أظهرت دراسة نشرت في مجلة Nature Nanotechnology بقيادة البروفيسور داني بورات من الجامعة العبرية لأول مرة توصيل تيار كهربائي كبير على مسافة طويلة في جزيئات الحمض النووي. وتفاجأ الباحثون عندما اكتشفوا أن التوصيل الكهربائي يمر عبر مسار الحمض النووي، والذي كان يعتبر قناة توصيل غير محتملة. يُستخدم هذا الاكتشاف حاليًا كأساس لتطوير كاشف يمكنه اكتشاف علامات السرطان وحتى فيروس كورونا بحساسية وسرعة.
أدى التطور التكنولوجي في العقود الأخيرة إلى زيادة الحاجة إلى تصنيع الرقائق والمكونات الإلكترونية الصغيرة لإنشاء قوة حاسوبية قوية في حجم تخزين أقل. حتى الآن، تم تحقيق نفس التصغير باستخدام الأدوات التكنولوجية التقليدية في عالم الحوسبة، لكن الاستمرار في نفس اتجاه التصغير يتطلب التفكير خارج الصندوق. أدت الاتجاهات الجديدة إلى عودة الباحثين إلى "الطبيعة الأم"، التي اتضح أنها تعلمنا أيضًا شيئًا أو اثنين في عالم النانومتر، مثل التطلع إلى استخدام الحمض النووي لتطوير الأجهزة الكهربائية.
حتى الآن، وضع المجتمع العلمي فرضية مفادها أن التيار الكهربائي يمكن أن يمر عبر جزيئات الحمض النووي، ولكن لم تكن هناك أبدًا تجربة لا لبس فيها تم فيها قياس تيار مرتفع نسبيًا على مسافة طويلة في جزيء DNA واحد مزدوج الجديلة، والذي شرح بدقة آلية التوصيل. في العشرين عامًا الماضية، كان النموذج المقبول هو أن التيار الكهربائي يمر عبر قواعد الحمض النووي التي تربط الحلزونين. ومع ذلك، فإن النتائج المتعلقة بآلية التوصيل لم تكن قاطعة، وفي بعض الحالات كانت تتناقض مع إمكانية مرور تيار عبر جزيء الحمض النووي.
في مقال نشر قبل أيام في المجلة المرموقة "Nature Nanotechnology"، فريق دولي من العلماء بقيادة باحثين من الجامعة العبرية بقيادة نجح البروفيسور داني بورات من معهد الكيمياء ومركز علوم النانو وتكنولوجيا النانو لأول مرة في قياس توصيل تيار كهربائي كبير في جزيء واحد وطويل نسبيا من الحمض النووي, وشرح الآلية وراء التوصيل. إن النجاح في وضع وتحديد الجزيئات الفردية بين الأقطاب الكهربائية وقياس التيارات الكهربائية في جزيئات الحمض النووي الفردية قد سمح للباحثين بإظهار أنه، على عكس النموذج الذي ساد لمدة 20 عامًا تقريبًا، فإن غالبية التيار يمر فعليًا عبر مسار الحمض النووي ( الجزء الخارجي من الحلزون المزدوج - نظام من السكريات والفوسفات). ما يميز هذه الطريقة هو درجة الموثوقية وتكرار التجربة والثبات الذي سمح بإجراء مجموعة واسعة من التجارب، والتي يمكن من خلالها التعرف على خصائص توصيل الحمض النووي وفهم آلية التوصيل.
وفقا للبروفيسور بورات، "لقد واجهنا عدداً من التحديات التقنية الصعبة وبعد التغلب عليها تمكنا من إجراء هذه التجربة المضبوطة. لقد تمكنا من قياس تيارات كبيرة في جزيئات الحمض النووي الطويلة نسبيًا وإظهار أن آلية النقل تختلف عما افترضه المجتمع العلمي حتى الآن. كان التحدي الرئيسي هو القدرة على التأكد من أن كل تجربة تأخذ عينات من جزيء DNA واحد وقياسه مع مرور الوقت. وبعد محاولات عديدة، نجح الطالب الموهوب للغاية، رومان زوربيل، في تطوير تقنية للاتصال المستقر لجزيء واحد بالملامسات."
"بفضل تنوع القياسات الكهربائية، أدركنا أن التيار الكهربائي الذي يمر عبر الحمض النووي لا يتأثر بالتغيرات في السلسلة الأساسية للجزيء (في الحمض النووي الخلوي، تحدد السلسلة الأساسية الشفرة الوراثية). وكان الاستنتاج الواضح هو أن التيار الكهربائي يمر عبر الشريط الخارجي للحمض النووي، وهو البنية المشتركة بين جميع الجزيئات التي كان تسلسلها الأساسي مختلفًا. يشرح البروفيسور بورات كذلك. "من أجل التأكد من أن غالبية التيار يمر بالفعل عبر القلب، قمنا بإنشاء انقطاعات في القلب نفسه على جانبي الملف المزدوج ورأينا بالفعل أنه في هذه الحالة لم يكن هناك تيار".
بالإضافة إلى الحقيقة المهمة المتمثلة في أن النتائج تساعد في الفهم الأساسي لآليات التوصيل الكهربائي في الحمض النووي، فإن الأفكار التي انبثقت عن البحث تُستخدم بالفعل لتطوير أجهزة الكشف الإلكترونية التي سيتم استخدامها، على سبيل المثال، للكشف المبكر عن السرطانات. دقة عالية وأيضا للكشف الحساس والفعال والسريع عن فيروس كورونا. سوف يستفيد مثل هذا الكاشف من حقيقة أن التيار يمر عبر العمود الفقري الخارجي للملف المزدوج. "سيجعل الكاشف من الممكن أخذ عينة مباشرة من الحمض النووي الريبوزي الفيروسي دون ترجمة إلى الحمض النووي وهو ما هو مطلوب لطرقPCR المعيار، والتي يمكن تسريعها وتبسيط عملية الاكتشاف بشكل كبير." يشرح البروفيسور بورات.
ويؤكد البروفيسور بورات أن هذا بالنسبة له هو أعظم نجاح في حياته المهنية حتى الآن. "على المستوى الأكاديمي، تمكنا من اختبار افتراض عمره عشرين عامًا وإظهار أن آلية التوصيل الكهربائي في الحمض النووي تمر عبر عصب كان يعتبر قناة نقل غير قابلة للتصديق. هناك العديد من الأسئلة التي سيتعين علينا الإجابة عليها، ولكننا خطونا أيضًا خطوة أخرى إلى الأمام على المستوى الهندسي نحو الطموح الكبير - لبناء دوائر إلكترونية تعتمد على الحمض النووي".
علاوة على ذلك، فإن القياسات التي يتم نشرها الآن يمكن أن تشكل الأساس للأجهزة الإلكترونية مثل المفاتيح والترانزستورات الصغيرة. وفي قياسات سابقة نشرت قبل حوالي ست سنوات، تمكن الباحثون من نقل تيار كهربائي على مسافة طويلة في الجزيئات المعقدة من أربعة فروع الحمض النووي على سطح صلب (نُشرت الدراسة أيضًا في مجلة Nature Nanotechnology). وكانت هذه القياسات هي الأساس للخيوط الموصلة القائمة على الحمض النووي. "إن الجمع بين العملين يمكن أن يتيح في المستقبل تصنيع أجهزة إلكترونية معقدة، على أساس التنظيم الذاتي والإنتاج الرخيص"، يشرح البروفيسور بورات.
ويأتي هذا البحث نتيجة لتعاون أكاديمي دولي مثمر امتد لعدة سنوات. قام بتحريره رومان زوربيل بتوجيه وقيادة البروفيسور بورات وبالتعاون مع البروفيسور ألكسندر (ساشا) كوتلاير من جامعة تل أبيب، ومع باحثين من قبرص وإسبانيا والولايات المتحدة والهند. وعلى وجه الخصوص، تم تجميعه بالتعاون والإلهام من البروفيسور الراحل يوسي سبيرلنج من معهد وايزمان والمقالة مخصصة لذكراه.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
