تشكل اللبنات الأساسية للحمض النووي والبروتينات هياكل القفص

تستخدم تقنية النانو للحمض النووي جزيئات الحمض النووي كوحدات بناء قابلة للبرمجة لإنشاء هياكل ذات تحكم عالي

الغرض الرئيسي من تكنولوجيا النانو هو تغيير المواد على المستوى الذري أو الجزيئي، وخاصة لتطوير الأجهزة أو الهياكل المجهرية. تعد الهياكل ثلاثية الأبعاد على شكل قفص أحد الأهداف الرئيسية في هذا المجال، وذلك بسبب بساطتها واستخدامها كحاملات للأدوية.
وفي الوقت نفسه، فإن بنية الحمض النووي بسيطة للغاية ويفتقر إلى تنوع البروتينات التي تشكل معظم الأقفاص الطبيعية، على سبيل المثال، في عالم الفيروسات. لسوء الحظ، من الصعب جدًا التحكم في تجميع البروتينات بدقة الحمض النووي. ومع ذلك، كان هذا الوضع صحيحا حتى وقت قريب. قام الباحث نيكولاس ستيفانوبولوس، الأستاذ في جامعة ولاية أريزونا، وفريقه البحثي، بإنشاء قفص يتكون من كل من وحدات بناء الحمض النووي وكتل بناء البروتين، باستخدام اتحادات البروتين والحمض النووي.

في مقال نشر منذ فترة طويلة في المجلة العلمية ACS Nano، يصف الباحثون كيف قاموا بإجراء تغييرات على بروتين متجانس (إنزيم طبيعي يسمى KDPG aldolase) أثناء دمجه مع ثلاثة خيوط فردية متطابقة من الحمض النووي وربطها من خلال السيستين. بقايا الأحماض الأمينية على سطح البروتين. تم توصيل نظام الحمض النووي البروتيني هذا ببنية الحمض النووي الثلاثي التي تتضمن ثلاثة أذرع تكميلية لسلاسل الحمض النووي للنظام أثناء الحصول على أقفاص رباعية السطوح تتكون من ستة جوانب من الحمض النووي المرتبط بالبروتين الثلاثي. يمكن تغيير حجم القفص عن طريق تغيير عدد أذرع الحمض النووي. تم أيضًا تعديل هياكل القفص باستخدام الحمض النووي باستخدام كيمياء النقر، وهو نوع مُكيَّف من التخليق الكيميائي، من أجل إعداد هياكل متطابقة بسرعة أثناء ربط الوحدات الفرعية المجهرية معًا.

يوضح الباحث الرئيسي: "سيمكن النهج الذي اتبعه مختبري من تصنيع المواد النانوية مع مزايا كل من تكنولوجيا البروتين وتكنولوجيا الحمض النووي، وهي مواد يمكن أن تصل إلى تطبيقات في مجالات نقل المواد المستهدفة، والبيولوجيا الهيكلية، والطب الحيوي، والحفز الكيميائي". يرى الباحثون فرصة جديدة في الأقفاص الهجينة - دمج البناء الذاتي لوحدات بناء البروتينات مع سقالة اصطناعية من الحمض النووي - والتي ستكون قادرة على الجمع بين النشاط الحيوي العالي للبروتينات مع التنوع الكيميائي للحمض النووي. وهذا بالضبط ما فعله الباحثون، حيث قاموا بإنشاء بنية مندمجة تتكون من مجموعات كيميائية من أليغنوكليوتيدات (شريط الحمض النووي الاصطناعي) على وحدات بناء البروتين. يتم الحصول على القاعدة الثلاثية التي تحمل ثلاثة أذرع من الحمض النووي التكميلي المفرد الذي تقطعت به السبل عن طريق البناء الذاتي وتخضع للتنقية عن طريق التسخين.

يوضح الباحث الرئيسي: "اعتقدنا أنه بعد تصميم هاتين اللبنتين المنقىتين، سوف يجتمعان معًا بشكل مستقل بطريقة مبرمجة، باستخدام ميزات تحديد الحمض النووي". "كان من المهم بشكل خاص استخدام بروتين مستقر عند درجة حرارة عالية، مثل هذا الألدولاز، لأن التجميع الذاتي ممكن فقط عند درجة حرارة 55 درجة مئوية، في حين أن العديد من البروتينات تتحلل عند درجة الحرارة هذه." هناك ميزة أخرى لاستخدام الحمض النووي، وهو أمر غير ممكن عند استخدام البروتينات فقط، وهي ضبط حجم القفص دون إعادة تصميم جميع المكونات الأخرى. يمكن تعديل حجم النظام عن طريق تغيير طول ذراع الحمض النووي، في حين يتم استخدام البروتينات كسقالة لربط الجزيئات الصغيرة مثل الببتيدات المستهدفة أو حتى البروتين الخيميري.

على الرغم من وجود أمثلة أخرى على الهياكل الهجينة، فإن هذا القفص هو المثال الأول الذي يتم الحصول عليه من خلال الاقتران الكيميائي لأذرع قليل النوكليوتيد مع كتل بناء من النوع البروتيني. من حيث المبدأ، يمكن تطبيق هذا النهج على مجموعة واسعة من البروتينات (بعضها لديه قدرات ربط انتقائية للخلايا السرطانية فقط). ولذلك، فإن البحث الحالي يمكن أن يمكّن من تطوير مجال هجين جديد تمامًا لتقنية النانو البروتينية والحمض النووي التي من شأنها أن تؤدي إلى تطبيقات لم تكن ممكنة حتى الآن بالاعتماد على البروتينات وحدها أو الحمض النووي وحده.

ملخص المقال

أخبار الدراسة