DNA אוריגמי

DNA אוריגמי הוא שיטה לקיפול מולקולות DNA שבאמצעותה אפשר לבנות מבנים דו-ממדיים ותלת-ממדיים שעשויים מדנ"א. הבנייה מורכבת ממולקולת דנ"א חד-גדילית ארוכה, ורצפי דנ"א קטנים שנקראים "סיכות". כל סיכה מכילה שני רצפי חומצות גרעין שונים, שמתאימים לשני רצפים מקבילים שנמצאים במקומות שונים על המולקולה הארוכה. כאשר סיכה מתחברת לשתי נקודות כאלה על המולקולה הארוכה, היא גורמת לקיפולה. המבנים הנוצרים הם בעלי סדר גודל ננומטרי (10⁻⁹ המטר).
באמצעות רצפי דנ"א מתוכננים, המנצלים את תכונת ההרכבה העצמית של רצפי דנ"א משלימים, ניתן להרכיב צורות זעירות בעלות מבנה מוגדר.
השיטה, אשר פותחה במכון הטכנולוגי של קליפורניה על ידי פול רוטמונד בשנת 2006, מתבססת על יצירה של רצף דנ"א חד גדילי ארוך ושל רצפי דנ"א חד גדילי קצרים רבים. הרצפים הקצרים נקשרים אל הרצף הארוך ומשמשים כעין סיכות אשר מהדקות את מבנה הרצף הארוך ומקנות לו את צורתו. בדרך זו, מדענים הצליחו עד היום ליצור מבנים דו ממדיים ותלת ממדיים שונים. מקור השם דנ"א אוריגמי הוא באמנות קיפולי נייר אשר מקורה ביפן.

היסטוריה

בשנת 1959 ריצ'רד פיינמן העלה בהרצאתו יש שפע מקום בתחתית (באנגלית: There’s plenty of room at the bottom) את השאלה הבאה: "האם אפשר לכתוב את כל עשרים וארבעה הכרכים של אנציקלופדיה בריטניקה על גבי ראש של סיכה?". הוא חישב שלשם כך דרושים פיקסלים בגודל של 8 ננומטר, כלומר בסדר גודל של מולקולות. אפשר לעמוד באתגר זה בעזרת מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) או מיקרוסקופ מִנהור סורק (STM), אך בשיטות אלה האטומים או המולקולות יוזזו סדרתית אחד אחד, ודרושים גם תנאי עבודה קיצוניים של ואקום מוחלט וטמפרטורה מתחת למינוס 180 מעלות צלזיוס. אפשרות תאורטית אחרת היא על ידי אלמנטים שמתחברים מעצמם, כגון מולקולות דנ"א. שיטות אלה אינן יקרות, קלות יותר לביצוע, והן מהירות יותר משום שהמבנים מתחברים בבת אחת ולא בצורה סדרתית. עם זאת, כיום שיטות אלו עדיין אינן מאפשרות יצירה של מבנים מורכבים.
בניה מדנ"א מבוססת על התכונה של גדילי דנ"א להתחבר לגדילים משלימים (גדילים שונים או בקיפול גדיל על עצמו). הגישה המסורתית להרכבת מבני דנ"א מ"אבני בניין" היא יצירת מספר אוליגו-נוקלאוטידים שיוצרים השלמה לסלילים דו-גדיליים והמהווים "אבן הבניין". בקצות הגדילים של אבני הבניין מתוכננות שאריות של רצף שיישאר בודד ויתחבר לרצף מתאים בקצה אבן בניין אחרת. רצפים אלה מאפשרים חיבור בין אבן בניין לרעותה ונקראים "קצוות דביקים". הרעיון הועלה לראשונה בשנת 1982 על ידי החוקר נאדריאן סימן שהציע כי באמצעות תכנון מקטעי דנ"א עם קצוות דביקים ניתן יהיה להרכיב מבנים תלת-ממדיים. האפשרות לחזות את האינטראקציות בין הגדילים מאפשרת לחוקרים לתכנן מולקולות דנ"א שיכולות להתחבר אחת אל השנייה. באופן טבעי, דנ"א דו-גדילי הוא ליניארי, אך בתכנון של הרצף ניתן ליצור מבנים של ענפי דנ"א (אריחי דנ"א). בין המבנים השונים ניתן לחבר על ידי הצלבה של קצוות דביקים. הניסיונות הראשונים ליצור מבנים מענפים בודדים נחלו כישלון ומספר הצורות שניתן היה להרכיב בהצלבה אחת היה מוגבל. בשנת 1993 השתמשו לראשונה בהצלבה כפולה. בשיטה זו נבנות מספר רשתות דו ממדיות מחזוריות. אף על פי שרשתות אלו מאפשרות לקשור חלבונים, מתכות וכדומה בצורה מדויקת, הן אין-סופיות ואינן אחידות בגודל ובצורה. שיטה זו רווחת גם היום. בשנת 2005 פיתחו ליו וקבוצתו שיטה לבניית מבנים סופיים על ידי שימוש במספר אריחי דנ"א בעלי קצוות דביקים שונים המתחברים רק לאריח השכן. בשנת 2007 שולמן ווינפרי הצליחו ליצור רשת ברוחב קבוע על ידי בקרה מדויקת של תהליך הגדילה שלה. בשנים האחרונות פותחו שיטות דומות נוספות. בשיטות אלו קשה לתכנן מבנה יציב ולכן הן מוגבלות לצורות גאומטריות פשוטות. כמו כן שיטות אלו מכילות שלבי עבודה רבים ותפוקתן מועטה.
כיוון מחקר נוסף שהתפתח במקביל היה של ין וקבוצתו (2003) שהציעו אסטרטגית הרכבה ייחודית המבוססת על אריחי דנ"א שיורכבו על דנ"א חד גדילי ארוך שיהווה פיגום. גישה זו מהווה את הבסיס לדנ"א אוריגמי.
הקפיצה הגדולה בבניה מדנ"א הייתה כאשר פול רוטמונד, פיתח גישה בה משתמשים ברצפי דנ"א קצרים כ"סיכות" המתוות את הצורה שבה יתקפל גדיל דנ"א ארוך המהווה "פיגום" של המבנה – זהו הדנ"א אוריגמי. לשיטה זו מספר יתרונות על השיטות האחרות: מיעוט הטעויות בקיפול הגדיל הארוך גורם ליצירה של פחות מבנים פגומים ומתקבלת תפוקה גבוהה יותר בזמן סינתזה קצר יותר; כמו כן, מתאפשרת יצירת מבנים מסובכים יותר, בהם יש אפשרות לגשת למיקומים ספציפיים (על סמך הרצף הידוע של פיגום הדנ"א). בשיטה זו יצרו בקבוצה של רוטמונד מספר צורות דו ממדיות כגון מלבנים, משולשים וכוכבים.

שלבי יישום השיטה

תכנון דנ"א אוריגמי נעשה במספר שלבים:
בשלב הראשון של התכנון, שנעשה ידנית, בונים מודל גאומטרי של מבנה דנ"א לפי הצורה המבוקשת. לדוגמה, אם הצורה המתוכננת היא ריבוע, מרצפים אותה במולקולת דנ"א דו גדילית, שאחד מהגדילים שלה הוא הדנ"א החד גדילי שבו ישתמשו בעת הבניה. מעבירים את הסליל הדו גדילי הלוך ושוב בשרטוט בצורת עקלתון עד שהוא ממלא את הריבוע כולו. לצורך התכנון מתייחסים לכל קטע ישר של דנ"א דו סלילי בתור גליל, כאילו הצורה בנויה מגלילים שמונחים זה ליד זה, ומתחשבים בנפח הגליל ובנקודות שבהן יש סיבוב במולקולה הדו גדילית. בכל גליל כזה יהיה מספר שלם של סיבובי המולקולה הדו גדילית. כדי לחזק את המבנה מתכננים בשרטוט מעברים בין הגלילים, כלומר מקומות בהן גדיל מגליל אחד יתחבר לגדיל בגליל אחר. בעת הבניה המעברים האלה יתבצעו בעזרת מקטעי אוליגונוקלאוטידים שמיוצרים מראש. ידוע שגדילים מקבילים במבני דנ"א אינם ארוזים בצפיפות כנראה בשל דחייה בין מטענים השלילים של קבוצות הזרחן אשר על השלד של מולקולת הדנ"א. הרווח בין כל זוג צילינדרים תלוי בריווח של המעברים ומוגבל על ידם. רצוי שהמעברים יופיעו במרווחים של מספר אי-זוגי של חצאי סיבוב דו-הגדיל.
בשלב השני, לאחר שהמודל הגאומטרי של הצורה הרצויה וכן מסלול הקיפול של הדנ"א החד גדילי הארוך הוכנו, הם מוצגים כרשימות של אורכי דנ"א והזחות ביחידות של חצאי סיבובים של דו-הגדיל. נתונים אלו מוזנים לתוכנת מחשב, יחד עם רצף הדנ"א החד-גדילי הארוך. תכנת המחשב מבצעת תכנון של סט המעברים הקרויים "סיכות".
בשלב השלישי, על מנת לייצב את המבנה מבחינת לחץ המופעל עליו בתהליכי הקיפול, מחושבים מחדש מיקומי המעברים בין הגדילים ומיקומם משתנה בהתאם. כמו כן, מיקומי ה"סיכות" מחושבים בהתאם.
בשלב הרביעי, כדי לאפשר ל"סיכות" תחום קשירה גדול יותר עם החד-גדיל הארוך, זוגות סמוכים של "סיכות" מאוחדים ליצירת סט של גדילים ארוכים יותר ומעטים יותר. הדבר מקנה ייחודיות רבה יותר בקישור ואנרגיית קישור גבוהה יותר (שתוצאתה בנקודת התכה בה הגדילים נפרדים גבוהה יותר).