ما هي الدياتومات وحيدة الخلية ؟

الدياتومات هي كائنات صغيرة وحيدة الخلية ، تعيش في المحيطات ، البحيرات ، الأنهار ، والتربة. من خلال التنفس ، فإنها تنتج ما يقرب من ربع الأكسجين على الأرض ، بقدر ما تنتج الغابات الاستوائية في العالم. بالإضافة إلى نجاحها الإيكولوجي في جميع أنحاء المعمورة ، لديهم عدد من الخصائص الرائعة. تعيش الدياتومات في منازل زجاجية بتصميمها الخاص ، و هي تظهر عند التكبير في مجموعة من الأشكال المدهشة والجمالية.

لقد وجد الباحثون مصدر إلهام في هذه المنتجات المجهرية الشبيهة بالجواهر منذ اكتشافها في أواخر القرن الثامن عشر. في دراسة جديدة ، قام علماء جامعة ولاية أريزونا ، بقيادة البروفيسور هاو يان ، بالتعاون مع باحثين من معهد شنغهاي للفيزياء التطبيقية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم وجامعة شنغهاي جياوتونغ بقيادة البروفيسور تشونهاي فان ، بتصميم مجموعة من بنى نانوية تشبه الدياتوم.

ولتحقيق ذلك ، يقومون باستعارة التقنيات التي تستخدمها الدياتومات التي تحدث بشكل طبيعي لإيداع طبقات من السيليكا - المكون الأساسي في الزجاج - من أجل تنمية قواقعها المعقدة. باستخدام تقنية تعرف باسم DNA origami ، صممت المجموعة منصات نانوية ذات أشكال مختلفة يمكن أن تلتصق بها جزيئات السيليكا ، التي يتم سحبها بشحنة كهربائية.

يوضح البحث الجديد أن ترسيب السيليكا يمكن تطبيقه بفعالية على البنى التركيبية القائمة على الحمض النووي ، مما يحسن من مرونتها وقوتها. ويمكن أن يكون للعمل في النهاية تطبيقات بعيدة المدى في أنظمة بصرية جديدة ، وأشباه الموصلات النانوية ، والالكترونيات النانوية ، والتطبيقات النانوية والروبوتية ، بما في ذلك توصيل الدواء.

يان هو أستاذ Milton D. Glick المتميز للكيمياء والكيمياء الحيوية ويدير مركز Biodesign للتصميم الجزيئي والبيولوجية الحيوية. يتم الإبلاغ عن النتائج التي توصلت إليها المجموعة في الإنترنت المتقدم لمجلة Nature.

يقوم باحثون مثل يان وفان بإنشاء بنى نانوية متطورة في 2 و 3 أبعاد باستخدام الحمض النووي كمواد بناء. وتعتمد هذه الطريقة ، المعروفة باسم DNA origami ، على خصائص الاقتران الأساسية للنيوكليوتيدات الأربع في الدنا ، والتي يتم اختصار اسمائها A و T و C و G.

يتشكل الهيكل الشبيه بالسلم من الحلزون المزدوج للحمض النووي عندما تترابط خيوط مكملة من النوكليوتيدات مع بعضها البعض - النوكليوتيدات C دائما تتزاوج مع Gs و As As بالاشتراك مع Ts. يمكن استغلال هذا السلوك المتوقع من أجل إنتاج مجموعة غير محدودة من الأشكال الهندسية التي يمكن تصميمها مسبقًا. ثم تقوم التركيبات النانوية بالتجميع الذاتي في أنبوب اختبار.

في هذه الدراسة الجديدة ، أراد الباحثون معرفة ما إذا كانت البنى المصممة مع الحمض النووي ، التي يقيس كل منها مجرد جزء من المليارات من المتر ، يمكن استخدامها كأطر هيكلية يمكن أن تنمو عليها الهياكل الخارجية الشبيهة بالضبابية المكونة من السيليكا بطريقة دقيقة ويمكن التحكم فيها. وتظهر نتائجهم الناجحة قوة هذا الزواج المهجن من الطبيعة وهندسة النانو ، والتي يطلق عليها المؤلفون اسم DNA Origami Silicification (DOS).

يان "هنا ، أوضحنا أن الكيمياء الصحيحة يمكن تطويرها لإنتاج مواد هجين من السيليكا والحمض النووي (DNA) التي تكرر بأمانة المعلومات الهندسية المعقدة لمجموعة واسعة من السقالات المختلفة لأورام الحامض النووي. وقد أثبتت النتائج التي توصلنا إليها طريقة عامة لإنشاء نانويات السليكون الحيوية". .

ومن بين أطر عمل الحمض النووي الهندسي المصممة والمبنية في التجارب كانت الصلبان ثنائية الأبعاد ، والمربعات ، والمثلثات ، وأشكال قرص العسل ثنائي الذرة ، بالإضافة إلى مكعبات ثلاثية الأبعاد ، ورباعي السطوح ، ونصفي الكرة الأرضية ، والأشكال الحلزونية والأهليلجية ، التي تحدث كوحدات مفردة أو شبكات.

وبمجرد اكتمال أطر الحمض النووي ، تم رسم مجموعات من جسيمات السيليكا تحمل شحنة موجبة بشكل استاتيكي إلى سطوح أشكال الحمض النووي السالب كهربائيا ، والتي تراكمت على مدى عدة أيام ، مثل الطلاء الناعم المطبق على قشر البيض. صُنعت سلسلة من الميكروسكوب الإلكتروني للإرسال والمسح الضوئي من نماذج DOS الناتجة ، وكشفت عن سكريسة دقيقة وفعالة تشبه الدياتوم.

أثبتت هذه الطريقة فعاليتها في عملية التسييل من الهياكل النانوية ذات الإطارات المجسمة والمنحنية والمسامية التي يتراوح حجمها من 10-1000 نانومتر (أكبر الهياكل تقريبًا حجم البكتيريا). يتم تحقيق التحكم الدقيق في سماكة طبقة السيليكا بمجرد تنظيم مدة النمو.

في البداية ، اتسمت البنيات النانوية المشفهة من نوع DOS-diatom باستخدام زوج من الأدوات القوية القادرة على الكشف عن أشكالها الدقيقة ، الميكروسكوب الإلكتروني النافذ (TEM) والمجهر الذري (AFM). تكشف الصور الناتجة عن مخططات أوضح بكثير للهياكل النانوية بعد ترسب السيليكا.

إن طريقة التصنيع النانوي دقيقة للغاية ، فقد تمكن الباحثون من إنتاج مثلثات ومربعات وسداسيات ذات مسام موحدة يبلغ قطرها أقل من 10 نانومترات ، وهو أصغر حجم تم تحقيقه حتى الآن ، باستخدام الطباعة الحجرية للحمض النووي للأوريجامي. علاوة على ذلك ، فإن التقنية المذكورة في الدراسة الجديدة تزود الباحثين بالتحكم الأكثر دقة في بناء النانو ثلاثية الأبعاد في أشكال تعسفية غالباً ما تكون صعبة في الإنتاج من خلال الطرق الحالية.

واحدة من ممتلكات الدياتومات الطبيعية ذات الاهتمامات العظيمة لمهندسي هندسة النانو مثل Yan و Fan هي القوة المحددة لقذائف السيليكا. تشير القوة المحددة إلى مقاومة المادة للكسر نسبة إلى كثافتها. لقد وجد العلماء أن معماريات السيليكا من الدياتومات ليست فقط أنيقة وملهمة ولكنها صعبة للغاية. في الواقع ، تمتلك الهياكل الخارجية السيليكا التي تغلف الدياتومات أعلى قوة محددة لأي مادة منتجة بيولوجيًا ، بما في ذلك العظام والقرون والأسنان.

في الدراسة الحالية ، استخدم الباحثون AFM لقياس المقاومة لكسر الهياكل النانوية للدنا المعززة السيليكا. ومثل نظرائهم الطبيعيين ، أظهرت هذه الأشكال قوة ومرونة أكبر بكثير ، حيث عرضت زيادة بنسبة 10 أضعاف في القوى التي يمكن أن تتحملها ، مقارنة مع التصاميم الاخري ، مع احتفاظها بمرونة كبيرة.

كما تظهر الدراسة أن الصلابة المعززة للنظم النانوية DOS تزداد مع وقت نموها. كما لاحظ الباحثون ، فإن هذه النتائج تتفق مع الخصائص الميكانيكية المميزة للأجسام الحيوية التي تنتجها الطبيعة ، مقترنة بالمتانة الرائعة مع المرونة.

تضمنت تجربة أخيرة تصميم بنية نانوية رباعية السطوح ثلاثية الأبعاد جديدة باستخدام نانودودات الذهب كدعامات داعمة لجهاز مفعل من طراز DOS. استطاعت هذه البنية الجديدة أن تحتفظ بشكلها الصادق مقارنةً بهيكل مماثل يفتقر إلى السيليكات التي تشوهت وانهارت.

يفتح البحث مدخلا للابتكارات المستوحاة من الطبيعة في تكنولوجيا النانو التي تعمل فيها هياكل الحمض النووي كنماذج قد تكون مغلفة بسليكا أو ربما مواد أخرى غير عضوية ، بما في ذلك فوسفات الكالسيوم وكربونات الكالسيوم وأكسيد الحديديك أو أكاسيد فلزية أخرى ، مما يعطي خصائص فريدة.

"نحن مهتمون بتطوير طرق لإنشاء بنى نانوية هجينة عالية المستوى. على سبيل المثال ، يمكن تحقيق مواد هجينة متعددة الطبقات / متعددة المكونات عن طريق ترسيب متدرج لمواد مختلفة لزيادة توسيع التنوع البيولوجي" ، قال فان.

مثل هذه القدرات ستفتح فرصاً جديدة لتصنيع حواسب نانوية ذات حالة صلبة قابلة للبرمجة وذات ميزات هرمية ، ومواد مسامية جديدة ذات دورية هيكلية ، وتجويف ، ووظائف ، ومواد بلازما ، ومواد تعريفية. يمثل النهج المستوحى من الحيوية والمستنسخ البيولوجي الموضح في هذه الورقة إطارًا عامًا للاستخدام مع الأجهزة النانوية غير العضوية التي تحتوي على أشكال ووظائف ثلاثية الأبعاد عشوائية ، وتقدم تطبيقات محتملة متنوعة في مجالات مثل الإلكترونيات النانوية ، والضوئيات النانوية ، والروبوتات النانوية

اعداد وترجمة / فادي طارق 

المصدر