מכונת DNA

מכונת דנ"א היא מכונה מולקולרית הבנויה מגדילי דנ"א. גדילי דנ"א בנויים מיחידות חוזרות של בסיסים – נוקלאוטידים, היוצרים שרשרת דנ"א. נוקלאוטידים בנויים מיחידה של סוכר, פוספט ובסיס חנקני. הידע הנרחב שיש בנוגע לדנ"א וכיצד הוא עובד, תורם רבות ליכולת השימוש בו. פיתוח מכונות דנ"א מבוסס על שילוב של ננו חומרים, המאפשרים פיתוח מבנים ננו טכנולוגיים והתקנים ננומטריים. מבנים אלו בעלי יכולות של מכונות ביולוגיות כגון נשיאת תרופות, חיישנים ביולוגיים, ועוד. ההתעניינות הרבה במכונות דנ"א נובעת מהגודל הקטן שלהם, המבנה הצפוי מראש וכן תאימות ביולוגית גבוהה. מכונות דנ"א יכולות להתחבר לננו מודלים אחרים כמו פולימרים, חלקיקי זהב, מבני פחמן ננומטרים וכדומה. מבני דנ"א ננומטריים יכולים להיבנות בצורה עצמאית במימד יחיד, דו־ממדי, או תלת־ממדי ולשמש למספר מערכות ומטרות. מולקולת דנ"א היא פולימר סלילי הבנוי מיחידה חוזרת. רוחבו של הסליל ואורכה של היחידה החוזרת קבועים. המולקולה היא שרשרת ארוכה, שחוליותיה הם נוקליאוטידים מארבעה סוגים (אדנין, תימין, גואנין, ציטוזין), וכל נוקליאוטיד מכיל יחידה של סוכר מסוג דיאוקסיריבוז, פוספט (יחידה המכילה זרחן – קבוצה עם פונקציונליות גבוהה) ובסיס חנקני. כל חוליה מתחברת לחוליה אחרת באמצעות קשר קוולנטי בין קבוצת זרחן לקבוצת חנקן. לשרשראות דנ"א יש את היכולת להתחבר בכמה דרכים. אחת הדרכים היא באינטראקציות בין מולקלריות בין בסיסי מולקולת הדנ"א. אדנין לטימין (A-T) וגואנין לציטוזין (G-C). אינטראקציות אלו מבוססות על קשרי מימן – קשר הנובע מהבדל בקוטביות בין מימן (חיובי) לחמצן (שלילי). כאשר יש 2 שרשראות דנ"א המתחברות אחת לשנייה בקשרים אלו, נוצר סליל דנ"א. המפתח לבניית מכונות דנ"א טמון באופן בו מעצבים את גדילי הדנ"א. עקב החיבורים הספציפיים של זוגות נוקלאוטידים, כאשר יש שרשרת אחת, הרצף של שרשרת מקבילה יהיה על פי סדר הבסיסים, והמבנה המרחבי של מכונת הדנ"א יהיה ידוע מראש בעקבות קשרים אלו. מבני הדנ"א מוגדרים היטב, וגודלם נע בין מספר ננומטריים ועד 100 ננומטר. ישנם מספר גורמים המשפיעים על מבנה ותפקוד מכונות הדנ"א כגון אנרגיית פני שטח ומורופולגיה של הגדיל. בחלק מהמקרים, הדנ"א נמצא בגוף האדם, ומתחבר לאיברים פנימיים בתוך הגוף. לדנ"א יש אנרגיית פני שטח שיכולה להשפיע על מיקום הדנ"א באיבר. למשל, דנ"א עם מטען שלילי בפני השטח, שימושי בבלוטות הלימפה אבל לא בריאות או במוח. תכונה נוספת היא המורפולוגיה של המבנה שמאפשרת להעביר מטענים מאתרים שונים. המבנים השונים של הדנ"א מבוססים על רצף בסיסי הנוקלאוטידים בשרשרת הדנ"א. המבנים השונים מאפשרים מגוון רחב של אבני בניין למכונות הדנ"א. למשל, שרשרת יחידה או כפולה של דנ"א בעלת תכונות גמישות ואלסטיות שונות. כאשר ישנה שרשרת יחידה של דנ"א, כלומר שאינה מתחברת לשרשרת מקבילה ואינה יוצרת סליל, השרשרת בדרך כלל גמישה יותר. זאת לעומת שרשרת כפולה, שהיא קשיחה יותר ויכולה לשמש כזרועות בעיצוב מכונות הדנ"א. מכונות דנ"א יכולות להתחלק ל-2 קטגוריות עיקריות בהתאם למנגנון המניע שלהן. הקטגוריה הראשונה היא מכונות המושפעות מהסביבה שלהן. למכונות אלו יעילות גבוהה וכן יכולות הפיכות כך שאין בזבוז של גדילי דנ"א. הקטגוריה השנייה מורכבת ממכונות המושפעות מדלק דנ"א, כלומר, מגדילי דנ"א אחרים שבנויים במיוחד להתחבר לגדילי הדנ"א של המכונה במיקום ספציפי, וכך להתחיל את פעולתה. אף על פי שלסוג זה יש יכולת תנועה גדולה יותר וספציפיות גבוהה יותר, החסרונות של סוג זה הם זמן תגובה ארוך יותר וכן בזבוז של גדילי דנ"א. יכולת הובלת מטען של דנ"א מתבססת על מספר סוגי קשרים - קשרים קוולנטים, זיווג בסיסי נוקלאוטידים ועוד. התכנון של מכונות דנ"א שואף לפתח מערכות דמויות חיים על ידי שילוב תגובות חומצת גרעין הניתנות לתכנות. ניתן לסווג מכונות דנ"א לשתי קטגוריות עיקריות בהתאם למנגנוני ההפעלה וההנעה שלהן. הקטגוריה הראשונה מורכבת מננו-מכונות המופעלות על ידי גדילי דנ"א/רנ"א שמתחברים ספציפית למיקומי ההפעלה ומאתחלים את התנועה של המכונות. לסוגים אלה של ננו-מכונות יש יכולת תנועה וסגוליות גבוהה יותר, יש להם חסרונות, כמו יצירת פסולת וזמן תגובה ארוך יותר. הקטגוריה השנייה כוללת ננו-מכונות שניתן להפעיל על ידי גורמים סביבתיים, כגון טמפרטורה וחומציות. למכונות אלו יש יתרונות של יעילות גבוהה ותכונות הפיכות, ללא יצירת פסולת. פינצטת דנ"א היא מכונת דנ"א המבוססת על היברידיזציה. בשנת 2000 נבנתה פינצטת הדנ"א הראשונה אשר הופעלה על ידי גדילי דנ"א. פינצטת דנ"א מורכבת משתי זרועות כפולות המחוברות על ידי גדיל בודד קצר הפועל כציר גמיש. הזרועות מסתובבות בחופשיות בצורה פתוחה של פינצטה שנסגרת רק כאשר נוסף גדיל אשר יכול לעבור היברידיזציה עם קצוות הפינצטה (גדיל הסגירה). הפתיחה המחודשת של הפינצטה מתבצעת על ידי גדיל נוסף המתחבר לאחיזה של גדיל הסגירה לפינצטה. הולכי דנ"א הם סוג של מכונות דנ"א אשר מסוגלות לזוז לאורך מסלול ליניארי שמורכב מחומצת גרעין, בעזרת 'רגליים' של המכונה אשר מתנתקות מהמסלול זו אחר זו ומתקדמות עליו. אסטרטגיה אחת לשליטה בתזוזה היא שימוש בגדילי בקרה שצריך להוסיף באופן ידני לרצף. גישה אחרת היא להשתמש באנזימי רסטריקציה או בדה-אוקסי-ריבוזימים כדי להדביק את הגדילים ולגרום להליכון לנוע קדימה, וכך יש לו את היתרון של פעילות עצמאית. אחת ממטרות הפיתוח של ננו-מבני דנ"א הניתנים לשליטה היא יצירת מכשירים אופטיים, למשל, מתגי אור. חוקרים פיתחו שני מוטות ננומטריים מזהב שהורכבו על גבי פיגום אוריגמי מדנ"א שניתן להגדרה מחדש, כדי ליצור ננו-מבנה פלסמוני. ננו מבנה פלסמוני מאפשר פתיחה וסגירה של המבנה באמצעות הארה של אור וכיבוי. מיתוג הפיך של המצבים הפתוחים והנעולים של הננו-מבנה הפלסמוני הושג על ידי החלפת אור אולטרה-סגול עם קרינת אור גלוי. אור יכול "לכתוב" ו"למחוק" באופן הפיך את מצבי הקונפורמציה של הננו-מבנה. מערכת ננו פלסמונית זו מספקת את התכונות הייחודיות של כתובת אופטית, הפיכות וניתנות לשינוי, שהן חיוניות לפיתוח של מכשירים מולקולריים אופטיים עם פונקציות רצויות. מנועי דנ"א הם חיבורים של גדילי דנ"א או חלקי עיצוב מסוימים, כגון חלקים שלובים זה בזה באופן מכני אך לא מחוברים ישירות, המגבילים את טווח התנועה של הרוטור. המתקן תוכנן להגביל בחוזקה את התנועה של מודול רוטור לדרגת סיבוב אחת של חופש, למעשה ללא הגבלה של טווח הסיבוב הזוויתי. המכשיר הסיבובי נבנה משלושה מרכיבי אוריגמי דנ"א רב שכבתיים שונים: יחידת רוטור, ושני אלמנטים מהדקים שיצרו מיסב סרן. בריכוזי מגנזיום נמוכים, הרוטור עובר תנועות סיבוביות אקראיות, והסיבוב מוצג באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי, כאשר ידית הארכובה מסומנת בצורה פלואורסצנטית בשני הקצוות. למכונות דנ"א יש פוטנציאל רב ליישום בתחומי רפואה, מתן תרופות, אבחון מחלות ושימוש כחיישן ביולוגי, מאחר שלמבני ננו-דנ"א אתרי זיקה מוגדרים היטב במרחב ותכונות שהוגדרו בעבר באמצעות ננו-חלקיקים פונקציונליים, חומרים היברידיים אלו מציגים חישה מולקולרית רגישה ורב-תכליתית. מכונות דנ"א לרוב מועדפות לשימוש כחיישנים אלקטרוכימיים, עקב האינטראקציות הביולוגיות שהן יכולות לקיים והיכולת לכמת אותן. מנגנון חישה אלקטרוכימית מבוסס על שטף אלקטרונים שמוביל ליצירת סיגנל או תגובה הנמדדת על ידי חיישן אלקטרוכימי. מנגנון זה רגיש ביותר ויכול להתקיים גם בסביבה עכורה ובממדים קטנים יותר של חיישנים. באופן כללי למכונות ננומולקולריות יש יכולת מיקוד גבוהה וניתן להשתמש בהן לאיתור ואבחון מחלות. למכונות דנ"א המבוססות על מנגנון חישה אלקטרוכימית יש הצלחה אבחנתית גבוהה. בשימוש במכונות אלו, הרגישות האבחנתית מוגברת בזכות תגובות הגברה המופעלות על ידי כמויות קטנות של אנליטים. דנ"א יכול להשתנות כאשר הוא נחשף לגורמים משפיעים כגון pH, אור, טמפ', פפטידים ועוד. מכונות דנ"א גם כן ישנו את המבנה ואו הקונפיגורציה שלהן לפי תנאים אלו, ולכן הן יכולות לבצע מספר פעילויות שונות בהתאם לתנאי הסביבה. בזכות הפונקציונליות המשתנה, למכונות דנ"א חשיבות גדולה בתחום הרפואה. מכונות דנ"א יכולות לשמש כחיישנים לנוגדנים עצמיים. נוגדנים עצמיים מיוצרים על ידי מערכת החיסון ומכוונים נגד מרכיבים נורמליים כגון תאים וחלבונים בגוף האדם. הנוגדנים יכולים לספק מידע על מחלות מסוימות בשלבים מוקדמים. לפיכך זיהוי נוגדנים עצמיים צריך להיות מהיר, קל, רגיש ודורש ציוד טוב ומומחים מנוסים. עם זאת, עדיין יש צורך בפיתוח שיטות להאצה של תהליך זיהוי הנוגדנים העצמיים והוזלתו. כיום, חיישני חישה אלקטרוכימית נראים כאופציה מבטיחה בשל השימוש הקל, העלות הנמוכה והרגישות הגבוהה. במחקר שבוצע בשנת 2015 הציגו מכונת דנ"א בעלת רגישות גבוהה מאוד. המכונה מאוקטבת על ידי חומצות גרעין וחלבונים. כאשר המכונה נקשרת למולקולת המטרה נוצרת תזוזה של 'זרוע', אשר קוטעת מאות אוליגונוקלאוטידים ברי זיהוי. כך מקישור יחיד בין המכונה למולקולת המטרה נוצרת תגובה משמעותית הניתנת לזיהוי. כפי שכבר צוין, דנ"א הוא חומר ביולוגי מתכלה בעל תאימות כימית גבוהה לגוף האדם. חומצות גרעין הן בעלות מטען שלילי ולכן בלתי ניתנות למעבר דרך ממברנות תאים. לעומת זאת, למכונות דנ"א יתרונות ההופכים אותן למבטיחות כמערכות להסעת תרופות: ביוקומפטיבליות, קיבולת גבוהה להעמסת תרופות, יציבות בתנאים פיזיולוגיים ומבנה צפוי ומוגדר היטב. מכונות דנ"א יכולות לבצע מספר מגוון של משימות מסובכות בתוך תאי הגוף ולהוות מערכות חכמות להסעת תרופות, במיוחד תרופות נגד מחלת הסרטן. רעילות מכונות הדנ"א טרם ידועה ונדרש לחקור אותה לפני שימושים ביולוגיים עתידיים. הנושא המדאיג ביותר הוא חדירת המכונות לרקמות ותאים וגרימתן לדגרדציה של פונקציות ביולוגיות. סיכון נוסף שקיים הוא חדירת המכונות לגרעין התא ושילובן עם הגנום. הדבר אמנם בלתי סביר אך אם יקרה התוצאות עלולות להיות קטלניות. לפיכך על מכונות דנ"א להיות מתוכננות כך שלא יהוו סכנה לשימושים ביולוגיים. מכונה מולקולרית מנוע מולקולרי Benjamin Groves, Yuan-Jyue Chen, Chiara Zurla, Sergii Pochekailov, Jonathan L. Kirschman, Philip J. Santangelo, Georg Seelig, Computing in mammalian cells with nucleic acid strand exchange, Nature Nanotechnology 11, 2015-12-21, עמ' 287–294 doi: 10.1038/nnano.2015.278 Cheng Zhang, Jing Yang, Shuoxing Jiang, Yan Liu, Hao Yan, DNAzyme-Based Logic Gate-Mediated DNA Self-Assembly, Nano Letters 16, 2015-12-11, עמ' 736–741 doi: 10.1021/acs.nanolett.5b04608 Qinqin Hu, Hua Li, Lihua Wang, Hongzhou Gu, Chunhai Fan, DNA Nanotechnology-Enabled Drug Delivery Systems, Chemical Reviews 119, 2018-02-21, עמ' 6459–6506 doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00663 Bharath Raj Madhanagopal, Shunqing Zhang, Esra Demirel, Heitham Wady, Arun Richard Chandrasekaran, DNA Nanocarriers: Programmed to Deliver, Trends in Biochemical Sciences 43, 2018-12, עמ' 997–1013 doi: 10.1016/j.tibs.2018.09.010 Maartje M. C. Bastings, Frances M. Anastassacos, Nandhini Ponnuswamy, Franziska G. Leifer, Garry Cuneo, Chenxiang Lin, Donald E. Ingber, Ju Hee Ryu, William M. Shih, Modulation of the Cellular Uptake of DNA Origami through Control over Mass and Shape, Nano Letters 18, 2018-05-14, עמ' 3557–3564 doi: 10.1021/acs.nanolett.8b00660 Chen Song, Zhen-Gang Wang, Baoquan Ding, Design, Fabrication, and Applications of DNA Nanomachines, Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2013, עמ' 225–261, ISBN 978-3-642-36076-3 Thomas Gerling, Klaus F. Wagenbauer, Andrea M. Neuner, Hendrik Dietz, Dynamic DNA devices and assemblies formed by shape-complementary, non–base pairing 3D components, Science 347, 2015-03-27, עמ' 1446–1452 doi: 10.1126/science.aaa5372 Leopold N. Green, Alessia Amodio, Hari K. K. Subramanian, Francesco Ricci, Elisa Franco, pH-Driven Reversible Self-Assembly of Micron-Scale DNA Scaffolds, Nano Letters 17, 2017-11-28 doi: 10.1021/acs.nanolett.7b02787 Alessia Amodio, Abimbola Feyisara Adedeji, Matteo Castronovo, Elisa Franco, Francesco Ricci, pH-Controlled Assembly of DNA Tiles, Journal of the American Chemical Society 138, 2016-10-05, עמ' 12735–12738 doi: 10.1021/jacs.6b07676 B. Yurke, A. J. Turberfield, A. P. Mills, F. C. Simmel, J. L. Neumann, A DNA-fuelled molecular machine made of DNA, Nature 406, 2000-08-10, עמ' 605–608 doi: 10.1038/35020524 Jie Chao, Huajie Liu, Shao Su, Lianhui Wang, Wei Huang, Chunhai Fan, Structural DNA nanotechnology for intelligent drug delivery, Small (Weinheim an Der Bergstrasse, Germany) 10, 2014-11, עמ' 4626–4635 doi: 10.1002/smll.201401309 Chunhai Fan, Di Li, Brief History of DNA Nanotechnology, Berlin, Heidelberg: Springer, 2013, עמ' 3–5, ISBN 978-3-642-36077-0. (באנגלית) Jonathan Bath, Andrew J. Turberfield, DNA nanomachines, Nature Nanotechnology 2, 2007-05, עמ' 275–284 doi: 10.1038/nnano.2007.104 Jong-Shik Shin, Niles A. Pierce, A synthetic DNA walker for molecular transport, Journal of the American Chemical Society 126, 2004-09-08, עמ' 10834–10835 doi: 10.1021/ja047543j Ye Tian, Yu He, Yi Chen, Peng Yin, Chengde Mao, A DNAzyme that walks processively and autonomously along a one-dimensional track, Angewandte Chemie (International Ed. in English) 44, 2005-07-11, עמ' 4355–4358 doi: 10.1002/anie.200500703 J. Bath, S. J. Green, A. Turberfield, A free-running DNA motor powered by a nicking enzyme., Angewandte Chemie, 2005 Pengfei Zhan, Palash K. Dutta, Pengfei Wang, Gang Song, Mingjie Dai, Shu-Xia Zhao, Zhen-Gang Wang, Peng Yin, Wei Zhang, Baoquan Ding, Yonggang Ke, Reconfigurable Three-Dimensional Gold Nanorod Plasmonic Nanostructures Organized on DNA Origami Tripod, ACS nano 11, 2017-02-28, עמ' 1172–1179 doi: 10.1021/acsnano.6b06861 Anton Kuzyk, Yangyang Yang, Xiaoyang Duan, Simon Stoll, Alexander O. Govorov, Hiroshi Sugiyama, Masayuki Endo, Na Liu, A light-driven three-dimensional plasmonic nanosystem that translates molecular motion into reversible chiroptical function, arXiv:2105.06722 [physics], 2021-05-14 doi: 10.1038/ncomms10591 Jonathan List, Elisabeth Falgenhauer, Enzo Kopperger, Günther Pardatscher, Friedrich C. Simmel, Long-range movement of large mechanically interlocked DNA nanostructures, Nature Communications 7, 2016-08-05, עמ' 12414 doi: 10.1038/ncomms12414 Y Chen, S.H. Lee, C. Mao, A DNA Nanomachine Based on a Duplex–Triplex Transition, Angewandte Chemie International, 2004 doi: https://doi.org/10.1002/anie.200460789 H. Zhang et el, Binding-Induced DNA Nanomachines Triggered by Proteins and Nucleic Acids, Angew Chem Int, 2015 doi: https://doi.org/10.1002/anie.201506312 Veikko Linko, Ari Ora, Mauri A. Kostiainen, DNA Nanostructures as Smart Drug-Delivery Vehicles and Molecular Devices, Trends in Biotechnology 33, 2015-10-01, עמ' 586–594 doi: 10.1016/j.tibtech.2015.08.001 Dr. Zheng-Yong Zhang et al, Biodegradable ZnO@polymer Core–Shell Nanocarriers: pH-Triggered Release of Doxorubicin In Vitro, Angew. Chem. Int., 2013 doi: https://doi.org/10.1002/anie.201300431 Hao Pei, Xiaolei Zuo, Dan Zhu, Qing Huang, Chunhai Fan, Functional DNA nanostructures for theranostic applications, Accounts of Chemical Research 47, 2014-02-18, עמ' 550–559 doi: 10.1021/ar400195t