برنامه ‌ریزی یک ساعت بر پایه‌ی مولکول DNA

طبیعت در ساخت ماشین‌ها و مدارهای زیستی از جمله آنهایی که باعث ثبات ساعت درونی بدن، کپی برداری ژن‌ها و حرکت سلولها می‌شوند، ماهر است. حال مهندسان در حال آموختن نحوه‌ی سنتز ابزارهای بیوشیمیایی جدیدی مانند کارخانه‌های در مقیاس نانو، مدارهای زیستی و حتی کامپیوترهای مولکولی هستند.

این رویکرد بر پایه‌ی اجزای سلولی موجود مانند آنزیم‌ها، استوار است؛ ولی برخی محققان می‌خواهند از ابتدا کار خود را از سر بگیرند. برای این “برنامه نویسان مولکولی”، DNA زبان برنامه‌ ریزی انتخابی است؛ و هدف نهایی، ساخت مدارها و ماشین‌هایی برای رقابت با همتای آنها است که در طبیعت یافت می‌شوند. اخیرا محققان گامی بزرگ به سمت ساختن اولین زمان سنج –یک ساعت مولکولی- که تنها از DNA تشکیل شده‌است، برداشته‌اند.

این دستاورد برجسته، که دسامبر گذشته در نشریه‌ی Science معرفی شد، نشان می‌دهد که DNA، تنها یک حامل منفعل برای اطلاعات ژنتیکی نیست. در عوض، آن مولکولی است که “قادر به انجام رفتارهای پیچیده است .” مولف ارشد، دیوید سولوویچیک اذعان دارد. دیوید سولوویچیک، مهندس برق و کامپیوتر در دانشگاه تگزاس در Austin است. ساخت یک زمان سنج DNA، یک شاهکار مهندسی زیستی است و پایه پیشرفت‌های آینده در زیست شناسی صناعی، مانند کنترل زمانی وقایع در سلولهای مصنوعی، برنامه ریزی آزاد سازی داروها و هماهنگ سازی کامپیوترهای مولکولی است.

برای ساخت این ابزار، سولوویچیک، نیرانجان سرینیواس و همکارانشان، یک هم گردان (compiler) DNA تولید کردند. این هم گردان DNA، یک سری الگوریتم است که برنامه نویس را قادر می‌سازد تا دستورات ساخت مولکول‌ها را بدون نیاز به جزئیات بیوشیمی، صادر کند. نرم افزار، آن دستورات را به توالی‌های DNA ترجمه می‌کند که به یکدیگر می‌پیوندند. این رشته‌ها، سپس بصورت خودبخود به ماشین‌های مولکولی گردآوری می‌شوند.

با استفاده از هم گردان، تیم، نمونه اولیه از زمان سنج DNA که الگوهای “تیک” و “تاک” را بصورت مداوم تولید می‌کند، برنامه ریزی کردند. سولوویچیک می‌گوید، در اصل، فرمول مشابه می‌تواند برای ایجاد رفتارهای پیچیده‌تر مانند تغییر سرعت ساعت در پاسخ به سیگنالهای شیمیایی مورد استفاده قرار بگیرد. این ساعت‌ها درنهایت به محاسبه‌ی شیمیایی منجر خواهندشد- بالاخره، برخی از کامپیوترهای مکانیکی اولیه، ساعت‌های پیچیده‌ای بودند.

پنگ یین، یک زیست شناس سیستمیک در دانشگاه هاوارد، اذعان دارد که توسط این پژوهش تحت تاثیر قرار گرفته است و آن را “یک پیشرفت مهم برای برنامه ریزی مولکولی، نانوتکنولوژی دینامیک DNA و زیست شناسی صناعی داخل آزمایشگاهی” می‌نامد. و با توجه به اینکه دانشمندان بر این باورند که حیات اولیه بر پایه‌ی خویشاوند DNA یعنی RNA بود، سولوویچیک می‌افزاید: “نشان دادن اینکه اسیدهای نوکلئیک مانند DNA و RNA می‌توانند به طرز جدید و غیرقابل پیش بینی رفتار کنند، فهم ما از منشا حیات را می ‌رساند.”

مقاله مرتبط: پژوهشگران رشته‌های DNA که ۱۰۰ برابر حساس‌تر از دیگر بیوسنسور‌ها هستند، ساخته‌اند!