التقنية النانوية للحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين

التصميم

يجب أن يتم تصميم هياكل الدنا النانوية حتى يتسنى لها أن تتجمع في الهياكل المرغوبة. ويتضمن هذا كلاً من تصميم هياكل الحمض النووي الثانوية (بالإنجليزية:  Nucleic acid secondary structure)، الخاص بتقرير وتحديد أي الأجزاء التي منها يجب أن يتم ربط جزيئات الحمض النووي ببعضها البعض، وكذلك هياكل الحمض النووي الأولية (بالإنجليزية:  Nucleic acid primary structure)، والخاص بتحديد هوية كل قاعدةٍ مفردةٍ.

أنماط الهياكل

تم تصنيع وتمييز العديد من الهياكل المصنعة من الدنا.

الشبكات المتكررة (Periodic lattices)

لعل إحدى الطرق الأولى لإنتاج هياكل الدنا النانوية تمثلت في تصنيعها من الوحدات المنفصلة الأصغر حجماً. ولتلك الطريقة ميزة كونها قادرةً على فصل التفاعلات الأقوى إدراكياً والتي تشكل كل بنيةٍ من تجمع الهيكل الكامل الأكبر حجماً. حيث أنها غالباً ما تُستخدم لإنتاج الشبكات الدورية، إلا أنه يمكن استخدامها كذلك لتحقيق التجمع الذاتي الحسابي (بالإنجليزية:  algorithmic self-assembly)، مما يجعلها رصيفاً واحداً لحوسبة الدنا.
هذا بالإضافة إلى أنه يمكن تزويد وتجهيز جزيئات دي إكس أو ثنائية التقاطع بالنهايات اللزجة (بالإنجليزية:  sticky end) بهدف دمجها ضمن الشبكة الدورية ثنائية الأبعاد. وهنا يكون لكل جزيء دي إكس أربعة أطرافٍ، واحد في كل نهايةٍ من النطاقين الحلزونيين المزدوجين الإثنين، وأن هذه يمكن تزويدها بنهاياتٍ لزجةٍ والتي تبرمجها ليتم دمجها ضمن نموذجٍ معينٍ. وهنا نلاحظ وجود أكثر من نمطٍ واحدٍ للجزيئات ثنائية التقاطع (دي إكس) يمكن استخدامها والتي يمكن إنتاجها ليتم ترتيبها في صفوفٍ أو أي نموذج فسيفساءٍ آخرٍ. ومن ثم فهي تشكل صفائحاً مسطحةً ممتدةً والتي هي عبارةٌ عن بلوراتٍ دنويةٍ ثنائية الأبعاد بصورةٍ أساسيةٍ. 
كما تم تشكيل  المصفوفات ثنائية الأبعاد من المحفزات الأخرى كذلك، والتي منها مصفوفة تقاطع هوليداي معينة الأضلاع (بالإنجليزية:  Holliday junction rhombus array)،  وكذلك باقي المصفوفات ثنائية التقاطع (دي إكس) الأخرى العديدة والمتنوعة في أشكال المثلثات ومسدسات الأضلاع. 
ونلاحظ أن إنتاج الشبكات ثلاثية الأبعاد المصنعة من (الدنا) كان أولى الأهداف الخاصة بتقانة الدنا الحيوية، إلا أنه أثبت أنه واحداً من أصعب الأهداف ليتم تحقيقه. إلا أنه أفادت التقارير عام 2009 أنه تم النجاح في محاولات إنتاج شبكات الدنا ثلاثية الأبعاد، من خلال استخدام محفز قائم على فكرة الانشدادية (بالإنجليزية:  tensegrity)، المتمثلة في التوازن القائم بين قوى التوتر والضغط.

الأنابيب النانوية

بالإضافة إلى الصفائح المسطحة، تم إنتاج الشبكات ثنائية التقاطع (دي إكس) لتشكيل أنابيبٍ نانويةٍ جوفاء يتراوح قطرها من 4 إلى 20  نانومتراً. وهنا نلاحظ أن أنابيب الدنا النانوية تلك شبيهةٌ إلى حدٍ ما في أحجامها بالأنابيب النانوية الكربونية، إلا أن الأنابيب النانوية الكربونية عبارةٌ عن موصلاتٍ أقوى وأفضل للحرارة، في حين أنابيب الدنا النانوية هي أكثر قابليةٍ للتعديل بسهولةٍ وارتباطاً بالهياكل الأخرى.

متعددة الأوجه

تم إنتاج عدداً من جزيئات الدنا ثلاثية الأبعاد والتي تتسم بالقدرة على الارتباط بمتعدد الأسطح والتي منها على سبيل المثال ثماني السطوح أو المكعب. وبصيغةٍ أخرى، فإن ثنائيات الدنا تتبع حواف متعددات الأسطح ذات تقاطع الدنا في كل رأسٍ له.
فقد تضمنت التوضيحات الأولى لمتعدد أسطح الدنا كلاً من روابط الدنا (بالإنجليزية:  DNA ligase) المتعددة وخطوات تصنيع المرحلة الصلبة (بالإنجليزية:  solid-phase synthesis) بهدف إنتاج متعدد السطوح.  إلا أن الأعمال الحديثة أسفرت عن إنتاج متعدداً للأسطح والذي يتسم تصنيعه بالسهولة. وهذا يتضمن ثماني سطوح الدنا المصنوع من ضفيرةٍ فرديةٍ طويلةٍ مصممة لتنطوي داخل التعديل الصحيح، بالإضافة إلى رباعي السطوح الذي يمكن إنتاجه من أربعة ضفائرٍ للدنا في خطوةٍ واحدةٍ.

أشكال تعسفية

بالإضافة إلى ما سبق ذكره، تم تصنيع كذلك هياكل دنا ذات أوجهٍ صلدةٍ، بواسطة استخدام طريقة أوريغامي الدنا (بالإنجليزية:  DNA origami). حيث يمكن برمجة مثل تلك الهياكل لتفتح وتُطْلِقُ حمولتها استجابةً لمثيرٍ أو تحفيزٍ معينٍ، مما يجعلها مفيدةً كأقفاصٍ جزيئيةٍ (بالإنجليزية:  Molecular encapsulation) مبَرْمَجةٍ.

هياكل الحمض النووي النانوية الوظيفية

تركز تقانة الدنا النانوية على إنتاج جزيئاتٍ ذات وظيفيةٍ مصممةٍ وهياكلٍ كذلك. حيث تم استعراض وتوضيح العديد من تصنيفات الأنظمة الوظيفية.

عمارة نانوية

كان أول من اقترح فكرة استخدام مصفوفات الدنا لقولبة تجمع الجزيئات الوظيفية الأخرى هو نادرين سيمان في عام 1987،  إلا أنه تم تحقيق التقدم مؤخراً فقط في تقليل أنواع تلك المشاريع للمارسة. ففي عام 2006، قام الباحثون بربط جسيمات الذهب النانوية (بالإنجليزية:  Gold nanoparticle) تساهمياً بالبلاطة ثنائة التقاطع للدنا (بالإنجليزية:  DX-based tile) وأظهروا أن التجمع الذاتي لهياكل الدنا قامت كذلك بتجميع الجزيئات النانوية التي تم إضافتها لهم. كما ظهر مشروع استضافة غير تساهمية في عام 2007، بواسطة استخدام متعددات أميد بيتر ديرفان (بالإنجليزية:  Peter B. Dervan) على مصفوفة ثنائية التقاطع لترتيب بروتينات الاستريبتافيدين (بالإنجليزية:  Streptavidin) على أنواعٍ خاصةٍ من البلاطات على مصفوفة الدنا. 
هذا في عام 2006، قام كلٌ من دوير ولابين باستعراض الأحرف "D" "N" و"A" المنتجة على مصفوفة 4x4 ثنائية التقاطع (دي إكس) بواسطة استخدام بروتين الاستريبتافيدين.  بينما تم استعراض في عام 2007 تجمعٍ هرميٍ قائمٍ على هذا المُدْخَل والذي يوضح المقاييس للمصفوفات الأكبر حجماً (8x8 و8.96 MD). 
كما ظهر اهتمام في استخدام تقانة الدنا النانوية لتجميع الأجهزة الإلكترونيات الجزيئية. ووصلاً لتلك الغاية، تم استخدام حمض الدنا النووي لتجميع الأنابيب النانوية الكربونينة أحادية الجدار ضمن مقاحل التأثير الحقلي.

التجمع الذاتي الحسابي

انظر أيضاً: حوسبة الدنا
تم تطبيق تقانة الدنا الجزيئية في المجال المرتبط بها الخاص بحوسبة الدنا. حيث أنه قد يكون للبلاطات الدنوية ثنائية التقاطع (دي إكس) تسلسلات نهاياتها اللزجة المختارة ومن ثم فهي تسلك على أنها بلاطات وانج (بالإنجليزية:  Wang tiles)، مما يسمح لهم بأداء الحسابات. كما تم استعراض المصفوفة ثنائية التقاطع (دي إكس) والتي يرمز لتجمعها بعملية الفصل الحصري (بالإنجليزية:  Exclusive or) أو (XOR)؛ مما يسمح لمصفوفة الدنا بتنفيذ الخلايا ذاتية السلوك والتي تولِّد كسيريات يُطلق عليها اسم مثلث سيربنسكي. وهذا يوضح أن الحساب يمكن دمجه ضمن تجمعٍ من مصفوفات الدنا، مما يزيد مجال فيما وراء المصفوفات المتكررة البسيطة.
ولنلاحظ أن حوسبة الدنا تتداخل مع، ولكن ليست منفصلة عن، تقانة الدنا النانوية. حيث تستخدم الثانية خصوصية زوج واتسون- كريك القاعدي لإنتاج هياكلٍ جديدةٍ من الدنا. ويمكن استخدام هذه الهياكل المنتجة في مجال حوسبة الدنا، إلاأنها ليست ملزمة ليتم استخدامها لهذا الغرض. هذا بالإضافة إلى أن حوسبة الدنا يمكن إجراؤها بدون استخدام أنماط الجزيئات المنتجة بواسطة استخدام تقانة الدنا النانوية.

المواد والطرق المستخدمة

تتوفر بالفعل سلاسل الدنا التقليدية عبر عملية تصنيع قليل النوكليوتيد (بالإنجليزية:  oligonucleotide synthesis). حيث غالباً ما تدار تلك العملية بواسطة استخدام آلة تصنيع الدنا، كما أن الدنا التقليدي أصبح متاحاً للتبادل التجاري لدى العديد من البائعين.
كما أن سلاسل ضفائر الدنا الفردية والتي تنتج الهياكل المستهدفة يتم تصميمها حوسبياً. هذا وتُستَخْدَم النموجة الجزيئية (Molecular modeling) والنمذجة الحرارية الديناميكية في بعض الأحيان كذلك لتحسين سلاسل الحمض النووي إلأى أحسن الأوضاع المرغوبة.
وتتسم جزيئات الدنا التي تم إنتاجها بواسطة استخدام تقانة الدنا الجزيئية غلباً بسمة الفصل الكهربائي للهلام، والتي توفر معلوماتٍ حول حجم وشكل جزيئات الدنا، مما يشير إلى ما إذا كان قد تم إنتاجها بصورةٍ ملائمةٍ كما هو مرغوبٍ أم لا. وكذلك يمكن استخدام كلٍ من الوسم الفلوري (Fluorescent labeling) ونقل طاقة رنين فوستر (Förster resonance energy transfer) بهدف تشخيص بنية الجزيئات.
هذا ويمكن تصوير هياكل الدنا مباشرةً بواسطة استخدام مجهر الطاقة الذرية، والذي يقوم بتصوير الهياكل المتواجدة على سطحٍ مسطحٍ مستوٍ. ونلاحظ أن تلك الطريقة تناسب الهياكل ثنائية الأبعاد بصورةٍ جيدةٍ، إلا أنها أقل فائدةٍ في حالة الهياكل ثلاثية الأبعاد المتفردة. حيث يصبح المجهر الإلكتروني النافذ (Transmission electron microscopy) والمجهر الإلكتروني شديد التبريد (cryo-electron microscopy) سبلاً ضروريةً هنا. ويتم تحليل المشابك ثلاثية الأبعاد الممتدة بواسطة استخدام دراسة البلورات بالأشعة السينية. في حين يمكن دراسة حركية تجمع الدنا الذاتي بواسطة تقنيات وأساليب الوقت الحقيقي والتي منها مثلاً التداخل ثنائي الاستقطاب (بالإنجليزية:  Dual polarization interferometry) وQCMD.

التأريخ

كان أول من ابتكر فكرة تقانة الدنا الحيوية هو نادرين سيمان في أوائل الثمانينات من القرن العشرين.  حيث اهتم سيمان مبدئياً باستخدام ملقاط الدنا ثلاثي الأبعاد لتوجيه الجزيئات المستهدفة، والتي ستتحدد دراستها البلورية من خلال التخلص من العملية الصعبة الخاصة بالحصول على بلوراتٍ نقيةٍ. وأفادت التقارير أن تلك الفكرة كانت قد واتته في خريف 1980، بعد إدراكه التشابه فيما بين لوحة القطع الخشبي (ديبث) أو العمق لإيشر ومصفوفة تقاطعات الدنا سداسية الأذرع.  ولتحقيق تلك الغاية، نشر معمل سيمان في عام 1991 عملية تصنيع مكعبٍ مصنوعٍ من الدنا، والذي يعتبر أول كائنٍ نانوي المقياس ثلاثي الأبعاد، والذي على أثره حصل سيمان على جائزة فينمان في مجال القتانة النانوية (Foresight Nanotech Institute Feynman Prize)، والذي كان قد تبعه تصنيع مجسم الدنا الثماني المبتور (truncated octahedron). على الرغم من ذلك، فقد أصبح من الواضح لاحقاً أن هذه الجزيئات، الأشكال متعددة الأضلاع ذات التقاطعات المرنة كنقاطها الهندسية، لم تكن صلبةً بصورةٍ كافيةٍ لتشكيل الملاقيط ثلاثية الأبعاد الممتدة.
في حين طور سيمان حافز (بالإنجليزية:  Structural motif) التقاطع المزدوج الصلب، بالإضافة إلى أنه، وبالتعاون مع إيريك وينفري (Erik Winfree)، نشر عام 1998 إنتاج الملاقيط ثنائية الأبعاد من البلاطات مزدوجة التقاطع (DX). حيث تتسم تلك الهياكل القائمة على استخدام البلاطات بأنها توفر القدرة على تطبيق وتنفيذ استخدام حوسبة الدنا، والتي أوضحها وينفري وبول روزاموند في عام 2004، والتي بفضلها اقتسما معاً جائزة فينمان للتقانة النانوية في عام 2006.
ومع مرور الزمن، يستمر مجال تقانة الدنا النانوية في التشعب أكثر وأكثر. فأول آلةٍ دنا نانويةٍ - الحافز الذي يغير بنيته استجابةً لمدخلٍ ما - ظهرت عام 1999. كما كان سيمان أول من اقترح مجال العمارة النانوية في عام 1987، والتي بدأت في الظهور عام 2006. هذا وكان روزاموند أول من استعرض أسلوب أوريغامي الدنا في عام 2006 لتسهيل إنتاج جزيئات الدنا المطوية الملتفة لأي شكل. أما في عام 2009، نشر سيمان تصنيع ملقاطٍ ثلاثي الأبعاد، بعد مرور ما يقرب من 30 عاماً من استعداده للقيام بذلك.