روبوتات الحمض النووي تُصمم في دقائق بدلاً من أيام – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

DNA robots designed in minutes instead of days
(Jeff Grabmeier – بقلم: جيف غرابميير)

ملخص المقالة:

ستنقل الروبوتات الدقيقة القائمة على الحمض النووي والأجهزة النانوية الأخرى – في يوم من الأيام – الدواء داخل أجسامنا، وتكتشف وجود مسببات الأمراض الفتاكة، وتساعد في تصنيع إلكترونيات أصغر بشكل متزايد. وبواسطة برنامج “ماجيك دي ان ايه (MagicDNA)” ، خطا باحثو جامعة ولاية اوهايو خطوة كبيرة نحو هذا المستقبل بتصميم روبوتات الحمض النووي (DNA) وأجهزة نانوية أكثر تعقيدًا وبشكل ثلاثي الأبعاد في وقت قصير جدًا، بدلًا من استخدام أدوات أبطأ بخطوات يدوية مملة ولعدة أيام. وكدليل على قدرة البرنامج، قام الباحثون بصنع وتوصيف العديد من الهياكل النانوية التي صممها البرنامج، ومن ضمنها أجهزة  ذات أذرع روبوتية بمخالب يمكنها التقاط أشياء أصغر، وبنية بحجم مائة نانومتر تشبه الطائرة (“الطائرة” أصغر 1000 مرة من عرض شعرة الإنسان). ويتوقع الباحثون أننا سنرى تطبيقات تجارية لأجهزة الحمض النووي النانوية في السنوات الخمس إلى العشر القادمة.

( المقالة )

يعتقد العلماء أن الروبوتات الدقيقة القائمة على الحمض النووي والأجهزة النانوية الأخرى ستنقل – في يوم من الأيام – الدواء داخل أجسامنا، وتكتشف وجود مسببات الأمراض الفتاكة، وتساعد في تصنيع إلكترونيات أصغر بشكل متزايد.

واتخذ الباحثون خطوة كبيرة نحو هذا المستقبل من خلال تطوير أداة جديدة يمكنها تصميم روبوتات الحمض النووي (DNA) وأجهزة نانوية أكثر تعقيدًا مما كان ممكنًا من قبل في جزء صغير من الوقت.

وفي ورقة بحثية نُشرت اليوم (19 أبريل 2021) في مجلة “مواد الطبيعة Nature Materials” ، كشف باحثون من جامعة ولاية أوهايو – بقيادة طالب الدكتوراه السابق في الهندسة تشاو مين هوانغ – عن برنامج جديد يسمونه “ماجيك دي ان ايه MagicDNA”.

ويساعد البرنامج الباحثين على تصميم طرق لأخذ خيوط دقيقة من الحمض النووي ودمجها في هياكل معقدة بأجزاء مثل الدوارات (rotors) والمفصلات (hinges) التي يمكنها التحرك وإكمال مجموعة متنوعة من المهام، بما في ذلك توصيل الدواء.

وقال كارلوس كاسترو، مؤلف مشارك في الدراسة وأستاذ مشارك في الهندسة الميكانيكية والفضائية في جامعة ولاية أوهايو، إن الباحثين كانوا يفعلون ذلك لعدة سنوات باستخدام أدوات أبطأ بخطوات يدوية مملة. وأضاف: “لكن الآن، الأجهزة النانوية التي ربما استغرقت منا عدة أيام لتصميمها قبل الآن تستغرق بضع دقائق فقط”. ويمكن للباحثين الآن صنع أجهزة نانوية أكثر تعقيدًا وإفادة.

وقال المؤلف المشارك للدراسة هاي جون سو، أستاذ الهندسة الميكانيكية والفضائية في جامعة ولاية أوهايو: “في السابق، كان بإمكاننا بناء أجهزة تحتوي على ما يصل إلى ستة مكونات فردية وربطها بالمفاصل والمفصلات ومحاولة جعلها تنفذ حركات معقدة”. وتابع: “باستخدام هذا البرنامج، ليس من الصعب صنع روبوتات أو أجهزة أخرى تحتوي على ما يزيد عن 20 مكونًا يسهل التحكم فيها. إنها خطوة كبيرة في قدرتنا على تصميم أجهزة نانوية يمكنها تنفيذ الإجراءات المعقدة التي نريدها”.

ويحتوي البرنامج على مجموعة متنوعة من المزايا التي ستساعد العلماء على تصميم أجهزة نانوية أفضل وأكثر فائدة – ويأمل الباحثون – في تقصير الوقت قبل استخدامها اليومي. وميزة واحدة هي أنه يسمح للباحثين بتنفيذ التصميم بالكامل بشكل ثلاثي الأبعاد. وتسمح أدوات التصميم السابقة فقط  بإنشاء تصاميم ثنائية الأبعاد، مما أجبر الباحثين على تعيين إبداعاتهم في صورة ثلاثية الأبعاد.  هذا يعني أن المصممين لا يستطيعون جعل أجهزتهم معقدة للغاية.

كما يسمح البرنامج للمصممين ببناء هياكل الحمض النووي “من أسفل إلى أعلى” أو “من أعلى إلى أسفل”. ففي التصميم “السفلي”، يأخذ الباحثون خيوطًا فردية من الحمض النووي ويقررون كيفية تنظيمها في الهيكل الذي يريدونه، مما يسمح بالتحكم الدقيق في بنية الجهاز المحلي وخصائصه.

صُنع الجهاز النانوي للحمض النووي ليبدو وكأنه طائرة في حالة حركة. “الطائرة” أصغر 1000 مرة من عرض شعرة الإنسان. مصدر الصورة: جامعة ولاية أوهايو

ولكن يمكنهم أيضًا اتباع نهج “من أعلى إلى أسفل” حيث يقررون كيف يجب تشكيل أجهزتهم الإجمالية هندسيًا ثم أتمتة كيفية تجميع خيوط الحمض النووي معًا. وأشار كاسترو الى أن الجمع بين الاثنين يسمح بزيادة تعقيد الهندسة الكلية مع الحفاظ على التحكم الدقيق في خصائص المكونات الفردية.

وهناك عنصر رئيسي آخر في البرنامج هو أنه يسمح بمحاكاة كيفية تحرك أجهزة الحمض النووي المصممة وتشغيلها في العالم الحقيقي. وقال كاسترو: “بينما تجعل هذه الهياكل أكثر تعقيدًا، من الصعب التكهن بالضبط بالشكل الذي ستبدو عليه وكيف ستتصرف”. وتابع: “من الأهمية بمكان أن نكون قادرين على محاكاة كيفية عمل أجهزتنا فعليًا. وإلا فإننا نضيع الكثير من الوقت”.

وكدليل على قدرة البرنامج، قامت المؤلفة المشاركة أنجيليكا كوسينيك، طالبة الدكتوراه في الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية في جامعة ولاية أوهايو، بقيادة الباحثين في صنع وتوصيف العديد من الهياكل النانوية التي صممها البرنامج. وتضمنت بعض الأجهزة التي قاموا بإنشائها أذرع روبوتية بمخالب يمكنها التقاط أشياء أصغر، وبنية بحجم مائة نانومتر تشبه الطائرة (“الطائرة” أصغر 1000 مرة من عرض شعرة الإنسان).

وقال كاسترو إن القدرة على صنع أجهزة نانوية أكثر تعقيدًا تعني أنه يمكنهم القيام بمزيد من الأشياء المفيدة وحتى تنفيذ مهام متعددة بجهاز واحد. وعلى سبيل المثال، من الأمور أن يكون لديك روبوت الحمض النووي يمكنه، بعد الحقن في مجرى الدم، اكتشاف مسببات مرضية معينة.

وتابع: “لكن الجهاز  الأكثر تعقيدًا قد لا يكتشف فقط حدوث شيء سيء، بل يمكنه أيضًا أن يتفاعل من خلال إطلاق عقار أو التقاط العامل الممرض”، مضيفًا: “نريد أن نكون قادرين على تصميم روبوتات تستجيب بطريقة معينة لمحفز أو تتحرك بطريقة معينة”.

ويتوقع كاسترو أنه خلال السنوات القليلة المقبلة، سيتم استخدام برنامج “ماجيك دي ان ايه” في الجامعات ومختبرات الأبحاث الأخرى. ولكن استخدامه يمكن أن يتوسع في المستقبل. وقال: “هناك المزيد والمزيد من الاهتمام التجاري بتكنولوجيا النانو للحمض النووي”. “أعتقد أنه في السنوات الخمس إلى العشر القادمة سنبدأ في رؤية التطبيقات التجارية لأجهزة الحمض النووي النانوية، ونحن متفائلون بأن هذا البرنامج يمكن أن يساعد في دفع ذلك”.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://phys.org/news/2021-04-dna-robots-minutes-days.html

لمزيد من المعلومات: سي ام هوانغ، أيه كوسينيك، جي أيه جونسون وآخرون؛  Integrated computer-aided engineering and design for DNA assemblies. Nat. Mater. (2021). doi.org/10.1038/s41563-021-00978-5