تكنولوجيا النانو الحمض النووي

باستخدام جزيئات الحمض النووي التي تعمل كسقالة معمارية، تمكن العلماء من بناء مجموعة إنزيمية صناعية ثلاثية الأبعاد تحاكي مسارًا كيميائيًا حيويًا أساسيًا يمكن أن يكون مهمًا للتطبيقات المستقبلية في مجالات الطب الحيوي والطاقة.

باستخدام جزيئات الحمض النووي التي تعمل كسقالة معمارية، تمكن العلماء من بناء مجموعة إنزيمية صناعية ثلاثية الأبعاد تحاكي مسارًا كيميائيًا حيويًا أساسيًا يمكن أن يكون مهمًا للتطبيقات المستقبلية في مجالات الطب الحيوي والطاقة.

كجزء من الإنجاز الذي طال انتظاره، واجه فريق بحث التحدي المتمثل في تقليد نشاط الإنزيمات خارج بيئتها الطبيعية الصديقة - داخل الخلايا نفسها. تعمل هذه الإنزيمات على تسريع التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الجسم وتستخدم في تفتيت الطعام إلى سكريات وتحويلها إلى طاقة أثناء عملية التمثيل الغذائي. طور علماء جامعة ولاية أريزونا مجموعة إنزيمية صناعية ثلاثية الأبعاد تحاكي مسارًا كيميائيًا حيويًا أساسيًا يمكن أن يكون مهمًا للتطبيقات المستقبلية في الطب الحيوي والطاقة. ونشرت النتائج في المجلة العلمية Nature Nanotechnology.

تستفيد الأبحاث في مجال تكنولوجيا النانو للحمض النووي من خصائص الارتباط لوحدات البناء الكيميائية لجزيئات الحمض النووي، بينما تقوم بلف هذه الجزيئات وتجميعها ذاتيًا لبناء هياكل إبداعية ثنائية وثلاثية الأبعاد للتطبيقات الطبية والإلكترونية والطاقة.

"لقد لجأنا إلى الطبيعة لنستمد الإلهام منها لبناء أنظمة جزيئية من صنع الإنسان يمكنها تقليد الآلات النانوية الجزيئية المتطورة التي تطورت في النظم البيولوجية، وقمنا بتصميم سقالات نانوية جزيئية بطريقة منظمة لتحقيق تكرار علم الأحياء على مستوى العالم. وقال الباحث الرئيسي: "المستوى الجزيئي".

في عالم الإنزيمات، يجب أن تكون جميع الأجزاء المتحركة منسقة ومسيطر عليها بدرجة عالية، وإلا فلن يحدث التفاعل على الإطلاق. إن الأجزاء المتحركة، والتي تشمل جزيئات مثل المواد المتفاعلة والعوامل المساعدة، تتناسب جميعها بدقة كبيرة مع مكان الإنزيم المعقد. وبمجرد أن تجد جميع الأجزاء الكيميائية مكانها في المكان المناسب، تصبح الطاقات المتحكمة في التفاعل مفضلة، مما يؤدي إلى حدوث التفاعل الكيميائي بشكل أسرع. يطلق كل إنزيم منتجه إلى إنزيم آخر يكون بدوره مسؤولاً عن الخطوة التالية في المسار الكيميائي الحيوي في جسم الإنسان، على غرار العصا التي يتم تمريرها من عداء إلى عداء في سباق التتابع.

في الدراسة الحالية، اختار الباحثون زوجًا من الإنزيمات العالمية، نازعة هيدروجين الجلوكوز 6 فوسفات (G6pDH) ونازعة هيدروجين المالات (MDH)، والتي تعتبر مهمة للتخليق الحيوي للأحماض الأمينية والدهون والأحماض النووية التي تعتبر جميعها ضرورية للحياة. . على سبيل المثال، العيوب التي تحدث في هذا المسار تسبب فقر الدم لدى البشر. يوضح الباحث الرئيسي أن "الإنزيمات من مجموعة الهيدروجيناز لها أهمية خاصة لأنها توفر معظم طاقة الخلية". "الأبحاث في مجال هذه الإنزيمات يمكن أن تؤدي إلى تطورات مستقبلية لتطبيقات إنتاج الطاقة الخضراء، على سبيل المثال، تطوير خلايا الوقود التي تستخدم المواد الحيوية لإنتاج الوقود".

كجزء من هذا المسار الكيميائي الحيوي، يستخدم G6pDH ركيزة سكر الجلوكوز وبمساعدة العامل المساعد NAD يزيل ذرات الهيدروجين من الجلوكوز ثم يمررها إلى الإنزيم التالي، MDH، والذي بدوره يخلق حمض الفاكهة و العامل المساعد NADH، والذي يعد في حد ذاته عنصرًا أساسيًا في عمليات التخليق الحيوي. إن تحضير زوج من هذه الإنزيمات في المختبر والحصول على إمكانية النشاط المطلوب يمثل تحديًا خطيرًا في مجال تكنولوجيا النانو للحمض النووي.

ومن أجل مواجهة هذا التحدي، قام الباحثون أولاً بإعداد سقالة الحمض النووي التي تبدو وكأنها عدد من الصفحات ملفوفة معًا في أسطوانة. وبمساعدة برنامج كمبيوتر، تمكن الباحثون من اختيار اللبنات الكيميائية الأكثر ملاءمة لتسلسل الحمض النووي بحيث يتم بناء السقالة عن طريق التجميع الذاتي. في الخطوة التالية، تم ربط الإنزيمين المنفصلين بنهايات ملف الحمض النووي. وفي وسط سقالة الحمض النووي، أضاف الباحثون خيطًا واحدًا من الحمض النووي تم ربط العامل المساعد NAD في نهايته، مثل كرة مربوطة بحبل. ويعرّف الباحثون هذا الجزء بأنه ذراع هزازة، وهي طويلة ومرنة ومخصصة بما يكفي للقفز بين الإنزيمين المنفصلين.

وبعد بناء النظام في أنبوب اختبار عن طريق تسخين وتبريد الحمض النووي مما يؤدي إلى تجميعه ذاتياً، تضاف مكونات الإنزيم إلى أنبوب الاختبار. وتحقق الباحثون من البنية العامة باستخدام مجهر متطور (AFM) قادر على تمييز الهياكل النانوية. مثل المهندسين المعماريين، قام العلماء في البداية ببناء نموذج كامل الحجم حتى يتمكنوا من فحص وقياس الهندسة المكانية والهياكل المختلفة، مضيفين إلى المصفوفة مادة فلورسنت صغيرة متصلة بالذراع الهزاز. إذا حدث التفاعل كما هو متوقع، فسيتمكن الباحثون من قياس إشارة الإشعاع الأحمر المنبعثة من مادة الفلورسنت. بعد ذلك، اكتشفوا أن نظام الإنزيم يعمل تمامًا مثل نظام الإنزيم الخلوي. كما قام الباحثون بقياس تأثير تغيير المسافة بين الذراع المتأرجح والإنزيمات، فوجدوا أن المسافة المثالية هي 7 نانومتر، عند النقطة التي تكون فيها زاوية الذراع موازية لزوج الإنزيمات.

وبعد أن اكتشف الباحثون أن نظام أنبوب الاختبار بذراع واحدة يعمل تمامًا مثل النظام البيولوجي، قرروا إضافة أذرع من أجل اختبار محدودية النظام بما يصل إلى 4 أذرع. وأظهروا أن كل ذراع إضافية تسمح بزيادة نشاط مستقبلات G6pDH، بينما وصل الإنزيم الثاني (MDH) إلى أقصى نشاط له عندما كان هناك ذراعان فقط في النظام.

تمهد الطريقة الجديدة الطريق لمستقبل مشرق حيث سيكون من الممكن تكرار المسارات البيوكيميائية خارج الخلايا من أجل تطوير التطبيقات الطبية الحيوية مثل طرق الكشف لتشخيص الأمراض والحالات الطبية. "الهدف الأسمى والأكثر فائدة هو بناء مسارات إنزيمية مبرمجة مسبقًا فوق الهياكل النانوية للحمض النووي مع التحكم في المواد المدخلة ومنتجات المخرجات. وقال الباحث الرئيسي: "إن تحقيق هذا الهدف لن يسمح للباحثين فقط بتقليد المسارات الأنزيمية الأنيقة الموجودة في الطبيعة مع فهم الآليات الأساسية، بل سيكونون قادرين أيضًا على تطوير بناء المصفوفات الاصطناعية غير الموجودة في الطبيعة على الإطلاق". .

أخبار الدراسة