ננורובוטיקה - בעזרת מבני דנ"א תלת ממדיים ניתן ליצור רובוטים מדנ"א תלת ממדי אשר מסוגלים לנוע במרחב ולהגיב לגירויים חיצוניים כגון אור וכדומה.
  • תרפיית גנים בננו-רפואה- ניתן ליצור מערכות שיגור תרופות הבנויות מדנ"א אשר יכולות להשתיק גנים מסוימים בתאים מסוימים. כיום, האתגר העומד בפני החוקרים הוא לגרום למבנה התלת ממדי לחדור את ממברנת התא. אחד הפתרונות הוא ציפוי המבנה במולקולות אשר מצפות בדרך כלל מעטפות נגיפים המאפשרות להם להדביק את התא על ידי חדירה אליו.
  • מדידה וכיול מרחקים - ניתן ליצור סרגל תלת ממדי המאפשר למדוד מרחקים בסדרי גודל ננומטריים. ניתן להשתמש בסרגל כזה על מנת לאמוד מרחקים בין מולקולות המשתתפות בתגובה מסוימת או לצורך כיול מיקרוסקופים. כיום נהוג לכייל מיקרוסקופים בעזרת מולקולות דנ"א חופשיות או שרשראות חלבונים, אך כיול שכזה אינו מדויק בגלל גמישות המולקולות וגודלן המרחבי המשתנה.
  • עיגון - יצירת מבנה דנ"א אשר ישמש לעיגון תאים, למשל לצורך יצירת רשתות נוירונים מתוכננות.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

ננוטכנולוגיית דנ"א

ביו-מחשב

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ 1.0 1.1 Paul W. K. Rothemund (2006). "Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns". Nature 440 (7082): 297–302. doi:10.1038/nature04586. ISSN 0028-0836. PMID 16541064. 
  2. ^ N. C. Seeman, “Nucleic acid junctions and lattices.,” Journal of theoretical biology, vol. 99, no. 2, pp. 237-47, Nov. 1982.
  3. ^ N. C. Seeman, “DNA nanotechnology: novel DNA constructions.,” Annual review of biophysics and biomolecular structure, vol. 27, pp. 225-48, Jan. 1998.
  4. ^ R. Schulman and E. Winfree, “Synthesis of crystals with a programmable kinetic barrier to nucleation.,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 104, no. 39, pp. 15236-41, Sep. 2007.
  5. ^ H. Ke, Yonggang Lindsay, S., Chang, Y., Liu, Y., Yan, “Self-Assembled Water-Soluble Nucleic acid probe tiles for label-free RNA hybridization assays.,” Science, vol. 319, pp. 180-183, 2008.
  6. ^ A. Kuzyk, K. T. Laitinen, and P. Törmä, “DNA origami as a nanoscale template for protein assembly.,” Nanotechnology, vol. 20, no. 23, p. 235305, Jun. 2009.
  7. ^ H. T. Maune et al., “Self-assembly of carbon nanotubes into two-dimensional geometries using DNA origami templates.,” Nature nanotechnology, vol. 5, no. 1, pp. 61-6, Jan. 2010.
  8. ^ B. Ding, Z. Deng, H. Yan, S. Cabrini, R. N. Zuckermann, and J. Bokor, “Gold nanoparticle self-similar chain structure organized by DNA origami.,” Journal of the American Chemical Society, vol. 132, no. 10, pp. 3248-9, Mar. 2010.
  9. ^ S. Pal, Z. Deng, B. Ding, H. Yan, and Y. Liu, “DNA-origami-directed self-assembly of discrete silver-nanoparticle architectures.,” Angewandte Chemie (International ed. in English), vol. 49, no. 15, pp. 2700-4, Apr. 2010.