כולנו שמענו על המושג "ננוטכנולוגיה" וניכר היטב שהטכנולוגיה הסובבת אותנו עוברת תהליך מתמשך של מזעור. אך כשרוצים לשחזר את המבנים ההנדסיים שאנו מכירים בממדים הרבה יותר קטנים זה מאוד לא פשוט. אחד האתגרים המשמעותיים ביותר של מדע הננוטכנולוגיה הוא איך לשלוט בסדר של המבנים הננומטרים, כלומר, להצליח לגדל מבנה בגודל מולקולרי בעל צורה מרחבית שנקבעת מראש.
פירוש המילה "ננו" הוא "מיליארדית", כך שמבנים שנופלים תחת ההגדרה "ננו-מבנים" הם בדרך כלל בגודל של כמאה מיליארדיות המטר או פחות מזה. בגדלים האלה תכונות החומר תלויות פעמים רבות בגודלו, כלומר כל שינוי בגודל המבנה עשוי לשנות את תכונות החומר. אולם איך שולטים במבנה החומר בגדלים ננומטרים? אחרי הכול אבני הבניין של המבנים האלה (אטומים ומולקולות קטנות) קטנות מכדי שנוכל להתייחס אליהן כאל סתם עוד אבני לגו שאנו יכולים לשים זו על גבי זו וליצור מהן מבנה מורכב. לכן עלינו להשתמש בשיטות אחרות.
יש שתי שיטות מקובלות לבניית מבני-ננו. בשיטת "מלמעלה-למטה" מתחילים במבנה גדול יחסית ומעצבים ממנו מבנה קטן יותר, ובשיטת "מלמטה-למעלה" פועלים הפוך: מתחילים באוסף מולקולות ומרכיבים מהן את המבנה הגדול.
גישת "מלמעלה-למטה" מציעה שיטות שמתאימות בעיקר לטווח העליון של קנה המידה הננומטרי. בשיטות "מלמטה-למעלה", לעומת זאת, שמושתתות על חיבור של מולקולות או חלקיקים שנמצאים בתוך תמיסה, אפשר לבנות גבישים ומבנים בגודל של 10-1 ננומטר בלבד. אך אליה וקוץ בה, בגישה הזו השיטות שמאפשרות לשלוט בתהליך הבנייה הן נדירות יחסית.
בנייה באמצעות דנ"א
בשנת 1996 הראתה קבוצתו של פרופ' מירקין מאוניברסיטת נוורת'-ווסטרן שבאוונסטון שאפשר לקשור מולקולות של דנ"א לחלקיקי מתכת וכך להשפיע על המבנה המרחבי שבו החלקיקים יסתדרו.
דנ"א הוא החומר הגנטי שקיים בכל הייצורים החיים והמולקולות שלו הן בעלות מבנה של סליל כפול, שמורכב מארבע תת-יחידות של בסיסים חנקניים שהאותיות המיצגות אותם הן G ,T ,A ו-C. שני הסלילים מחוברים זה לזה בקשרי מימן של הבסיסים החנקניים, גך שהבסיס A נקשר תמיד ל-T (ולהפך) והבסיס G נקשר תמיד ל-C (ולהפך). מכאן, ששני הסלילים של ה-DNA משלימים אחד את השני. לדוגמה, אם בסליל אחד מופיע רצף הבסיסים ATTTGCCA, בסליל השני, בדיוק מולו, יופיע הרצף TAAACGGT.
מבנה מולקולת הדנ"א
תכונת ההשלמה היא הבסיס לשימוש שנעשה בסלילי דנ"א כדי לתכנן את הסדר הפנימי של מבנים ננומטרים. כאמור, כדי לשלוט במבנה המרחבי של החומר הננומטרי עלינו להיות מסוגלים לכוון את ההרכבה העצמית של החלקיקים במבנה. הרכבה עצמית מסודרת של חומרים היא עניין בעייתי כיוון שהיא דורשת יכולת קשירה סלקטיבית. כדי ליצור מבנה מסודר חשוב לוודא שכל חלקיק מיקרוסקופי ייקשר רק לחלקיקים שהוא אמור להיקשר אליהם ולא לחלקיקים אחרים.
בשנה האחרונה הצליחו קבוצת המחקר של ד"ר אולג גנג מברוקהבן וקבוצתו של ד"ר צ'אד מירקין מאילינוי להראות שאפשר להשתמש בדנ"א כדי לשלוט בההתגבשות של ננו-חלקיקי זהב שחוברו לסלילי החומר הגנטי. להבדיל ממחקרים קודמים, שבהם שיטת הגיבוש הזו הצליחה לשלוט רק באופן חלקי באופי המבנה שנוצר ובמחזוריות שלו, כאן הראו שבעזרת שינוי שנעשה בסלילי הדנ"א אפשר לשלוט באופן מלא בצורת הגביש הסופית ולקבל גבישים בעלי מבנה מוגדר.
איך עשו את זה? המדענים הצמידו מולקולות דנ"א לחלקיקי זהב עגולים בקוטר של כעשרה ננומטר. חלק מהחלקיקים הוצמדו לסלילי דנ"א יחידים מסוג מסוים (א') והשאר נקשרו לסלילי דנ"א יחידים מסוג אחר (ב'). על כל חלקיק היו כמה עשרות סלילים. הקצוות של סלילים 'א' ו-'ב' משלימים זה את זה, כפי שאפשר לראות בתרשים:
באמצעות ההשלמה הזאת, סלילים משני הסוגים מתחברים זה לזה, אבל אף סליל אינו מתחבר לסליל שזהה לו.
החוקרים ערבבו במים את החלקיקים עם הסלילים שעליהם ומצאו שבתנאים מסוימים סלילים מסוג א' אכן התחברו לסלילים מסוג ב', כך שהזהב יצר גביש בצורה שנקראת "קובייה ממורכזת גוף" (ראו את הצורות בהמשך). המבנה הזה נקרא בכימיה גביש סידן-כלוריד, כיוון שצורתו זהה בדיוק לזה של גביש CsCl.
במבנה הגבישי הזה, חלקיקים בעלי סליל א' נמצאים ליד המספר המרבי האפשרי של חלקיקי ב' במבנה גבישי מחזורי ומכאן נובע שהחוקרים הצליחו ליצור מבנה מחזורי בעל סידור מרחבי יעיל במיוחד. המבנה המרחבי של הזהב לבדו, בלי סלילי הדנ"א, הוא מבנה שנקרא "קובייה ממורכזת פאה", אולם כשנוספו לכך סלילי הדנ"א נוצרו לכאורה שני סוגים שונים של חלקיקי זהב, שלאחד מהם מחובר סליל מסוג א' ולשני סליל מסוג ב'.
נשאלת אם כן השאלה אם ניתן לשחזר גם את מבנה הקוביה ממורכזת הפאה? קבוצת חוקרים ניסתה והראתה שאם מצליחים ליצור חלקיקי זהב זהים לגמרי, כלומר שלכולם יהיה מחובר אותו סוג של סליל, ושגם יתחברו זה לזה, המבנה המרחבי שיווצר יהיה זהה לזה של זהב רגיל. אז איך עושים את זה? הרי אמרנו שכל סליל דנ"א חובר תמיד למשלים שלו אך לא לעצמו. הפתרון טמון בתרשים הבא:
אפשר לראות שהחלק שמחבר בין שני הסלילים הוא בשניהם, וכך קיבלנו שני חלקיקי זהב זהים, אבל כיוון שהם מתחברים מכיוונים הפוכים הם גם משלימים זה לזה.
התמונה הבאה מסכמת את המבנים שנוצרו:
ראינו אם כך שאפשר לשלוט בסידור של מבנה ננומטרי בעזרת סלילי דנ"א, וזה עוד צעד חשוב בדרך ליצירת מכונות מולקולריות.
יקותיאל מבשם
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בתגובה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
