نانو ماشین های DNA دریچه های علم دارو به فیزیک هستند.
وقتي اعضای داخلی ربات را تصور ميکنم فکر ميکنم ماشين هايی سرد و سخت هستند که برپايه ی فيزيک متشکل از ميله ها، چرخ ها و موتور ها.بنا شده شده اند، اما بدن انسان مبتنی بر ترکيبات مولکولی است که برپايه ی قوانين بيوشيمی فعاليت مي کند، و با وجود سلول هايی همانند ربات ها، با نيرو های ماشينی هماهنگ شده اند( اما در مقياس بسيار کوچک تر) به طور مثال فشار ها و کشش های کوچک مي توانند سلول های بنيادي را مجبور به ادامه ی تقسيم کنند يا آن ها را به سمت بلوغ و جايگزيني در بافت ها ی آسيب ديده ترغيب کند. وقتي موضوع کنترل بدنمان باشد شيمي نقش اصلي را ندارد بلکه نيرو های فيزيکي هم به اندازه مشابهی قدرتمندند.، مسئله اين است که چگونه از آن ها بهره ببريم.
برای حل این مسئله می توان به DNA به عنوان يک راه حل اشاره کرد. تصويري آينده نگرانه از تکنولوژي هاي مکانیکی DNA نشان داده است که در آن از ماشین DNA برای کنترل زیست سلولی انسان استفاده می‌شود. برای مثال در یک بیمار سرطانی بهتر است در صورت امکان به جای یک قطره از شیمی درمانی (که به سلول های سالم نیز آسیب می رساند)، از تزریق نانو ماشین DNA برای کمک به چسبیدن بهتر سلول هاي ایمنی به سلول های سرطان و غیر فعال کردن آن استفاده کرد.
در زمان های طولانی، دانشمندان میکرودستگاه هایی را تولید کرده اند که هزاران بار کوچک تر از ضخامت تار موی انسان است. اما تولید نانودستگاه های کاربردی که هزار بار از آن کوچکتر است، با چالش های بزرگ تری همراه خواهد بود. با این وجود، استفاده از DNA به عنوان قسمت ترکیب دهنده، باعث امکان ساخت نانودستگاه های دارای جزئیات میشوند زیرا بخش های DNA دارای قابلیت خودهمانند سازی هستند. همانطور که موتور بخار مسیر تمدن را به سمت اولین انقلاب صنعتی سوق داد، ماشین های DNA ممکن است به صورت بنیادی باعث تغيير پژوهش هاي دارويي و بيولوژيکي و پيشرفت بيومواد و ترکيب انسان و ماشين شود.
خود ساماندهی، خود تجمعی، خودآرایی یک وسیله در مقیاس نانو.
DNA چهار وجهی دارای لبه‌های دو رشته‌ای نسبتاً سفت است که توسط لولاهای تک رشته‌ای انعطاف‌پذیر به هم متصل شده‌اند. یک محموله، به عنوان مثال یک پروتئین، می‌تواند در حفره مرکزی چهار وجهی به دام افتاده و از ابزارهای مکانیکی ساخته شده از DNA، برای باز کردن چهار وجهی برای کنترل دسترسی به محموله استفاده کرد.
چرا DNA؟
یک ماشین کوچک مارپیچی که بدن را نقشه برداری میکند، را تصور کنید احتمالا اولین چیزی که به ذهنتان می‌آید DNA نیست. DNA از زنجیره‌ی بلند ۴ حرفی A,T,C,G تشکیل و در حالت عادی درون یک محفظه‌ی کوچک منفذ دار در هر سلول به شکل زنجیره‌ی بلند پیچیده به دور یک هسته ی پروتئینی جدا شده است.
ویژگی های متعددی DNA را به یک ماده عالی برای تولید ماشین مکانیکی تبدیل کرده است. یکی از این ویژگی‌ها قابل پیش بینی بودن آن است به طوری که همواره A به T و C به G متصل می‌گردد. این ارتباط شیمیایی همواره باعث تشکیل ساختار مارپيچ دوگانه معروف ميشود. با افزودن اضافات شيميايي کوچکي به اين حروف يا مبادله‌ي همه ي آنها با حروف غير طبيعيِ ترکيبي، دانشمندان موفق شده اند که ترکیبات DNAجدیدی بسازند که به ساختار ویروس می‌پیوندند.
ترکیبات DNA بیشتر از یک زنجیره‌ی غیر قابل شکستن و تغییر ناپذیر شبیه به کاغذ اوريگامي ژاپني يا تکه‌هاي لگو هستند. درحالي که آنها نمي‌توانند همه ي ساختار‌ها را بسازند، شيمي آنقدر انعطاف پذير هستند که دانشمندان بتوانند ساختار، سفتي و عملکرد آن را بوسيله‌ي تغييراتي پيرامون حروف يا عوض کردن کل آنها تغيير دهند.
حلقه های نعلی شکل، سوخت ماشین DNA
کمپلکس‌های حلقه DNA می‌توانند به عنوان منبع انرژی مورد استفاده قرار گیرند. DNA نعلی شکل شامل یک حلقه تک رشته ای است که توسط یک گردن دو رشته ای به دام افتاده است. هیبریداسیون مکمل زنجیره نعلی شک، انرژی ای تقریبا برابر با kcal mol1 1.4 به ازای هر جفت پایه اضافی تشکیل شده آزاد میکند، اما مانعی که وجود دارد به دلیل عدم امکان پیچیدن به دور یکدیگر، بدون باز کردن حداقل یک گردن حلقه است. این واکنش را می‌توان توسط یک رشته کوتاه کاتالیز کرد که در حلقه یا انتهای گردن به یک پایه تک رشته ای متصل می‌شود و DNA نعلی شکل را با هیبریداسیون گردن در تمام طول DNA باز میکند. هنگامی که یک حلقه باز می‌شود تقریبا سریع با مکمل خود تعامل میکند و رشته کاتالیزور را آزاد میکند.
سربرآوردن DNA ماشین ها
در اواخر پاییز ۱۹۸۰ دکتر Nadrian Seeman در حال استراحت در بوفه‌ی دانشکده بود که فهمید می‌تواند شکل مشبک مشابهی را توسط DNA بسازد که مطالعه‌ي شکل مولکول را بسيار راحت تر کند. بيش از يک دهه بعد آزمايشگاه او اولين نانوساختار سه بعدي مصنوعي را مهندسي کرد (يک مکعب ساخته شده ازمولکول‌ی DNA)؛ و بدین ترتیب حوزه نانو DNA متولد شد.
با پرداخت مبتکرانه به يک نوآوري، متخصصان حوزه‌ي تکنولوژي به سمت ساخت ساختار‌هايي که مدام پيچيده تر مي‌شدند شتافتند، مثل صورت‌هاي خندان، دانه‌هاي برف، يک نقشه‌ي کوچک از جهان، و کوچک ترين مجموعه ي بازي tic-tac-toe البته این فقط برای تفریح نبود. در این راه دانشمندان از آزمودن قوانین و تکنیک‌ی مهندسی برای شکل دهی به استاندارد‌ی DNA به فرم دلخواهشان (ایجاد نقشه مهندسی DNA) پرده برداشتند. سپس دوران انقلاب DNA رسید. خواندن و نوشتن مولکول از تراشیدن به روندی ساده تر شونده، تبديل شد که باعث آسان تر شدن تجربه ي طراحي جديد شد. مواد شيميايي افزودني يا برچسب‌هاي فلوئورسنت يا ساير اصلاحات به دانشمندان يک ديد مستقيم نسبت به آفريده شان داد.
هنر ساختن DNA بیشتر از حرفه ای پیرامون دانشگاه در اکثر آزمایشگاه‌ها در دسترس قرار گرفت و تعداد وسايل به سرعت افزايش يافت (وسايل که ميتوانند نيروهاي مکانيکي داخل سلول را احساس و مخابره کرده و بسازند).
نسل بعد
در مسیر اثبات کاربردی این نانو ماشین‌ها در آزمایشگاه سالیتا، تحقیقاتی در حال انجام است. به طور مثال سلولی پر از پروتئين‌هاي انتقال دهنده که مواد مغذي و ساير محموله‌ها را در فضاي داخلي سلول در مسير‌هاي خاصي حمل میکنند. همانقدر که رفت و آمد زياد جاده‌ها را تخريب مي‌کند تغييرات در پروتئینی انتقال دهنده سلول‌هايمان نيز مي تواند به اسکلت سلولی آسيب بزند.
حال دانشمندان از ابزار DNA استفاده کرده اند تا تغییرات نیرومحور مانند کشیدگی، بازشدگی، پارگیِ مولکولی درگیر در سیستم توزیع سلولی‌مان را اندازه گرفته و به دنبال علت اصلی مشکل بگردند. مانند سنسور‌ی کششی DNA که شبیه به مقیاس‌ها و دیگر معیار‌ی سنجش نیرو در دنیای ماکروسکوپی ما عمل میکنند. هر سنسور از یک DNA فنری کشسان برای انبساط در اثر نيرو و يک خطکش فلوئورسنت براي اندازه گيري کش آمدگي تشکيل شده. هر سنسور DNA در يک سر محکم شده و در سر ديگر به بخش دیگر سلول متصل ميشود. اگر نيروي کشش به آستانه‌ي خاصي برسد فنر باز ميشود و خطکش نور فلوئورسنت را خاموش مي کند که به معنی هشدار کشيدگي بسيار شديد سلول است.
کار ممکن است پیچیده به نظر برسد ولی کاربردش بسیار است. یکی از آنها برای CAR-T therapy (درمان جدید سرطان که از ژن درمانی برای تقویت سلولی ایمنی به منظور هدف قرار دادن سلولی تومور استفاده میکند) با استفاده از یک سنسور اندازه گیری کشش DNA است. با استفاده از این سنسور‌ها گروه می‌تواند نیروی بین سلول‌ها را حین عمل و عکس العمل دنبال کند، که به دانشمندان در مهندسی بهتر درمان CAR-T کمک میکند. اندازه گير براي فهميدن چگونگي تبديل سلول‌هاي بنيادي به سلول‌هاي مغزي تحت تاثير نيروهاي مکانيکي و چگونگي تشخيص سلول‌هاي بيگانه توسط سلول‌هاي ايمني به کار ميرود.
سلول T ایمنی به طور مدام سلول‌ها را توسط کِشنده‌ی مکانیکی مورد آزمایش قرار می‌گیرد. آنها به پروتئین سطحی سلول متصل شده و آنها را میکِشند، اگر اتصال محکم باشد نشانه‌ی این است که سلول T عامل بیگانه را پیدا کرده اند. استفاده از ابزار DNA دیدگاه جدیدی را برای درک این نیرو‌ها در سلول ایمنی فراهم میکنند که در مقابل می‌تواند میزان قدرت پاسخ ایمنی بدن را پیش بینی کند.
یکی از امیدوار کننده ترین بخش استفاده از DNA ماشین درحال توسعه که می‌تواند در آینده مورد توجه بیشتری قرار گیرد، ایجاد نیروی کشش و اتصال مکانیکی سلول T ایمنی به عامل بیگانه توسط این ماشین‌ها است. هچنین ماشینی خودهمانند ساز DNA، دارای زمینه ای با ابزار‌یی بر پایه‌ی DNA است که نیروی مکانیکی را تولید، احساس و مخابره میکنند. ولی نهایتا ادغام آنها باعث ساخت نانوماشینی می‌شود که کنترل مکانیکی را بر سیستم زنده اعمال میکنند.
چالش ها و کاربرد ها
در آینده به علت تداوم کاهش قیمت‌ها ما شاهد نانوماشین DNA خلاقانه تری خواهیم بود. البته مانند دیگر زیست مولکول‌ها موانع زیادی در مسیر قرار دارند، از جمله شناسایی و تخریب DNA خارجی به عنوان یک مهاجم توسط سیستم ایمنی بدن، اما این مانع را می‌توان با طراحی واحد‌ی DNA ساخته شده مقاوم به تحریک سیستم ایمنی و پیشرفت بیوشیمیایی، برطرف شود.
مشکل دیگر این است که ابزار DNA تونایی تولید نیروی خیلی کمی را دارد که بسیار کمتر از آن است که بتواند بطور موثر نیرو‌ها را در سلولی کنترل کند. یکی از راه حل پیشنهادی برای این موضوع ادغام تعداد زیادی از واحد های DNA ی تولید کننده‌ی نیرو با هم و یا مهندسی ترجمه DNAها که می‌توانند انرژی الکتریکی را به نیروی مکانیکی تبدیل کنند. (مشابه نحوه ی عملکرد ماهیچه‌یمان)
پیشرفت در تکنولوژی مکانیکی DNA فقط در راه سودبخشی دارو‌ها نیست، آنها می‌توانند بر طراحی نانومواد هم موثر باشند. همچنین تکنیک‌ها، ابزار و روش طراحی مختص DNA نیستند. در آینده می‌توان با افزودن الگو‌ی طراحی با کمک رایانه، هر فرد توانایی تبدیل یک طراحی نانوماشینی به واقعیت را کسب میکند.
