نانوتکنولوژی DNA

 

 

مقدمه:

نادرین سیمن و همکارانش از دانشگاه نیویورک توانسته اند با استفاده از موتیفهای DNA ساختارهای مولکولی جالبی را ایجاد کنند که بدون کمک DNA ایجاد آن ساختارهاامکانپذیر نبود. کاربرد DNA در ساخت این ریزساختارها در قلمرو علمنانوتکنولوژی قرار میگیرد که در ادامه به بخشی از این کاربردها اشاره میشود.

 
مجتمع کردن ذرات کلوئیدی

برایساخت برخی سنسورهای شیمیایی و ابزارهای اپتئوالکتریک، از کلوئیدهای فلزاتیمانند طلا (Au) یا تیتانیوم و کلوئیدهایی از ترکیبات نیمه رسانا (Semi Conductor) مانند ذرات CdSe یا CdS استفاده می شود. اما مشکل عمده درساختاین ابزار این است که این ذرات کلوئیدی، بعلت اینکه بر سطح خود دارایبارهای همنام می باشند به سادگی مجتمع نمی شوند و یکدیگر را دفع می کنند. از این خاصیت DNA که رشته های مکمل ، یکدیگر را شناسایی می کنند و با همهیبرید می شوند ، برای رفع این مشکل استفاده می شود. اگر سطح یک سری ازاین ذرات کلوئیدی را با یک توالی الیگو نوکلئوئیدی DNA (مانند TACCGTTG) وسطح سری دیگربا الیگو نوکلوئید دیگری (مانندCAACGGTA) پوشانده شود و سپساین دو دسته از ذرات با هم مخلوط شوند ،دراثرهیبرید شدن الیگو نوکلئوتیدهابا توالیهای مکمل خود، ذرات کلوئیدی مجتمع شده، بهم می پیوند ند . باتغییرطول توالی های نوکلئوتیدی می توان فاصله بین ذرات کلوئیدی را نیز تنظیمکرد.

 
ساخت کریستالها

کریستالهادر الکترونیک و صنایع کاربرد فراوانی دارند اما ساخت کریستالها به اشکالمختلف دارای مشکلاتی است برای مثال گاهی لازم است که کریستالهای از یک فلزدر یک سیستم کریستالی بخصوص داشته باشیم اما به روشهای شیمیایی آن فلز فقطبه یک سیستم کریستالی ، کریستالیزه می شود . برای مثال ذرات نقره بصورتطبیعی همواره به سیستم اورتورومبیک کریستالیزه می شوند وحال آنکه بهبلورهای دیگری از نقره مانند ترک کلینیک یا کوبیک نیاز است.

 

DNA در حالت عادی به فرم مارپیچهای نوع B وگاهی A است . اما درهنگام کراسینگ آور، در مولکول DNA ساختاری را شبیه صلیب بوجود می آورند که به آن ساختار هالیدی گفته می شود.

در صورتیکه چندین ساختار هالیدی هم اندازه را بکمک آنزیم DNA- لیگاز بهم متصل کنیم . شبکه ای دو بعدی از مولکولهای DNA بوجود می آید که به آن لاتیس (Lattice) گفته می شود . ساختارهای صلیب مانند هالیدی بعنوان مونومرهایاین شبکه دو بعدی عمل می کنند .

در صورتیکه انتهای بازوهای این صلیبها بصورت چسبان باشد (Sticky end) مونومرهای هالیدی مختلف می توانند یکدیگر را شناسایی کنند و به یکدیگر متصل شوند به این ترتیب می توان با بکارگیری مونومرهای مختلفی که با الگوی خاصی بهم متصل می شوند . لاتیسهایی با اشکال مختلف بدست آورد.

 

 

 








شکل۱:نمونه از لاتیسهای دو بعدی که بکمک DNAساخته میشود.

با اتصال این لاتیسها در صفحات فضایی مختلف بهم می توان شبکه های سه بعدی به اشکال فضایی مختلف ماند چهار وجهی (تتراهدرال) هشت جهی( اکتاهدرال) دلتاهدرال (پلی هدرالی که همة وجوه آن مثلثی باشد) و … بدست آورد .

 



شکل۲:ساختار کوبیک متشکل از لاتیسهای DNA



شکل۳: ساختار اکتاهدرال متشکل از لاتیسهای DNA

ساخت این اشکال فضایی مختلف به کمک DNA ، نیازمند بکارگیری توالیهایدقیقاً محاسبه شده از DNA که دارای جایگاه اثر برای آنزیمهای مختلف درمکانهای مختلف هستند و در نوکلئوتیدهای خاصی متیله شده اند، می باشد.(اینمحاسبات با کامپیوتر انجام می شود و سنتز DNA بصورت مصنوعی صورت می گیرد) توالی DNA باید طوری باشد که در جایگاه بخصوص کراسینک آور بدهند . بکمکآنزیمهای RecA و هلیکاز می توان توپولوژی احجام فضایی حاصله را بطوردلخواه تغییر داد و بکمک توپوایزدمرازهای Iو III می توان احجام فضایی رابه انانتومرهای خود (تصاویر آئینه ای ) تبدیل کرد . با قرار دادنجایگاههای اثر آنزیمهای محدود کنندة بخصوص در زاویای احجام تشکیل شده میتوان این احجام را به احجام کوچکتر تقسیم کرد و بااستفاده از ترکیب چند تااز این احجام کوچک به کمک آنزیم لیگاز ، احجام جدیدی بدست آورد. بکمک ایناحجام فضایی می توان اسکلت کریستالهای مختلفی را طراحی کرد و بااتصالنانوکریستالها(ذرات ریز کریستال ) به DNA ، از این اسکلت بعنوان داربستیبرای کریستالیزاسیون این ذرات کوچکتر استفاده کرد (شکل 3) برای این منظورپس از آنکه مولکولهای DNA ds بعنوان اسکلت برای کریستال مورد نظر طراحیشدند ، اجزاء تشکیل دهنده کریستال را به این مولکولهای DNA متصل می کنند وسپس با کمک آنزیمهای مختلف این DNA را بصورت لاتیس های دو بعدی و سپساحجام فضایی در می آورند . با قرار دادن مولکول حاصل در شرایطکریستالیزاسیون ، کریستال بر دابست DNA به شکل دلخواه تشکیل میشود . پس میتوان مولکولهای DNA را با آنزیم Dnase حذف کرد.



شکل ۴: استفاده از آنزیمها

از احجام فضایی DNA نه تنها برای ساخت کریستالهای ، بلکه برای ساخت سازههای زیستی نیز می توان استفاده کرد در سال 1994 نی مایر (Neimeyer ,eatl 1994) از این احجام فضایی بعنوان داربستی برای ساخت پروتئینها به اشکالمتفاوت استفاده کرد .این گروه در سدد هستند با استفاده از این تکنیک شکلاسکلت سلولی سلولها را تغییر دهند و سلولهایی با اشکال جدید برای مصارفصنعتی ایجاد کنند.

 

 



 

 



شکل۵:داربستهایی بعنوان زیرساختارهای پروتئینی

ساخت مدارهای منطقی :

با ترکیب مشخصی از مولکولهای B- DNA و Z- DNA حلقوی میتوان حلقه های درهم رفته ای از مولکولهای DNA را با اشکال مختلف بدست آوردبه این حلقه های دهم رفته حلقه های Borromean گفته می شود. اگر یکی از اینحلقه ها از هم باز شود بقیه حلقه های از یکدیگر جدا می شوند وبصورت حلقههای مجزایی در می آیند.

 

 



شکل۶:حلقه های برومین

 

در الکترونیک از سوی حلقه های Borromean برایساخت مدارهای منطقی استفاده می شود به این صورت که اگر اتصال در یکی ازحلقه ها (مدارات ) ، برقرار نباشد ، اتصال در دیگر مدارات نیز قطع می شود. از این مدارات در ساخت کامپیوترهای ساده (ماشین حسابهاو….) استفاده میشود باساخت حلقه های Borromean از DNA در صورت منطقی نبودن یک حلقه(نادرست بودن محاسبه ) دیگر حلقه ها از هم جدا می شوند که با انجام ژلالکترونورز می توان منطقی نبودن معادله را مشاهده کرد.

 

 


منابع: 


[1]  Adleman, L.M. (1994), Molecular computation of solutions to combinatorial problems, Science 266, 1021-1024.
[2]  Chen, J.H., Kallenbach, N.R. and Seeman N.C. (1989), A specific quadrilateral synthesized from DNA branched junctions, J. Am. Chem. Soc. 111, 6402-6407.
 [3] Zhang, Y. and Seeman, N.C. (1992), A solid-support methodology for the construction of geometrical objects from DNA, J. Am. Chem. Soc. 114, 2656-2663.
 [4] Mao C., Sun W. and Seeman N.C. (1997), Assembly of Borromean rings from DNA, Nature (London) 386, 137-138.
 [5] Li, X., Yang, X., Qi, J., Seeman, N.C. (1996), Antiparallel DNA double crossover molecules as components for nanoconstruction, J. Am. Chem. Soc. 118, 6131-6140.
[6]  Winfree, E. (1996), On the computational power of DNA annealing and ligation. In: DNA Based Computing, ed. by Lipton, E.J. and Baum , E.B, Providence: Am. Math. Soc., pp. 199-219.
[7]  Mirkin, C.A., Letsinger, R.L., Mucic, R.C. and Storhoff, J.J. (1996), A DNA-based method for rationally assembling nanoparticles into macroscopic materials. Nature 382, 607-09.
[8]  Niemeyer, C.M., Sano, T., Smith, C.L., Cantor, C.R. (1994), Oligonucleotide-directed self-assembly of proteins. Nucl. Acids Res. 22, 5530-5539.

 

 

/ 8 نظر / 115 بازدید
سعید

من با اجازتون این مطلب رو تو وبلاگ خودم ام گذاشتم [شوخی]

سعید

اوه ... ببخشید ... این شکلکی که گذاشتم اشتباهی بود ... [چشمک]

نشریه پزشک الکترونیک

پژوهشگرمحترم گروه پزشکي، ازشما دعوت مي شود مقالات پزشکي خود را ( مقالات پژوهشي و مقالات مروري ، مقالات کيس ريپورت و ساير مقالات ) درزمينه هاي مرتبط با علوم پزشکي را جهت انتشار درنشريه پزشک الکترونيک به ما ارسال نماييد. ضمنا به مقالات رسيده گواهي انتشار فارسي و انگليسي نيز صادر خواهد شد. مقاله شما براي انتشاردراين نشريه بايد حتما داراي يک خلاصه مقاله بزبان انگليسي ( حداقل در250 کلمه) باشد. زبان اصل مقاله شما فارسي و يا انگليسي مي تواند باشد. جهت کسب اطلاعات بيشتر و سابميت مقاله خود به آدرس زير مراجعه نماييد: www.pezeshkelectronic.ir

بیوتکنولوژی امروز

سلام وبلاگی جالبی دارید ،موفق باشید.خوشحال می شیم ما هم از نظرات شما استفاده کنیم

سارا

[گل]با سلام من این مطلب رو با اجازه توی وبلاگم گذاشتم.

خ-جلائیان

salam. az matalebeton kheily estefade kardam man daneshjoye arshad shimi tajzieh hastam ageh vasaton momkene dar mored karborde aptamer dar raveshhay jodasazy mesle HPLC. ELECTROPHORESE matlab vasam beferestin mamnonam

کیوان

خیلی مطلب جالب و مفیدی بود

داداش پور

با سلام و خسته نباشید مطلب بسیار عالی بود که در ترجمه مقاله ام کمک شایانی کرد واقعا ممنون