DNA אוריגמי

DNA אוריגמי הוא שיטה לקיפול מולקולות DNA שבאמצעותה אפשר לבנות מבנים דו-ממדיים ותלת-ממדיים שעשויים מ-DNA. הבנייה מורכבת ממולקולת DNA חד-גדילית ארוכה, ורצפי DNA קטנים שנקראים "סיכות". כל סיכה מכילה שני רצפי חומצות גרעין שונים, שמתאימים לשני רצפים מקבילים שנמצאים במקומות שונים על המולקולה הארוכה. כאשר סיכה מתחברת לשתי נקודות כאלה על המולקולה הארוכה, היא גורמת לקיפולה. המבנים הנוצרים הם בעלי סדר גודל ננומטרי (10^-9 המטר).

באמצעות רצפי DNA מתוכננים, המנצלים את תכונת ההרכבה העצמית של רצפי DNA משלימים, ניתן להרכיב צורות זעירות בעלות מבנה מוגדר. השיטה, אשר פותחה במכון הטכנולוגי של קליפורניה על ידי פול רוטמונד בשנת 2006,^[1] מתבססת על יצירה של רצף DNA חד גדילי ארוך ושל רצפי DNA חד גדילי קצרים רבים. הרצפים הקצרים נקשרים אל הרצף הארוך ומשמשים כעין סיכות אשר מהדקות את מבנה הרצף הארוך ומקנות לו את צורתו. בדרך זו, מדענים הצליחו עד היום ליצור מבנים דו־ממדיים ותלת־ממדיים שונים. מקור השם DNA אוריגמי הוא באמנות קיפולי נייר אשר מקורה ביפן.

היסטוריה

בשנת 1959 ריצ'רד פיינמן העלה בהרצאתו יש שפע מקום בתחתית (באנגלית: There’s plenty of room at the bottom) את השאלה הבאה: "האם אפשר לכתוב את כל עשרים וארבעה הכרכים של אנציקלופדיה בריטניקה על גבי ראש של סיכה?". הוא חישב שלשם כך דרושים פיקסלים בגודל של 8 ננומטר, כלומר בסדר גודל של מולקולות. אפשר לעמוד באתגר זה בעזרת מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) או מיקרוסקופ מִנהור סורק (STM), אך בשיטות אלה האטומים או המולקולות יוזזו סדרתית אחד אחד, ודרושים גם תנאי עבודה קיצוניים של ואקום מוחלט וטמפרטורה מתחת למינוס 180 מעלות צלזיוס. אפשרות תאורטית אחרת היא על ידי אלמנטים שמתחברים מעצמם, כגון מולקולות DNA. שיטות אלה אינן יקרות, קלות יותר לביצוע, והן מהירות יותר משום שהמבנים מתחברים בבת אחת ולא בצורה סדרתית. עם זאת, כיום שיטות אלו עדיין אינן מאפשרות יצירה של מבנים מורכבים.

בניה מ-DNA מבוססת על התכונה של גדילי DNA להתחבר לגדילים משלימים (גדילים שונים או בקיפול גדיל על עצמו). הגישה המסורתית להרכבת מבני DNA מ"אבני בניין" היא יצירת מספר אוליגו-נוקלאוטידים שיוצרים השלמה לסלילים דו-גדיליים והמהווים "אבן הבניין". בקצות הגדילים של אבני הבניין מתוכננות שאריות של רצף שיישאר בודד ויתחבר לרצף מתאים בקצה אבן בניין אחרת. רצפים אלה מאפשרים חיבור בין אבן בניין לרעותה ונקראים "קצוות דביקים". הרעיון הועלה לראשונה בשנת 1982 על ידי החוקר נאדריאן סימן שהציע כי באמצעות תכנון מקטעי DNA עם קצוות דביקים ניתן יהיה להרכיב מבנים תלת-ממדיים.^[3] האפשרות לחזות את האינטראקציות בין הגדילים מאפשרת לחוקרים לתכנן מולקולות DNA שיכולות להתחבר אחת אל השנייה. באופן טבעי, DNA דו-גדילי הוא ליניארי, אך בתכנון של הרצף ניתן ליצור מבנים של ענפי DNA (אריחי DNA). בין המבנים השונים ניתן לחבר על ידי הצלבה של קצוות דביקים. הניסיונות הראשונים ליצור מבנים מענפים בודדים נחלו כישלון^[4] ומספר הצורות שניתן היה להרכיב בהצלבה אחת היה מוגבל. בשנת 1993 השתמשו לראשונה בהצלבה כפולה. בשיטה זו נבנות מספר רשתות דו־ממדיות מחזוריות. אף על פי שרשתות אלו מאפשרות לקשור חלבונים, מתכות וכדומה בצורה מדויקת, הן אין-סופיות ואינן אחידות בגודל ובצורה. שיטה זו רווחת גם היום. בשנת 2005 פיתחו ליו וקבוצתו שיטה לבניית מבנים סופיים על ידי שימוש במספר אריחי DNA בעלי קצוות דביקים שונים המתחברים רק לאריח השכן. בשנת 2007 שולמן ווינפרי הצליחו ליצור רשת ברוחב קבוע על ידי בקרה מדויקת של תהליך הגדילה שלה.^[5] בשנים האחרונות פותחו שיטות דומות נוספות. בשיטות אלו קשה לתכנן מבנה יציב ולכן הן מוגבלות לצורות גאומטריות פשוטות. כמו כן שיטות אלו מכילות שלבי עבודה רבים ותפוקתן מועטה. כיוון מחקר נוסף שהתפתח במקביל היה של ין וקבוצתו (2003) שהציעו אסטרטגית הרכבה ייחודית המבוססת על אריחי DNA שיורכבו על DNA חד גדילי ארוך שיהווה פיגום. גישה זו מהווה את הבסיס ל-DNA אוריגמי. הקפיצה הגדולה בבניה מ-DNA הייתה כאשר פול רוטמונד,^[1] פיתח גישה בה משתמשים ברצפי DNA קצרים כ"סיכות" המתוות את הצורה שבה יתקפל גדיל DNA ארוך המהווה "פיגום" של המבנה – זהו ה-DNA אוריגמי. לשיטה זו מספר יתרונות על השיטות האחרות: מיעוט הטעויות בקיפול הגדיל הארוך גורם ליצירה של פחות מבנים פגומים ומתקבלת תפוקה גבוהה יותר בזמן סינתזה קצר יותר; כמו כן, מתאפשרת יצירת מבנים מסובכים יותר, בהם יש אפשרות לגשת למיקומים ספציפיים (על סמך הרצף הידוע של פיגום ה-DNA). בשיטה זו יצרו בקבוצה של רוטמונד מספר צורות דו־ממדיות כגון מלבנים, משולשים וכוכבים.

שלבי יישום השיטה

תכנון DNA אוריגמי נעשה במספר שלבים:

בשלב הראשון של התכנון, שנעשה ידנית, בונים מודל גאומטרי של מבנה DNA לפי הצורה המבוקשת. לדוגמה, אם הצורה המתוכננת היא ריבוע, מרצפים אותה במולקולת DNA דו גדילית, שאחד מהגדילים שלה הוא ה-DNA החד גדילי שבו ישתמשו בעת הבניה. מעבירים את הסליל הדו גדילי הלוך ושוב בשרטוט בצורת עקלתון עד שהוא ממלא את הריבוע כולו. לצורך התכנון מתייחסים לכל קטע ישר של DNA דו סלילי בתור גליל, כאילו הצורה בנויה מגלילים שמונחים זה ליד זה, ומתחשבים בנפח הגליל ובנקודות שבהן יש סיבוב במולקולה הדו גדילית. בכל גליל כזה יהיה מספר שלם של סיבובי המולקולה הדו גדילית. כדי לחזק את המבנה מתכננים בשרטוט מעברים בין הגלילים, כלומר מקומות בהן גדיל מגליל אחד יתחבר לגדיל בגליל אחר. בעת הבניה המעברים האלה יתבצעו בעזרת מקטעי אוליגונוקלאוטידים שמיוצרים מראש. ידוע שגדילים מקבילים במבני DNA אינם ארוזים בצפיפות כנראה בשל דחייה בין מטענים השלילים של קבוצות הזרחן אשר על השלד של מולקולת ה-DNA. הרווח בין כל זוג צילינדרים תלוי בריווח של המעברים ומוגבל על ידם. רצוי שהמעברים יופיעו במרווחים של מספר אי-זוגי של חצאי סיבוב דו-הגדיל.

בשלב השני, לאחר שהמודל הגאומטרי של הצורה הרצויה וכן מסלול הקיפול של ה-DNA החד גדילי הארוך הוכנו, הם מוצגים כרשימות של אורכי DNA והזחות ביחידות של חצאי סיבובים של דו-הגדיל. נתונים אלו מוזנים לתוכנת מחשב, יחד עם רצף ה-DNA החד-גדילי הארוך. תוכנת המחשב מבצעת תכנון של סט המעברים הקרויים "סיכות".

בשלב השלישי, על מנת לייצב את המבנה מבחינת לחץ המופעל עליו בתהליכי הקיפול, מחושבים מחדש מיקומי המעברים בין הגדילים ומיקומם משתנה בהתאם. כמו כן, מיקומי ה"סיכות" מחושבים בהתאם.

בשלב הרביעי, כדי לאפשר ל"סיכות" תחום קשירה גדול יותר עם החד-גדיל הארוך, זוגות סמוכים של "סיכות" מאוחדים ליצירת סט של גדילים ארוכים יותר ומעטים יותר. הדבר מקנה ייחודיות רבה יותר בקישור ואנרגיית קישור גבוהה יותר (שתוצאתה בנקודת התכה בה הגדילים נפרדים גבוהה יותר).

שימושים ויישומים

זיהוי של מולקולות בודדות

זיהוי ביטוי גנים – בשיטה זו, יוצרים משטח מלבני מ-DNA בשיטת DNA אוריגמי, אשר אליו מחוברים רצפי DNA חד גדילים באורך 20 נוקלאוטידים, המשמשים כגלאים. אם יהיה בדגימה רצף רנ"א משלים לאחד הגלאים, הם יעברו היברידיזציה. את רצפי הרנ"א המחוברים ניתן לאתר בקלות באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי. יתרונה של שיטה זו על פני שיטת מערך ה-DNA (DNA microarray) הנהוגה כיום, הוא שניתן לגלות בעזרתה אפילו ביטוי נמוך מאוד של גן מסוים, ייתכן שאפילו ברמת התא הבודד.^[6]
זיהוי תגובות כימיות - ניתן לאתר תגובה כימית בין שתי מולקולות על ידי תצמידים של ביוטין-סטרפטאבידין שמוקמו על מלבן DNA, כאשר כל יצירה או פירוק של קשר כימי מביאים לקישור או ניתוק התצמידים מהמשטח (בהתאמה). ניתן לעקוב אחר קשרים אלו על ידי מיקרוסקופ כוח אטומי. ניתן להשתמש בשיטה זו כדי לחקור מגוון של תהליכים כימיים ואף ליצירה של מקרומולקולות ברמת סלקציה גבוהה מהקיימת היום.

ארגון חומרים

ארגון חלבונים - ניתן להשתמש במבני DNA דו־ממדיים כדי לסדר עליהם חלבונים בצורה מכוונת.^[7] על מנת לעשות זאת משתמשים בסיכות שמחובר אליהן החלבון הרצוי. ניתן לתכנן את מיקום החלבונים על ידי מיקום מכוון של כל סיכה.
בניית מעגלים חשמליים - בעזרת ה-DNA אוריגמי ניתן לעגן שפופרות פחמן (SWNT) על מבני DNA דו־ממדיים.^[8] בדרך זו, ניתן יהיה לייצר מעגלים חשמליים בשיטת "מלמטה-למעלה" (bottom-up).
שימוש בבסיס DNA ליצירת מבני מתכת ננומטריים על ידי פיגומי DNA מתוכננים עליהם משקיעים יוני מתכת (קשר בין מטען החיובי שביון המתכת למטען השלילי שבזרחן על-גבי שלד ה-DNA) היוצרים גרעין גיבוש להשקעה נוספת וכך יוצרים ננו-חוטים מוליכים במתווה המתוכנן של DNA אוריגמי.^[9]^[10]

אוריגמי תלת-ממדי

ננורובוטיקה - בעזרת מבני DNA תלת־ממדיים ניתן ליצור רובוטים מ-DNA תלת־ממדי אשר מסוגלים לנוע במרחב ולהגיב לגירויים חיצוניים כגון אור וכדומה.
תרפיית גנים בננו-רפואה- ניתן ליצור מערכות שיגור תרופות הבנויות מ-DNA אשר יכולות להשתיק גנים מסוימים בתאים מסוימים. כיום, האתגר העומד בפני החוקרים הוא לגרום למבנה התלת־ממדי לחדור את ממברנת התא. אחד הפתרונות הוא ציפוי המבנה במולקולות אשר מצפות בדרך כלל מעטפות נגיפים המאפשרות להם להדביק את התא על ידי חדירה אליו.
מדידה וכיול מרחקים - ניתן ליצור סרגל תלת־ממדי המאפשר למדוד מרחקים בסדרי גודל ננומטריים. ניתן להשתמש בסרגל כזה על מנת לאמוד מרחקים בין מולקולות המשתתפות בתגובה מסוימת או לצורך כיול מיקרוסקופים. כיום נהוג לכייל מיקרוסקופים בעזרת מולקולות DNA חופשיות או שרשראות חלבונים, אך כיול שכזה אינו מדויק בגלל גמישות המולקולות וגודלן המרחבי המשתנה.
עיגון - יצירת מבנה DNA אשר ישמש לעיגון תאים, למשל לצורך יצירת רשתות נוירונים מתוכננות.

ראו גם

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא DNA אוריגמי בוויקישיתוף

הערות שוליים

^ ¹ ² Rothemund, Paul W. K. (2006). "Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns". Nature. 440 (7082): 297–302. doi:10.1038/nature04586. ISSN 0028-0836. PMID 16541064.
^ EMD-2210
^ N. C. Seeman, “Nucleic acid junctions and lattices.,” Journal of theoretical biology, vol. 99, no. 2, pp. 237-47, Nov. 1982.
^ N. C. Seeman, “DNA nanotechnology: novel DNA constructions.,” Annual review of biophysics and biomolecular structure, vol. 27, pp. 225-48, Jan. 1998.
^ R. Schulman and E. Winfree, “Synthesis of crystals with a programmable kinetic barrier to nucleation.,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 104, no. 39, pp. 15236-41, Sep. 2007.
^ H. Ke, Yonggang Lindsay, S., Chang, Y., Liu, Y., Yan, “Self-Assembled Water-Soluble Nucleic acid probe tiles for label-free RNA hybridization assays.,” Science, vol. 319, pp. 180-183, 2008.
^ A. Kuzyk, K. T. Laitinen, and P. Törmä, “DNA origami as a nanoscale template for protein assembly.,” Nanotechnology, vol. 20, no. 23, p. 235305, Jun. 2009.
^ H. T. Maune et al., “Self-assembly of carbon nanotubes into two-dimensional geometries using DNA origami templates.,” Nature nanotechnology, vol. 5, no. 1, pp. 61-6, Jan. 2010.
^ B. Ding, Z. Deng, H. Yan, S. Cabrini, R. N. Zuckermann, and J. Bokor, “Gold nanoparticle self-similar chain structure organized by DNA origami.,” Journal of the American Chemical Society, vol. 132, no. 10, pp. 3248-9, Mar. 2010.
^ S. Pal, Z. Deng, B. Ding, H. Yan, and Y. Liu, “DNA-origami-directed self-assembly of discrete silver-nanoparticle architectures.,” Angewandte Chemie (International ed. in English), vol. 49, no. 15, pp. 2700-4, Apr. 2010.

[rothemund-1] ¹ ² Rothemund, Paul W. K. (2006). "Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns". Nature. 440 (7082): 297–302. doi:10.1038/nature04586. ISSN 0028-0836. PMID 16541064.

[2] EMD-2210

[3] N. C. Seeman, “Nucleic acid junctions and lattices.,” Journal of theoretical biology, vol. 99, no. 2, pp. 237-47, Nov. 1982.

[4] N. C. Seeman, “DNA nanotechnology: novel DNA constructions.,” Annual review of biophysics and biomolecular structure, vol. 27, pp. 225-48, Jan. 1998.

[5] R. Schulman and E. Winfree, “Synthesis of crystals with a programmable kinetic barrier to nucleation.,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 104, no. 39, pp. 15236-41, Sep. 2007.

[6] H. Ke, Yonggang Lindsay, S., Chang, Y., Liu, Y., Yan, “Self-Assembled Water-Soluble Nucleic acid probe tiles for label-free RNA hybridization assays.,” Science, vol. 319, pp. 180-183, 2008.

[7] A. Kuzyk, K. T. Laitinen, and P. Törmä, “DNA origami as a nanoscale template for protein assembly.,” Nanotechnology, vol. 20, no. 23, p. 235305, Jun. 2009.

[8] H. T. Maune et al., “Self-assembly of carbon nanotubes into two-dimensional geometries using DNA origami templates.,” Nature nanotechnology, vol. 5, no. 1, pp. 61-6, Jan. 2010.

[9] B. Ding, Z. Deng, H. Yan, S. Cabrini, R. N. Zuckermann, and J. Bokor, “Gold nanoparticle self-similar chain structure organized by DNA origami.,” Journal of the American Chemical Society, vol. 132, no. 10, pp. 3248-9, Mar. 2010.

[10] S. Pal, Z. Deng, B. Ding, H. Yan, and Y. Liu, “DNA-origami-directed self-assembly of discrete silver-nanoparticle architectures.,” Angewandte Chemie (International ed. in English), vol. 49, no. 15, pp. 2700-4, Apr. 2010.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]