DNA-موتورها


DNA ماکرو مولکولی است که از هر نظر، برای ایفاء مهمترین نقش خود یعنی انتقال اطلاعات بیولوژیک شایسته است. بعبارتی DNA شاهکار خلقت در ایجاد ماکرو مولکولهای زیستی بحساب می آید . همة فواصل و زوایای پیوند، انرژی ها و نوع پیوند عناصر از دقیقترین قوانین فیزیک مولکولی پیروی می کنند. دانشمندان بارها سعی کرده اند با ساخت ماکرومولکولهای دیگری، بتوانند جایگزینی برای DNA بیابند. اما تاکنون تلاشهای آنها با شکست روبرو شده است. از دید بسیاری از محققان،DNA متکاملترین مولکول ایجاد شده توسط طبیعت می باشد. مشخصه مهم مولکول DNA، بعنوان یک مولکول ، هوشمندی آن است. دو رشته DNA که از نظر توالی بازها، مکمل یکدیگرمی باشند، می توانند یکدیگر را شناسایی کرده، پیوند هیدروژنی برقرار کنند و این، آن چیزی است که دانشمندان را قادر ساخته است تا از DNA در واکنشهای شیمیایی استفاده کنند. DNAتقریباً در اکثر علوم همانند علوم کامپیوتر ، مکانیک مولکولی ،معماری ، سیبرنتیک و حتی علوم محضی همانند ریاضیات کاربردهایی یافته است .
در حال حاضر ریاضی دانان برای حل برخی ازمسائل هندسی و جبر خطی که به کمک قویترین رایانه ها هم قابل حل نیستند، از مولکول DNA کمک می گیرند . مسأله معروفی در جبر خطی بنام مساله Hamiltonian path سالها ذهن ریاضی دانان را بخود مشغول کرده بود . در سال 1991ریاضی دانی بنام Adleman توانست با بکارگیری DNA این مسأله را حل کند .
ساختار مارپیچ دورشته ای DNA دارای نظم هندسی خاصی است. این نظم هندسی باعث می شود که، برایند نیروهای وارد بر مولکول DNA بر روی محور مرکزی مولکول قرار گیرد. در ریاضیات از این ساختار منظم برای حل مسائل مربوط به اشکال هندسی مقاطع مخروطی و مسائل معروفی مانند مسأله Kepler استفاده می شود . درعلوم کامپیوترهمDNAباعث بوجودآمدن رشته های جدیدی همانند رشته هایGenetic programing و ایجاد مبحث Genelic Algorithm شده است.

اخیرا دانشمندان توانسته اند بااستفاده از این خواص DNA، ابداعات بسیاری خلق کنند. هدف از ارائه مطالب زیر، شرح کامل جزئیات نیست، بلکه سعی شده است با نشان دادن اساس کار این سیستمها و سادگی بکار رفته درآنها، روح خلاقیت و ابتکار را در خواننده بیدار کرده و نشان داد که با چه امکانات ساده ای (و یا در حد تئوری ) می توان دست به ابداع و اختراع زد.




شکل۱






شکل ۲


DNA موتورها یا DNA- ماشین ها، نسل جدیدی از سازه های حاصل از DNA هستندکه، بدون نیاز به انرژی خارجی و تنها با انرژی پیوندهای هیدروژنی DNA (DNA-fueled) قادر به حرکت می باشند.برنارد یورک وهمکارانش در Lucent Technologies' Bell Labs و دانشگاه آکسفورد سالهاست که برروی این نوع ماشینها کار می کنند.
برای مثال یک نمونه ساده از این ماشین ها ، به صورت پنس می باشد . این پنس از سه رشته DNA ساخته شده است (رشته های C,B,A) در حالت عادی بازوهای این پنس باز می شود، ولی با اضافه کردن رشته DNA دیگر (رشته F)، رشته جدید با قسمتهای تک رشته ای دوبازوی پنس هیبرید شده، باعث بسته شدن آن می شود.(شکل ۳) با اضافه کردن یک رشته دیگر (رشته F΄) که کاملاً مکمل رشتهF است ، رشته F΄ با رشته Fهیبرید می شود ودو بازوی پنس را آزاد می کند . این عمل از نظر تغییرات انرژی آزاد (∆G0) امکان پذیر است زیرا پیوند میان رشتهF و رشته های C وB، بعلت فشار فضایی سست است. اما رشته F با رشتة F΄ پیوند های هیدروژنی محکمی برقرار می کند.




شکل ۳:پنس باز از دو رشته A,B,C تشکیل شده که پس از اضافه کردن رشته F بحالت بسته در میآید(شکل از Xzay©2001)

نمونه فوق ، نمونة ساده ای از انواع حرکتهای دینامیکی است که بوسیله DNA -موتورها انجام می شود. دانشمندان در نظر دارند با تکمیل سیستمهای فوق ، از DNA- موتورها در نقل و انتقال مولکولهای بسیار کوچک مانند داروها، در داخل سلول استفاده کنند. به علاوه DNAبعلت هوشمند بودن قابل برنامه ریزی است و به عبارتی می توان با این سیستم نانوروبوتهایی(Nano Robot) را طراحی کرد، که می توانند برای انجام عمل خاصی در سلولها برنامه ریزی شوند.برای مثال این نانوروبوتهارا میتوان طوری برنامهریزی کرد که در زمان خاصی از سیکل سلولی ویا در اثر رسیدن یک سیگنال به سلول ، فعال شده و وزیکول حاوی مواد دارویی را به قطب خاصی از سلول و یا یک اندامک ویژه ، ارائه کند.




دکتر برنارد یورک و همکارانش


استفاده ازDNA به ­عنوان پیستون
بیوفیزیکدانان با استفاده از DNA، قطعه­ای مولکولی ساخته­­اند که با افزودن DNA سوخت منبسط و منقبض می­شود.آلبرتی و مرنی از موزة ملی تاریخ طبیعی پاریس، این قطعه را با استفاده از یک زنجیر منفرد از نوکلئوتیدها ساختند. آنها معتقدند که این وسیله را می­توان به­عنوان جزء ساختاری در نانوماشینهای مولکولی مورد استفاده قرار داد.
DNA ترکیب جالبی برای استفاده در ماشین­های مولکولی است. خودسامانی DNA به سادگی انجام می­پذیرد و ساختارهای مولکولی پیچیده­های از شاخه­های سادة DNA ساخته می­شود. به علاوه DNA می­تواند تغییر شکل دهد و این توانایی موجب گسترش دامنة ساختارهای حاصل از آن می­شود.
آلبرتی و مرنی از یک ساختار چهارگانة غیرمعمولی از DNA استفاده کردند. این ساختار از چهار زنجیره با بیست و یک باز تشکیل شد بود که به شکل خاصی به هم پیچیده شده بودند. با افزودن DNA سوخت به این ساختار، زنجیره­های آن از هم باز شده و ساختار بسیار معمولی و دو زنجیره­ای را بوجود می­آورد. محققین به­منظور دوباره پیچاندن زنجیره­ها به همدیگر، از یک ضد سوخت استفاده کردند. این ضد سوخت با سوخت ترکیب شده و به شکل محصول دورریز درمی­آید. چرخة انبساط و انقباض فقط چند ثانیه به­طول می­انجامد و نتایج طیف نگاری نشان می­دهد که این فرآیند در فاصله­ای بین 5 تا 6 نانومتر انجام می­شود.
این ابزار بین دو حالت کاملاً شناخته شده تغییر حالت می­دهد و می­توان از آن جهت حرکت دادن یک پیستون درون یک سیلندر استفاده نمود. مرنی می­گوید:" این نوع جدید از حرکت انقباضی- انبساطی، به خوبی با دیگر انواع حرکات چرخشی و نیز حرکات قیچی مانند، برابری می­کند. از دیدگاه نانوتکنولوژی این فرآیند در نهایت می­تواند منجر به کنترل ساختار از طریق افزودن شاخه­هایی با توالی خاص گردد."
توالی بازها در زنجیرة مورد استفاده توسط محققین از نظر زیستی اهمیت دارد و این تیم با استفاده از توالی­های دیگر، به ­دنبال دسترسی به انواع دیگری از حرکت هستند. مرنی افزود: "ما همچنین به دنبال یافتن این موضوع هستیم که آیا ساختارهای چهارگانه قادر به شکل­گیری درون سلول انسانی هستند یا خیر؟"

/ 0 نظر / 72 بازدید