پیشروی مهندسی ژنتیک با مدارهای DNA

به گزارش سیلاد و به نقل از سای‌تک‌دیلی، در صورت تحقق کامل این دستاورد، امکان پردازش، حسگری و حتی کنترل فرایندهای زیستی در سطح مولکولی فراهم خواهد شد.
 
ورود رسمی مدارهای DNA به دنیای سلول‌ها
 مروری تازه در نشریهٔ Intelligent Computing با عنوان «از لوله آزمایش تا درون سلول: بازگشت مدارهای DNA به خانه؟» به مهم‌ترین پیشرفت‌های حوزهٔ رایانش DNA درون سلول‌ها پرداخته است.

نویسندگان این مقاله توضیح می‌دهند که چگونه دستگاه‌های نانومقیاس مبتنی بر واکنش‌های جابه‌جایی رشته‌های DNA می‌توانند در آینده‌ای نزدیک محاسبات زنده، حسگری فعال و کنترل زیستی را در سطح سلولی انجام دهند؛ قابلیتی که راه را برای نسل نوینی از «ربات‌های مولکولی» هموار می‌کند.
 
منطق مولکولی با جابه‌جایی رشته‌های DNA
 هستهٔ اصلی این فناوری، مدارهای جابه‌جایی رشتهٔ DNA است؛ سامانه‌هایی که بر پایهٔ «جایگزینی با واسطهٔ ناخنک» (toehold) عمل می‌کنند. در این فرایند، رشته‌ای از DNA به بخش آزاد کوتاهی موسوم به «ناخنک» متصل شده و با مهاجرت شاخه‌ای، رشتهٔ قبلی را جابه‌جا می‌کند.
 
مدارهایی چون دروازه‌های «الاکلنگی» و واکنش‌های زنجیره‌ای هیبریداسیون، امکان انجام عملیات منطقی پیچیده و تقویت سیگنال را فراهم می‌کنند. همچنین، دروازه‌های تعاونی نیاز به چند ورودی دارند تا خروجی ایجاد شود؛ ویژگی‌ای که کنترل دقیق‌تری بر فرایندهای زیستی می‌دهد.

گفتنی است ترکیب این اجزا می‌تواند به شبیه‌سازی مسیرهای واکنش شیمیایی منجر شود. از سوی دیگر، این سامانه‌ها قابلیت اتصال به ساختارهایی مانند اوریگامی DNA را دارند و امکان ایجاد تغییرات هدفمند در شکل و ساختار را نیز فراهم می‌کنند.
 

ورودی‌های زیستی برای مدارهای DNA
 به گفتهٔ نویسندگان، «واکنش‌های جابه‌جایی رشتهٔ DNA را می‌توان با مولفه‌های زیستی همچون اسیدهای نوکلئیک، مولکول‌های کوچک، پروتئین‌ها و یون‌ها تحریک کرد».
 
به‌ویژه DNA و RNA، از طریق طراحی مکمل، مستقیماً به‌عنوان ورودی استفاده می‌شوند که در تحلیل ترنسکریپتوم و پایش سلول زنده کاربرد دارد. همچنین، استفاده از آپتامرها (رشته‌های تک‌تار متصل‌شونده به هدف با دقت بالا) امکان شناسایی دقیق مولکول‌ها را فراهم می‌سازد.
 
برای اتصال آپتامرها به مدارهای DNA، روش‌هایی چون آپتامرهای تغییردهندهٔ ساختار، ناخنک‌های وابسته، پنهان، از راه دور، گذرا، اتصالات شیمیایی، ناخنک‌های فلزی و DNAzyme توسعه یافته‌اند تا انتقال سیگنال به‌صورت دقیق انجام شود.
 
چالش‌های استفاده از مدارهای DNA درون سلول
 در حال حاضر، مدارهای جابه‌جایی رشتهٔ DNA عمدتاً در محیط آزمایشگاهی (in vitro) کاربرد دارند و کاربرد آن‌ها درون سلول (in vivo) با چالش‌هایی روبرو است. از جمله می‌توان به تخریب سریع توسط آنزیم‌های تخریب‌کنندهٔ DNA اشاره کرد.

برای افزایش پایداری، دانشمندان از تغییرات ساختاری مانند محافظ‌های انتهایی و جایگاه‌های اتصال پروتئین، و نیز اصلاحات شیمیایی نظیر متیلاسیون در جایگاه ۲’ بهره می‌برند.
 
از آنجا که اغلب سلول‌ها به‌طور طبیعی DNA را دفع می‌کنند، ورود این نانومدارها نیازمند روش‌های خاصی چون ترانسفکشن یا ترانسفورماسیون است. اما حتی پس از ورود، عواملی مانند غلظت نمک، تراکم مولکولی و ناهمگنی محیط سلولی می‌توانند واکنش‌ها را مختل کنند.

برای حل این مسئله، پژوهشگران سامانه‌هایی را طراحی کرده‌اند که RNAهای مدار از روی پلاسمیدها یا کروموزوم‌ها درون سلول رونویسی شده و به‌صورت خودکار فعال شوند.
 
هوش مولکولی و چشم‌انداز رایانش زیستی
 جابه‌جایی رشتهٔ DNA نه‌تنها در ساخت نانومولکول‌ها بلکه در مدل‌سازی رایانشی نیز کاربرد یافته است. این فناوری با ادغام اصول رایانش کلاسیک و فرایندهای تصادفی زیستی، امکان ایجاد مدل‌های سازگار با محیط زیست برای پردازش اطلاعات را فراهم می‌کند.
 
شایان ذکر است که این دستاوردها در آینده می‌توانند به ساخت ماشین‌های DNA با قابلیت عملکرد خودکار بینجامند که فرایندهای زیستی را با دقتی بی‌سابقه هدایت می‌کنند؛ رویکردی که چشم‌اندازهایی نو در پزشکی، زیست‌فناوری و علوم زیستی می‌گشاید.