ربات‌های مولکولی DNA در آینده سلول‌ها را هوشمند می‌کند
به گزارش خبرگزاری آنا، مدارهای جابجایی رشته DNA به تدریج به سمت تبدیل شدن به ماشین‌های سلولی نزدیک‌تر می‌شوند. دانشمندان در حال یافتن راه‌هایی هستند که این دستگاه‌های نانویی قابل برنامه‌ریزی را درون سلول‌های زنده، پایدار و عملکردی سازند. در صورت موفقیت، این دستاورد می‌تواند انقلابی در نحوه‌ی تعامل و کنترل زیست‌شناسی در سطح مولکولی ایجاد کند.
مدارهای محاسباتی DNA در سلول‌ها به زندگی می‌آیند
یک مقاله‌ی مروری اخیرا در مجله Intelligent Computing، با عنوان «از لوله‌ی آزمایش تا سلول، بازگشت به خانه برای مدارهای محاسباتی DNA»، به بررسی پیشرفت‌های کلیدی در تلاش برای وارد کردن مدارهای محاسباتی DNA به درون سلول‌های زنده پرداخته است.
به گزارش scitechdaily، نویسندگان این مقاله شرح می‌دهند که چگونه دستگاه‌های نانویی پویا، از واکنش‌های جابجایی رشته DNA به عنوان محرک استفاده می‌کنند، آنها به زودی قادر خواهند بود عملیات محاسباتی، تشخیص (حسگری)، و کنترل را به‌صورت بلادرنگ درون سیستم‌های زیستی انجام دهند. این دستاورد، راه را برای توسعه‌ی نسل جدیدی از ربات‌های مولکولی هموار می‌کند که می‌توانند به‌طور مستقیم با محیط‌های داخل سلولی تعامل داشته باشند.
این فناوری نویدبخش تحولات بزرگی در زمینه‌ی کنترل و درک عمیق‌تر فرآیندهای زیستی در سطح مولکولی است.
چگونگی تأمین قدرت منطق مولکولی توسط جابجایی رشته DNA
در مرکز این فناوری، مدارهای جابجایی رشته DNA قرار دارند که به‌عنوان یکی از اجزای اصلی در نانوفناوری پویای DNA شناخته می‌شوند. این مدار‌ها بر پایه‌ی فرآیندی به نام جابجایی رشته با واسطه‌ی "توهولد" (toehold-mediated strand displacement) عمل می‌کنند. در این فرآیند، یک رشته DNA ورودی به بخش کوتاهی از DNA که در معرض دید قرار دارد و به آن "توهولد" گفته می‌شود، متصل می‌شود. سپس با حرکت شاخه‌ای (branch migration)، رشته موجود را جابجا می‌کند.
سیستم‌های پایه‌ای مانند گیت‌های سیسو (seesaw gates) و واکنش‌های زنجیره‌ای هیبریداسیون (hybridization chain reactions) امکان اجرای عملیات منطقی پیچیده و تقویت سیگنال‌ها را فراهم می‌کنند. از طرفی، گیت‌های همکارانه (cooperative gates) به چندین ورودی برای تولید خروجی نیاز دارند که این موضوع کنترل دقیق‌تری را ممکن می‌سازد. این اجزای جداگانه می‌توانند در شبکه‌های بزرگتری ترکیب شوند تا مسیر‌های واکنش‌های شیمیایی رسمی را شبیه‌سازی کنند.
علاوه بر این، جابجایی رشته DNA به دستگاه‌های نانوساختاری مانند اوریگامی DNA و ساختار‌های مونتاژ DNA متصل می‌شود. این امر امکان ایجاد تغییرات کنترل‌شده در شکل را فراهم کرده و حوزه‌ی کاربرد‌های زیستی را به‌طور چشمگیری گسترش می‌دهد.
چالش‌ها و راه‌حل‌ها برای عملکرد درون‌سلولی
در حال حاضر، استفاده از جابجایی رشته DNA عمدتاً در شرایط آزمایشگاهی (in vitro) متمرکز است و کاربرد آن در محیط زنده (in vivo) با چالش‌های بزرگی همراه است. از جمله این چالش‌ها می‌توان به تخریب سریع DNA توسط آنزیم‌های تجزیه‌کننده اشاره کرد. برای حل این مشکل و افزایش پایداری، محققان به دنبال اعمال اصلاحات ساختاری و شیمیایی هستند. به عنوان مثال، محافظت از انتهای رشته‌ها با استفاده از ساختار‌های مویی (hairpins) و اضافه کردن مکان‌های اتصال پروتئین، و همچنین انجام اصلاحات شیمیایی مانند ۲’-O-متیلاسیون، می‌تواند به بهبود پایداری کمک کند.
از طرفی، چون اکثر سلول‌ها به طور طبیعی DNA خارجی را دفع می‌کنند، ورود این دستگاه‌های نانویی به درون سلول‌ها نیازمند استفاده از تکنیک‌های تخصصی است. این تکنیک‌ها شامل روش‌های انتقال ژن (transfection) و پروتکل‌های تبدیل (transformation) می‌شوند. پس از ورود به سلول، عوامل مختلفی مانند غلظت نمک، ازدحام مولکولی و محیط‌های ناهمگن می‌توانند بر واکنش‌های جابجایی رشته تأثیر بگذارند.
برای غلبه بر محدودیت‌های ناشی از تحویل مستقیم DNA، محققان در حال توسعه‌ی دستگاه‌های نانویی RNA قابل رونویسی هستند. این دستگاه‌ها در پلازمید‌ها یا کروموزوم‌ها کُدگذاری شده‌اند و به سلول‌ها اجازه می‌دهند تا این مدار‌ها را به‌صورت داخلی بیان کنند. این رویکرد می‌تواند موانع موجود را کاهش داده و عملکرد بهتری را در محیط زنده فراهم کند.
به سوی ماشین‌های هوشمند DNA و بیوکامپیوتر‌ها
جابجایی رشته DNA در توسعه‌ی مدل‌های محاسباتی نوین نقش کلیدی ایفا کرده است. با ترکیب اصول محاسباتی سنتی و جابجایی رشته DNA، الگوریتم‌های محاسباتی ساختاریافته می‌توانند با فرآیندهای تصادفی بیوشیمیایی و واکنش‌های شیمیایی در سیستم‌های زیستی هماهنگ شوند. این ادغام منجر به ایجاد مدل‌های محاسباتی سازگار با زیست (biocompatible) می‌شود که قابلیت عملکرد در محیط‌های زنده را دارند.
در آینده، جابجایی رشته DNA می‌تواند به توسعه‌ی ماشین‌های نانویی DNA کمک کند که به‌صورت خودکار عمل می‌کنند و قادرند فرآیندهای زیستی را با دقت بسیار بالا کنترل و دستکاری کنند. این پیشرفت‌ها می‌توانند تحولات شگرفی را در حوزه‌های پزشکی، بهداشت و تحقیقات علوم زندگی به همراه داشته باشند و درک ما از سیستم‌های زیستی را به‌طور چشمگیری تغییر دهند.
انتهای پیام/
