يحاول العديد من العلماء بناء أجهزة نانوية يمكن برمجة نشاطها مسبقًا. ولكن لماذا لا نستخدم النظام الموجود تحت تصرفنا بالفعل؟
المعهد 33 ديسمبر 2003
دكتور روي بار زيف. حدائق في دائرة
معالجة المعلومات واسترجاعها هو اسم اللعبة في الصناعة المتقدمة. يستثمر العلماء والمهندسون الكثير من الجهد في تطوير طرق وأساليب لتنفيذ هذه العمليات بشكل أكثر كفاءة وسرعة، وفي منشآت أصغر. يعتقد الدكتور روي بار زيف من قسم المواد وأبحاث الأسطح في معهد وايزمان للعلوم أن التحسين والتصغير المطلق أصبح في أيدينا بالفعل: هذه هي المادة الوراثية، الحمض النووي. لا يمكن لمهندسي الأجهزة إلا أن يحلموا بأجهزة بحجم الحمض النووي. يمكن لمهندسي البرمجيات أن يتعجبوا من الكفاءة والموثوقية وآليات الإصلاح "التلقائي" للمادة الوراثية. كل ذلك يتطلب إمكانية تطوير طرق للاستفادة من الخصائص الفريدة للحمض النووي لبناء أنظمة صناعية يمكن أن تكون أساسًا لتقنيات وأجهزة مختلفة، والتي سيكون لها مجموعة متنوعة من الخصائص الواعدة.
لقد خطى الدكتور بار زيف والبروفيسور ألبرت ليبشافير والدكتور فنسنت نويرو من جامعة روكفلر في نيويورك خطوة مهمة نحو تحقيق هذه الرؤية. لقد قاموا بإنشاء وعرض دائرة عمل تذكرنا بالدائرة الإلكترونية، باستثناء أن دائرتهم كانت مبنية على جينات تعمل خارج الخلايا الحية. إن عملية تصميم الدائرة، والتي هي في الواقع نوع من تقليد النظام البيولوجي، كانت مبنية على تحديد المكونات الأساسية وترتيب عمليات الدائرة الإلكترونية العادية. يتضمن نظام المعلومات الإلكتروني عادة أربعة مكونات رئيسية هي: المدخلات، والمعالجة (التغيير أو الحساب الذي يتم في المدخلات)، والمخرجات (النتيجة)، ومراحل التشغيل المتعاقبة حيث يكون مخرج مرحلة معينة هو مدخل المرحلة المتقدمة التالية من التشغيل. تتكون الدائرة من ثلاثة جينات، وتحتوي أيضًا على إنزيمات مختلفة وأحماض أمينية ومواد توفر الطاقة.
ولم تكن الدائرة المعتمدة على الحمض النووي تشبه على الإطلاق الدوائر الإلكترونية المدمجة في رقائق السيليكون، والتي تستخدم في التركيبات الإلكترونية الموجودة. ولبنائه، استخدم العلماء نظامًا بيولوجيًا ينتج البروتينات في أنبوب اختبار، بناءً على خلاصة جنين القمح، والتي أزيلت منها نواة الخلية والأغشية. ما بقي هو،
في الواقع، هناك نوع من الحساء من المواد الموجودة داخل الخلايا، بما في ذلك الريبوسومات، التي تترجم المعلومات المخزنة في الجينات، وتنتج البروتينات وفقًا لها. كانت السلتيات عبارة عن بلازميدات، وهي عبارة عن هياكل لجينات مختلفة، بالإضافة إلى الإنزيمات التي تعيد إنتاج الحمض النووي وتكوين جزيئات الحمض النووي الريبي المرسال منه. وكان الناتج هو البروتينات التي تصنعها الريبوسومات. تم تصميم الدائرة بحيث ترتبط البروتينات المشفرة بواسطة جين واحد بالجين الآخر وتقوم بتنشيطه، وهكذا. كان قاطع الدائرة الرئيسي هو سكر اللاكتوز. وعندما أضيف هذا السكر إلى النظام، منع إنزيمًا واحدًا من إعاقة نشاط الجين الأول في الدائرة، مما مكّن الدائرة من التنشيط (في المقابل، أدى نقص السكر إلى توقف الدائرة عن العمل).
لكن فرص أن تحل أطباق الحساء البيولوجي محل الآلات الحاسبة والمذكرات الإلكترونية في المستقبل القريب تبدو ضئيلة للغاية في هذه المرحلة.
تستغرق عملية إنتاج البروتين حوالي ساعة، وأحيانا أكثر. وإذا لم يكن ذلك كافيا، فقد تبين أن العملية برمتها تتأخر أكثر لأن المرحلة الثانية من الدورة تبدأ فقط بعد تكوين كمية كبيرة بما فيه الكفاية من البروتين الذي هو ناتج (منتج) المرحلة الأولى في " حساء". عندما تحاول إضافة عدد كبير جدًا من المراحل إلى التسلسل، يبدأ كل شيء على نحو خاطئ، لأن الموارد المتاحة تنفد ومستويات الإخراج تصل إلى التشبع. يقول الدكتور بار زيف أن فهم أسباب هذه الاختناقات هو المفتاح للتطبيق المستقبلي للدوائر المعتمدة على الحمض النووي. قد يؤدي التنسيق الدقيق للخطوات الوسيطة في العملية والتحسينات في هندسة الدوائر (على سبيل المثال، إنشاء عمليات التغذية الراجعة)، إلى حل بعض المشكلات، ولكن حتى مع ذلك، لن تتنافس دوائر الحمض النووي أبدًا في السرعة مع الدوائر الإلكترونية، حيث تكون السرعة نقل الإشارة يكاد يكون فوريًا.
إن المزايا المحتملة لدوائر الحمض النووي مستمدة من قدرة مليارات الجزيئات على العمل في وقت واحد، ومن حقيقة أن الجينات تأتي من "المصنع" مع البرامج المضمنة فيها بالفعل. بالإضافة إلى ذلك، يستطيع الحمض النووي إنشاء نسخ طبق الأصل من نفسه، وإصلاح الأضرار و"الأعطال" التي تلحق به الضرر. د. بار زيف: "من الأفضل أن نبتعد عن النموذج الإلكتروني، وأن نتجه نحو تطوير القدرة على تطبيق لغة الأنظمة البيولوجية في الأنظمة الاصطناعية. الحديقة عبارة عن أجهزة وبرمجيات ومعلومات، تمتزج معًا دون القدرة على فصلها. يحاول العديد من العلماء بناء أجهزة نانوية يمكن برمجة نشاطها مسبقًا. ولكن لماذا لا نستخدم النظام الموجود تحت تصرفنا بالفعل؟"
حصل الدكتور بار زيف على درجتي الماجستير والماجستير في الفيزياء من معهد فاينبرغ التابع لمعهد وايزمان للعلوم (تحت إشراف البروفيسور شموئيل شفران والبروفيسور إليشا موزيس). ثم أجرى أبحاث ما بعد الدكتوراه في جامعة روكفلر في مختبر البروفيسور ألبرت ليبشابر، الذي حصل مؤخرًا على الدكتوراه الفخرية من معهد وايزمان للعلوم. وفي البحث الذي يجريه حاليًا في معهد وايزمان، يحاول إيجاد طرق لدمج الحمض النووي في الأنظمة المعقدة. ويهدف إلى الوصول إلى تطبيقات عملية للدوائر المعتمدة على الحمض النووي في الأنظمة المختلفة في مجال الكمبيوتر، وكذلك في التشخيص الطبي والعلاجات الطبية والتكنولوجيا الحيوية وغيرها.
