فناوری‌های DNA (ذخیره‌سازی اطلاعات، اوریگامی DNA)
تاریخ : ۱۳۹۵/۱۰/۲۲
تعداد بازدید : ۴۵۶۷
نسخه چاپیDNA مخفف عبارت دئوکسی‌ریبونوکلئیک‌اسید، نوعی اسید نوکلئیک است که دارای دستورالعمل‌های ژنتیکی است که برای کارکرد و توسعه بیولوژیکی موجودات زنده و ویروس مورد استفاده قرار می‌گیرد. قسمت اعظم ساختار مولکولی DNA از دو رشته پلیمری زیستی تشکیل شده است.
۱-مقدمه
DNA مخفف عبارت دئوکسی‌ریبونوکلئیک‌اسید، نوعی اسید نوکلئیک است که دارای دستورالعمل‌های ژنتیکی است که برای کارکرد و توسعه بیولوژیکی موجودات زنده و ویروس مورد استفاده قرار می‌گیرد. قسمت اعظم ساختار مولکولی DNA از دو رشته پلیمری زیستی تشکیل شده است. این دو رشته به صورت حلقه دور هم پیچ خورده و به شکل یک مارپیچ دوگانه در آمده اند. دو رشته DNA به عنوان پلی نوکلئوتید شناخته شده، که از واحدهای ساده‌تری به نام نوکلئوتید ساخته شده است. هر نوکلئوتید از یک باز آلی، گوانین(G)، یا سیتوزین(C)، یا آدنین(A)، یا تیمین(T)، و از یک قند مونوساکاریدی به نام دئوکسی ریبوز و یک گروه فسفات تشکیل شده است. نوکلئوتیدها به وسیله پیوند کوالانسی به صورت زنجیره‌ای به هم متصل می‌شوند، نوکلئوتیدها از محل قند یک نوکلئوتید با فسفات نوکلئوتید دیگر پیوند ایجاد کرده و ساختاری شبیه ستون فقرات (رشته بلند) قند و فسفاتی را ایجاد می‌کنند.
پیام‌های ژنتیکی موجودی در مولکول دی اِن اِی در نهایت برای مواردی چون ساخت پروتئین و مولکول‌های آر ان اِی در یاخته، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
DNA مخفف عبارت دئوکسی‌ریبونوکلئیک‌اسید، نوعی اسید نوکلئیک است که دارای دستورالعمل‌های ژنتیکی است که برای کارکرد و توسعه بیولوژیکی موجودات زنده و ویروس مورد استفاده قرار می‌گیرد. قسمت اعظم ساختار مولکولی DNA از دو رشته پلیمری زیستی تشکیل شده است. این دو رشته به صورت حلقه دور هم پیچ خورده و به شکل یک مارپیچ دوگانه در آمده اند. دو رشته DNA به عنوان پلی نوکلئوتید شناخته شده، که از واحدهای ساده‌تری به نام نوکلئوتید ساخته شده است. هر نوکلئوتید از یک باز آلی، گوانین(G)، یا سیتوزین(C)، یا آدنین(A)، یا تیمین(T)، و از یک قند مونوساکاریدی به نام دئوکسی ریبوز و یک گروه فسفات تشکیل شده است. نوکلئوتیدها به وسیله پیوند کوالانسی به صورت زنجیره‌ای به هم متصل می‌شوند، نوکلئوتیدها از محل قند یک نوکلئوتید با فسفات نوکلئوتید دیگر پیوند ایجاد کرده و ساختاری شبیه ستون فقرات (رشته بلند) قند و فسفاتی را ایجاد می‌کنند.
پیام‌های ژنتیکی موجودی در مولکول دی اِن اِی در نهایت برای مواردی چون ساخت پروتئین و مولکول‌های آر ان اِی در یاخته، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ویژگی‌های منحصر به فرد DNA برای دستکاری و استفاده در حوزه‌های مختلف:
• ارزان
• فراوان
• قابلیت تکثیر سریع و ساده
• ساختار شناخته شده
• راهبردهای متعدد برای دستکاری ساختاری
۲-کاربردها
۲-۱-ذخیره‌سازی اطلاعات
قابلیت کدگذاری اطلاعات دیجیتال در رشته‌های DNA پیشرفت بزرگی در فناوری ذخیره سازی اطلاعات است؛ چرا که مولکول های DNA بسیاری از محدودیت‌های ابزارهای سنتی ذخیره‌سازی اطلاعات مانند عمر محدود، فرمت-استاندارد دائمی و چگالی کم را ندارند. همانند کامپیوترها، مولکول های DNA هم اطلاعات را در واحدهای گسسته رمزگذاری می‌کنند؛ با این تفاوت که DNA برای ذخیره‌ی اطلاعات به جای «صفر» و «یک» از ۴ نوکلئوتیدA ، C، G و T استفاده می‌کند. رشته های بلند DNA از توالی این ۴ نوکلئوتید ساخته می شوند و ترتیب خاص این نوکلئوتیدها تعیین کننده‌ی اطلاعات خاصی است که مولکول DNA آن را حمل می کند. بر خلاف سیستم های فعلی ذخیره سازی اطلاعات که نیاز به نگهداری مستمر دارند و فضایی زیادی را اشغال می کنند، DNA پس از هزاران سال همچنان قابل خواندن است و فضای فوق العاده کمی را نیز اشغال می کند. مثال جالبی از ماندگاری بالای اطلاعات در مولکول‌های DNA، استخراج آن ها از جسد ماموت‌های ماقبل تاریخ توسط دانشمندان است. DNA این ماموت ها به قدری سالم بوده است که عملاً می توان با شبیه سازی این موجودات ماقبل تاریخ، بار دیگر آنها را به صحنه‌ی حیات وحش سیاره ی زمین بازگرداند.
اجزاء فناوری ذخیره‌سازی اطلاعات:
۱- راهبرد نگارش داده
۲- توالی‌سنج DNA
وقتی دانشمندان در سال ۲۰۰۳ ژنوم انسان، که چیزی بیش از ۳ میلیارد نوکلئوتید طول دارد را تعیین توالی کردند، هزینه‌ی پروژه بیش از ۱ میلیارد دلار تمام شد. امروزه می‌توان DNAهایی شبیه به آن را با حدود ۱۰۰۰ دلار خواند و دستورات ژنتیکی را با استفاده از ابزارهای مصنوعی بیولوژیک نوشت. می‌توان گفت قیمت ذخیره‌سازی اطلاعات در DNA در سال های اخیر به شدت افت کرده است. هزینه ذخیره‌سازی اطلاعات روی DNA در حال حاضر در آمریکا 500 دلار برای هر مگابایت است. محققان در حال کاهش هزینه این کار هستند.
یکی از مسائل بسیار مهم در ذخیره‌سازی اطلاعات، دماست. اگر دی‌ان‌ای دردمای ۴ درجه سلسیوس نگهداری شود، در ۸۰ درصد رشته های متوالی حداقل دارای یک خطا وجود خواهد داشت و حدود ۸ درصد از کل توالی ها نیز به طور کامل از دست رفتند، با این حال باز هم می‌توان داده‌ها را بدون هیچ‌گونه خطایی رمزگشایی کرد. اگر داده‌ها در دماهای پایینی نظیر ۱۸- درجه سلسیوس نگهداری شوند، می‌توان آنها را میلیون ها سال نگهداری کرد.
در جدیدترین تحقیق در زمینه ذخیره‌سازی اطلاعات روی DNA از سوی موسسه فناوری فدرال سویس (Swiss Federal Institute of Technology) نشان می‌دهد کل اطلاعات جهان را می‌توان روی یک دی ان ای به اندازه یک قاشق چای‌خوری کدگذاری کرد. دانشمندان این موسسه ادعا می‌کنند به طور بالقوه، یک گرم از دی ان ای می تواند ۴۵۵ اگزابایت اطلاعات را ذخیره کند. برای اینکه درک درستی از این حجم اطلاعات داشته باشید باید بگوییم یک میلیارد گیگابایت اطلاعات برابر یک اگزابایت است و هزار اگزابایت برابر یک زتابایت است. شرکت EMC که در حوزه محاسبات ابری و شبکه‌های گسترده فعالیت می‌کند، طی گزارشی در سال ۲۰۱۱ اعلام کرده بود کل اطلاعات تولید شده در جهان تا کنون برابر ۱/۸ زتابایت است. پس ما فقط به چهار گرم دی‌ان ای برای ذخیره سازی این اطلاعات نیاز داریم. چهار گرم دی ان ای به اندازه یک قاشق چای‌خوری است.
برای اینکه بتوان اطلاعات را روی سلول های دی ان ای ذخیره کرد، باید آن ها به صورت دیجیتالی ( همان صفر و یک معروف زبان باینری) درآورد. این فرآیند تازگی ندارد و دانشمندان دانشگاه هاروارد در سال ۲۰۱۲ توانستند یک کتاب را روی یک دی ان ای کدگذاری کنند. تا کنون، کدگذاری اطلاعات روی دی ان ای آسان بوده؛ ولی کدگشایی و بازیابی اطلاعات ذخیره شده روی دی ان ای چالش برانگیز است و اطلاعات بازیابی شده مخدوش و دارای شکاف بودند؛ چون دی ان ای با محیط و دمای پایین اتاق واکنش نشان می دهد و تغییر می کند؛ اما رابرت گراس، رهبر تیم تحقیقاتی موسسه علوم و فناوری فرانسه (SFIT) می‌گوید روشی جدید برای حفظ اطلاعات روی دی ان ای پیدا کردند. آن ها با دی ان ای رفتاری مشابه یک فسیل می‌کنند. دی ان ای نمونه را بعد از کدگذاری اطلاعات، درون یک پوسته و روکش ساخته شده از جنس سیلیکا قرار دادند (همانند یک استخوان فسیل شده) و در دمای ۱۴۰ درجه فارنهایت برای چندین هفته نگهداری کردند. این روکش از دی ان ای محافظت می کند و اجازه واکنش با محیط و تغییر ساختار یافتن را نمی‌دهد. سیلیکا یکی از مواد اصلی تشکیل‌دهنده شیشه است. آنها بعد از چند هفته که به سراغ این دی ان ای رفتند، توانستند اطلاعات کدگذاری شده را بخوانند. گراس می‌گوید اگر دی ان ای در دمای زیر صفر نگهداری شود، برای میلیون‌ها سال می‌تواند اطلاعات کدگذاری شده را در خود نگهداری و ذخیره کند. لازم به ذکر است که دیسک های سی دی و دی وی دی فقط ۲۵ سال عمر مفید دارند.
اخیرا مایکروسافت خبر از همکاری با شرکت تویست بیوساینس(Twist Bioscience) برای ساخت دستگاهی داد که به صورت بالقوه می تواند شیوه‌ی ذخیره سازی اطلاعات دیجیتال را دستخوش تغییر کند. شرکت تویست بیوساین اولیگونوکلئوتیدهایی از مولکول DNA با طول رشته‌ی ۱۰ میلیون را در اختیار غول ماکروسافت قرار داده است تا مایکروسافت به وسیله‌ی آن بتواند ذخیره‌سازی اطلاعات روی این رشته انجام دهد. هدف از پروژه ی فناوری اطلاعات ماقبل تاریخ (prehistoric information technology) ذخیره‌سازی ایمن اطلاعات مهم به مدت بسیار طولانی است. ویست بیوساینس در وبسایت خود در این باره می‌نویسد: با استفاده از روش‌های ارزان قیمت تعیین توالی DNA و روش‌های سنتز جدید، تویست بیوساینس و مایکروسافت خواهند توانست تئوری ذخیره ی اطلاعات بر روی DNA را عملی کنند. هدف از این پروژه توسعه ی روش هایی است که هم عملی باشند و هم در مقیاس بالا بتوان از آن ها استفاده کرد. تویست بیوساینس در این باره می‌گوید: تا زمانی که حیات بر مبنای DNA بر روی زمین وجود داشته باشد، فناوری خواندن DNA هم وجود خواهد داشت و این تضمین کننده‌ی قابلیت خوانده شدن و بازگردانی اطلاعات در آینده است. علاوه بر این، با توجه به رشد روزافزون اهمیت فناوری‌ها بر اساس DNA در تحقیقات پزشکی و علمی، فشار متداومی برای بهبود فناوری‌های خواندن و نوشتن DNA وجود دارد. پروژه‌ی مایکروسافت و تویست بیوساینس می‌تواند در نهایت باعث شود که کامپیوترهای آینده به جای هارد درایوهای با قابلیت «خواندن و نوشتن» اطلاعات، مجهز به تعیین کننده‌ی توالی DNA (DNA sequencer) و سنتز کننده‌ی DNA باشند.
۲-۲- اوریگامی DNA
اُریگامی یا «هنر کاغذ و تا» یکی از کاردستی‌های محبوب ژاپنی است که امروزه در سراسر جهان طرفداران زیادی دارد. هدف این هنر آفریدن طرح‌های جالب از کاغذ با کمک تاهای هندسی است. معنای لغوی این واژه در زبان ژاپنی «تا کردن کاغذ» است و تمام مدلهای کاغذ و تا را در بر دارد، حتی آنهایی که ژاپنی نیستند. اریگامی فقط از تعداد کمی از تاهای گوناگون استفاده می‌کند، ولی همین تاها می‌توانند به روش‌های گوناگونی ترکیب شوند تا طرح‌های متفاوتی ایجاد کنند. به طور کلی، این طرح‌ها با یک برگ کاغذ مربع شکل آغاز می‌شود، که هر روی آن ممکن است به رنگ متفاوتی باشد و بدون بریدن کاغذ ادامه می‌یابد. اریگامی روش ارائه اشکال است، که عمدتاً با خم کردن ماده مورد استفاده کاغذ حاصل می‌شود.
در حوزه نانوزیست‌فناوری از رشته‌های DNA برای تولید ساختارهای مختلف استفاده می‌شود. در این روش توالی‌بازهای DNA به گونه‌ای طراحی می‌شوند که می‌توان با استفاده از آنها، اشکال مختلف ایجاد کرد. دو ویژگی مهم نوترکیبی و آدرس‌پذیری در DNA موجب شده تا بتوان اوریگامی DNA را انجام داد. در این روش معمولا از خودآرایی استفاده می‌شود. در واقع ابتدا رشته‌های DNA را به گونه‌ای طراحی می‌کنند که در صورت نوترکیبی و خودآرایی بتواند به ساختار نهایی مورد نظر برسد.
به سه دلیل، DNA گزینه بسیار مناسبی برای محققان به منظور ایجاد اوریگامی است:
۱-قابلیت دستکاری ساختاری
۲-ابعاد کوچک و نانومتری
۳-حفظ اطلاعات در حین خودآرایی و بعد از خودآرایی
طراحی اوریگامی چگونه انجام می‌شود؟ قطعا به سادگی و با دست نمی‌توان توالی بازها را در DNA به گونه‌ای چید که بتواند بعد از خودآرایی به ساختار نهایی مورد نظر ما برسد. از این رو، نرم افزارهای مختلفی برای این کار تولید شده‌اند. یکی از مهمترین نرم‌افزارهای این حوزه « Honey Comb Lattice CADNano» است.
کاربردهای اوریگامی:
۱- نانوحامل دارو
۲- تولید قطعات الکترونیک مولکولی
۳- داربست مولکولی
۲-۳-فناوری‌های دیگر مرتبط با DNA
دماسنج مبتنی بر DNA: محققان دانشگاه مونترال با استفاده از DNA دماسنج نانومقیاسی ساختند که می‌تواند نقاط گرم نانوابزارها را شناسایی کند. از این دماسنج می‌توان برای تعیین دمای داخل سلول های زنده نیز استفاده کرد. در این دماسنج، تغییرات دما موجب تغییر ساختار شده که این فرآیند با پیمایشگر نوری قابل شناسایی است.
نانوپیمایشگر زیستی: محققان دانشگاه هاروارد با استفاده از DNA، روبات نانومقیاسی ساختند که می‌تواند برای رهاسازی دارو استفاده شود. این رشته DNA دارای قابلیت شناسایی یک پروتئین ویژه ( نظیر پروتئین‌های مولد بیماری یا نشانگرهای بیماری) است.
زیست‌کامپیوتری درون بدن: از آنجایی که ساختار DNA می‌تواند به عنوان سوئیچ عمل کند، از آن می‌توان برای ساخت مدار منطقی استفاده کرد؛ این ساختار قادر به انجام محاسبات است. محققان دانشگاه هاروارد از این ویژگی برای ساخت روبات نانومقیاس استفاده کردند که می‌تواند درون بدن موجود زنده (نظیر سوسک) برای کنترل عملکرد مولکول‌های دارویی استفاده شود.
نانوآنتنی برای جذب نور: پژوهشگران دانشگاه آریزونا ساختاری از جنس DNA با سه بازو ساختند که می‌تواند نور را به دام انداخته و همانند فرآیند فتوسنتز آن را به ترکیبات دیگر انتقال دهد. در واقع در این پروژه از DNA به عنوان یک نانوآنتن استفاده می شود که نور را دریافت کرده و به مولکول‌های رنگی انتقال می‌دهد.
اُریگامی یا «هنر کاغذ و تا» یکی از کاردستی‌های محبوب ژاپنی است که امروزه در سراسر جهان طرفداران زیادی دارد. هدف این هنر آفریدن طرح‌های جالب از کاغذ با کمک تاهای هندسی است. معنای لغوی این واژه در زبان ژاپنی «تا کردن کاغذ» است و تمام مدلهای کاغذ و تا را در بر دارد، حتی آنهایی که ژاپنی نیستند. اریگامی فقط از تعداد کمی از تاهای گوناگون استفاده می‌کند، ولی همین تاها می‌توانند به روش‌های گوناگونی ترکیب شوند تا طرح‌های متفاوتی ایجاد کنند. به طور کلی، این طرح‌ها با یک برگ کاغذ مربع شکل آغاز می‌شود، که هر روی آن ممکن است به رنگ متفاوتی باشد و بدون بریدن کاغذ ادامه می‌یابد. اریگامی روش ارائه اشکال است، که عمدتاً با خم کردن ماده مورد استفاده کاغذ حاصل می‌شود.
در حوزه نانوزیست‌فناوری از رشته‌های DNA برای تولید ساختارهای مختلف استفاده می‌شود. در این روش توالی‌بازهای DNA به گونه‌ای طراحی می‌شوند که می‌توان با استفاده از آنها، اشکال مختلف ایجاد کرد. دو ویژگی مهم نوترکیبی و آدرس‌پذیری در DNA موجب شده تا بتوان اوریگامی DNA را انجام داد. در این روش معمولا از خودآرایی استفاده می‌شود. در واقع ابتدا رشته‌های DNA را به گونه‌ای طراحی می‌کنند که در صورت نوترکیبی و خودآرایی بتواند به ساختار نهایی مورد نظر برسد.
به سه دلیل، DNA گزینه بسیار مناسبی برای محققان به منظور ایجاد اوریگامی است:
۱-قابلیت دستکاری ساختاری
۲-ابعاد کوچک و نانومتری
۳-حفظ اطلاعات در حین خودآرایی و بعد از خودآرایی
طراحی اوریگامی چگونه انجام می‌شود؟ قطعا به سادگی و با دست نمی‌توان توالی بازها را در DNA به گونه‌ای چید که بتواند بعد از خودآرایی به ساختار نهایی مورد نظر ما برسد. از این رو، نرم افزارهای مختلفی برای این کار تولید شده‌اند. یکی از مهمترین نرم‌افزارهای این حوزه « Honey Comb Lattice CADNano» است.
کاربردهای اوریگامی:
۱- نانوحامل دارو
۲- تولید قطعات الکترونیک مولکولی
۳- داربست مولکولی
۲-۳-فناوری‌های دیگر مرتبط با DNA
دماسنج مبتنی بر DNA: محققان دانشگاه مونترال با استفاده از DNA دماسنج نانومقیاسی ساختند که می‌تواند نقاط گرم نانوابزارها را شناسایی کند. از این دماسنج می‌توان برای تعیین دمای داخل سلول های زنده نیز استفاده کرد. در این دماسنج، تغییرات دما موجب تغییر ساختار شده که این فرآیند با پیمایشگر نوری قابل شناسایی است.
نانوپیمایشگر زیستی: محققان دانشگاه هاروارد با استفاده از DNA، روبات نانومقیاسی ساختند که می‌تواند برای رهاسازی دارو استفاده شود. این رشته DNA دارای قابلیت شناسایی یک پروتئین ویژه ( نظیر پروتئین‌های مولد بیماری یا نشانگرهای بیماری) است.
زیست‌کامپیوتری درون بدن: از آنجایی که ساختار DNA می‌تواند به عنوان سوئیچ عمل کند، از آن می‌توان برای ساخت مدار منطقی استفاده کرد؛ این ساختار قادر به انجام محاسبات است. محققان دانشگاه هاروارد از این ویژگی برای ساخت روبات نانومقیاس استفاده کردند که می‌تواند درون بدن موجود زنده (نظیر سوسک) برای کنترل عملکرد مولکول‌های دارویی استفاده شود.
نانوآنتنی برای جذب نور: پژوهشگران دانشگاه آریزونا ساختاری از جنس DNA با سه بازو ساختند که می‌تواند نور را به دام انداخته و همانند فرآیند فتوسنتز آن را به ترکیبات دیگر انتقال دهد. در واقع در این پروژه از DNA به عنوان یک نانوآنتن استفاده می شود که نور را دریافت کرده و به مولکول‌های رنگی انتقال می‌دهد.
نظر شما
