نانوتکنولوژی DNA کاربردی ظهور تکنیکهای Aptamer – DNAzyme

نانوتکنولوژی DNA کاربردی ظهور تکنیکهای Aptamer – DNAzyme – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه شیمی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

نانوتکنولوژی DNA کاربردی‌‌

ظهور کاربردهای DNAzyme ها و aptamer ها

در ۲۵ سال گذشته. مولکولهای DNA هم به عنوان سنگ زیربنای سنتزی قدرتمند جهت ایجاد معماریهایی با مقیاس‌های نانو و هم به عنوان الگوهای قابل برنامه ریزی چند بعدی برای ساخت مواد نانو به کار رفته‌اند. علاوه براین، عملکرد مولکولهای DNA از
ذخیره سازی اطلاعات ژنتیکی محض به عملکردهای تجزیه‌ای مانند عملکردهای آنزیم‌های پروتئینی (DNAzymes) و عملکردهای ویژه پیوندی مثل پادتن‌ها (aptamers) توسعه یافته است. در چند سال گذشته رشته‌ای که وابستگی به کلیه رشته‌های علمی دارد بوجود آمد که هدف آن ترکیب زیست شناسی DNA کاربردی‌‌ با نانوتکنولوژی جهت ایجاد ساختارهای نانو بر پایه DNA یا مواد نانو در قالب DNA می‌باشد که نسبت به محرک‌های شیمیایی واکنش پذیر هستند.

نانوتکنولوژی DNA کاربردی ظهور تکنیکهای Aptamer – DNAzyme

مقدمه

قبلاً تصور می‌شد که مولکول‌های DNA فقط نقش حمل و انتقال اطلاعات ژنتیکی از یک نسل به نسل دیگر را دارند. با این وجود، در حدود ۲۵ سال پیش، DNA در زمینه علم مواد نقش جدیدی پیدا کرد. از نقطه نظر ساختاری DNA می‌تواند بطور خاص به یک رشته دیگر از DNA دارای زنجیره تکمیلی متصل شود و با تشکیل DNA دو رشته‌ای، میله جامدی به طول تقریبی ۵۰ نانومتر ایجاد کند. علاوه براین، DNA می‌تواند با مقدار زیادی فلوروفور (fluorophores) و گروه‌های کاربردی‌‌ دیگر که آنرا قادر به درهم آمیختن با ذرات نانو می‌کند، تعدیل شود. در مقایسه با RNA و پروتئین‌ها، مولکولهای DNA نسبت به هیدرولیز کمتر حساس هستند و بنابر این پایدارتر می‌باشند. این ویژگی‌ها، DNA را بعنوان یک بیوپلیمر خاص با ویژگی‌های وابسته به زنجیره قابل پیش‌بینی مطرح ساخته است و بنابراین، این ویژگی‌ها ساختارهای مکان شناختی (توپولوژیک) و هندسی مبتنی بر DNA را ایجاد می‌کنند. با به کاربردن «لبه‌های چسبناک»، اتصالات سه یا چهار مسیری پراکنده و دیگر زیر بناهای DNA به ساختارهای دوره‌ای بزرگ متصل شده‌اند که به وسیله آن ذرات نانو یا پروتیئن‌ها می‌توانند برای تشکیل الگوهای متناسب رسوب نمایند. DNA  متناوباً با ذرات نانویی غیر آلی در هم می‌آمیزد و سپس می‌تواند به صورتی قابل برنامه‌ریزی گرد هم آمده تا ساختارهایی را تشکیل دهند که حاوی تعداد ذرات محدود یا توده های نانوذره ای دارای پیوند عرضی ‌باشند. این تحقیق، قدرت DNA را بعنوان یک مولکول ساختاری، یک چهارچوب و یک الگو در توسعه نانوتکنولوژی نشان می‌دهد.

با توجه به پیشرفت چشمگیر در زمینه نانوتکنولوژی DNA و بررسی DNA کاربردی‌‌، یکی کردن این دو رشته مهیج جهت ایجاد حوزه میان رشته‌ای که ازDNA کاربردی‌‌ برای کنترل و تنظیم ساختار و دینامیک‌ ساختارهای نانو و مواد DNA استفاده می کند، طبیعی است. این دقیقاً چیزی است که در چند سال گذشته اتفاق افتاد. چون عملکردهای جدید DNA همیشه در بر گیرنده واکنش با مولکول‌های شیمیایی و زیستی دیگر است، آنها اجازه ساخت معماری‌های نانومقیاس هوشمند را که نسبت به محرک‌های شیمیایی یا زیستی واکنش پذیر هستند به ما داده است و این عمل بگونه‌ای مشابه با مواردی است که مواد زیستی ساخته می‌شوند و در سلول عمل می‌نمایند. در مقایسه با نانوتکنولوژی DNA بر اساس پیوند زنی پایه- جفتی، نانوتکنولوژی‌های مبتنی بر DNA کاربردی‌‌ می‌توانند دارای بعدی وسیعتر و پویاتر باشند. تغییر در ویژگی‌های فیزیکی یا شیمیایی ابزارها می‌تواند جهت شناسایی آن محرک‌ها بصورتی حساستر و انتخابی‌تر بکار رود. کاربردهای درک شده DNA کاربردی‌‌ اخیراً مورد بررسی قرار گرفته است و این بررسی بیشتر بر پیشرفت‌های اخیر در جنبه‌های دیگر نانو تکنولوژی DNA کاربردی‌‌ تاکید دارد.

نانوتکنولوژی DNA کاربردی ظهور تکنیکهای Aptamer – DNAzyme

DNAzyme ها در نانوتکنولوژی

نکات کلی

DNAzyme ها کاتالیزوهای زیستی با پایه DNA هستند که قادرند تبادلات شیمیایی را انجام دهند. این کاتالیزورها در طبیعت یافت نمی‌شوند و همه DNAzyme های شناخته شده با انتخاب در آزمایشگاه جداسازی می‌شوند. تاکنون مشخص شده که اکثر زیرلایه‌های آنها نوکلئیک اسید بوده است.

بنابراین DNAzyme ها می‌توانند کنترل اضافی بر ابزارهای نانو داشته باشند، چون DNAzyme ها اغلب کاتالیزور واکنش‌های متعددی هستند. چنین ابزارهایی می‌توانند اثرات تقویتی داشته باشند. در بین بسیاری از گروه‌های DNAzyme ها، شکافتن RNA بیشترین کاربرد را دارد، که بیشتر بعلت شرایط ساده واکنش‌پذیری، سرعت بالای تبدیل، و تغییرات اساسی در طول زیر لایه‌ها‌ی آنها می‌باشد.

نانوتکنولوژی DNA کاربردی ظهور تکنیکهای Aptamer – DNAzyme

ساخت ماده قالبی- DNAzyme

 لیو و لو اولین کسانی بودند که برای به دست آوردن مواد اساسی نانو که به محرک‌های شیمیایی حساس‌اند، DNAzyme ها را به کار برده اند. آنها از یک DNAzyme مخصوص Pb²⁺ استفاده کردند (که در شکل ۱ در پیوند با زیرلایه DNA نشان داده شده است). در حضور Pb²⁺، DNAzyme‌ (رشته آنزیمی، سبز) زیرلایه را به دو قسمت جدا می‌کند. به منظور تجمع ذرات نانو، زیرلایه‌ در دو انتها با بخش‌هایی که مکمل DNA هستند و به ذرات نانو متصل شده‌اند گسترش می‌یابد. در ترکیب شدن ذرات نانو و ایجاد توده، تغییر رنگی از قرمز به آبی مشاهده می‌شود که نتیجه تغییر در سطح ویژگی‌های رزونانس ذره
می باشد. اگر ذرات نانو به صورت سر به دم (شکل c1) ردیف شوند، یک مرحله گرمسازی و سردسازی جهت تشکیل توده‌های آبی رنگ ضروری است. در حضورPb²⁺، ترکیب شدن بعلت شکافتگی زیرلایه‌ متوقف می‌شود. تغییر ردیف بصورت دم به دم (شکل d1) باعث می‌شود تا این ترکیب شدن در دماهای محیط رخ دهد. فرایند معکوس – تجزیه حاصل از Pb²⁺ توده‌های نانو ذره ای نیز مورد مطالعه قرار گرفته است. جالب این که اگر ذرات به صورت سر به دم ردیف شوند، ‌ DNAzyme فعال نخواهد بود (شکل e1). فعالیت و تجزیه ذرات نانو برای توده‌هایی که بصورت دم به دم ردیف شده‌اند مشاهده شده است (شکل f1). به علت همراهی انتقالات رنگ قرمز/ آبی، این مواد برای مشاهده رنگ سنجیPb²⁺ یا دیگر یون‌های فلزی مناسب می‌باشند. این تحقیقات منجر به استفاده از DNAzyme ها جهت تصحیح خطاها یا معایب موجود در ترکیب نانوماده که در کاربردهای عملی نانومواد کار مهمی می باشد، گردیده است.

ابزارهای مولکولی DNA مبتنی بر DNAzyme

مائو و همکارانش، از DNAzyme ها جهت ساخت موتورهای مولکولی با حرکات
باز- بسته و راه رونده استفاده کردند. برای مثال یک DNAzyme‌ با دو رشته دو گانه احاطه می‌شود تا آنکه یک ساختار بسته را بوجود آورد (شکل ۲ الف، برنگ سبز). افزودن DNA زیرلایه‌ (ارغوانی) باعث باز شدن سیستم می‌شود. در نتیجه زیرلایه توسط DNAzyme‌ به دو قسمت تقسیم و آزاد می‌شود که باعث می‌شود تا این سیستم یا ابزار را به عقب و به حالت بسته حرکت ‌دهد. این ابزار تا هنگامی که زیرلایه‌ آزاد وجود دارد، عمل می‌کند. با ورود زیرلایه‌ای که قابل تقسیم  نباشد، حرکت ابزار می‌تواند متوقف شود. برداشت زیرلایه‌ غیر قابل تقسیم  می‌تواند باعث از سر گرفتن حرکت شود.

آپتامرها در نانوتکنولوژی (نکات کلی)

به موازات پادتن‌های پروتئنی، آپتامرها مولکول‌های پیوندی به شکل نوکلئیک اسید هستند. آپتامرها با یک روش انتخاب ترکیبی بدست می‌آیند که به عنوان فرآیند سیر تکاملی سیستماتیک لیگاندها از طریق غنی سازی توانی (SELEX) شناخته شده‌اند، که در آن مولکول‌های DNA با ویژگی‌های پیوندی مورد نظر از کتابخانه‌ای که حاوی ۱۰^۱۵ توالی تصادفی است منفک می‌شوند. چیزی که آپتامرها را در نانوتکنولوژی مفید و منحصربفر می‌سازد، این حقیقت است که یک آپتامر را می‌توان در ۳ حالت متمایز کنترل نمود: آزاد در محلول، پیوند با مولکول هدف یا پیوند به DNA تکمیلی. تغییر بین این سه حالت می‌تواند باعث ایجاد حرکات مکانیکی، ترغیب یا از بین بردن محدودیت‌ها و پیوستن یا عدم پیوستن مواد شیمیایی یا زنجیره کوتاه نوکلئوتایدها بنام  oligonucleotied شود. مطالعات بسیار اخیرا از این خصیصه استفاده نموده‌اند.

نانوتکنولوژی DNA کاربردی ظهور تکنیکهای Aptamer – DNAzyme

ترکیب  ماده الگوی- آپتامر

اخیراً آپتامرها برای ساخت ذرات نانو یا نانوذرات بکار گرفته شده‌اند و بسیاری از مواد این مواد منتج شده بصورت پویا در طبیعت وجود داشته و به محرک‌های شیمیایی حساس‌ می‌باشند. در یکی از این مطالعات، willner و همکارانش ذرات طلایی نانو را با یک آپتامر آنتی ترومبین به کار بردند. با توجه به وجود غلظت‌های بالای ترومبین، محلول ذرات نانو حالات کدری خاصی را نشان دادند که به واکنش هر مولکول ترومبین با دو آپتامر ترومبین و فاز شروع ترکیب نانوذرات جهت تشکیل  توده مرتبط اشاره داشت (شکل ۳ الف).

ابزارهای مولکولی DNA آپتامری

اکثر ابزارهای مولکولی DNA نیروی خود را از طریق انرژی بدست آمده از پیوند DNA حاصل می‌نمایند. در مقابل، در یک سیستم زیستی اکثر موتورها با هیدرولیز ATP سوخت گیری می‌شوند. تحقیقات انجام شده جدید بر روی ابزارهای آپتامری وعده‌های زیادی را در سیستم‌های زیستی تقلیدی نشان داده‌اند. اولین مثال که می‌تواند یک موتور DNA بر اساس آپتامر را بررسی کند، توسط Li و Tan گزارش شد. یک بخش از DNA که غنی از گوانین (guanine) می‌باشد (شکل ۴ الف، ناحیه بالایی سبز رنگ) می‌تواند یک حالت چهارگانه را با پیوند به k⁺  تشکیل دهد.

آپتازیم‌ها در نانوتکنولوژی

DNAzymes می‌توانند باعث تغییرات شیمیایی بر روی اسیدهای نوکلئیک شوند، در حالیکه آپتامرها می‌توانند دامنه وسیعی از مولکول‌ها را پیوند دهند. ترکیب این دو مورد گروه جدیدی از نوکلئیک اسیدهای بنیادی را ایجاد کرده است که  تحت عنوان DNAzymes allosteric یا آپتازیم‌ها شناخته شده‌اند. Li و Lu یک آپتازیم وابسته آدنوسین را به کار بردند که بر اساس DNAzyme ویژه  pb²⁺ ساخته شده تا آنکه ذرات نانوی طلا را اسمبل سازد. در حضور آدنوسین، زیرلایه‌ گسسته و از این اسمبلی ممانعت بعمل آمد.

نانوتکنولوژی DNA کاربردی ظهور تکنیکهای Aptamer – DNAzyme

نتایج

بطور خلاصه، گرچه این مقاله هنور بعنوان یک مقاله و مبحث بسیار جدید مطرح است، مشخص شده است که مولکول‌های DNAzymes و آپتازیم‌ها در اکثر زمینه‌های نانوتکنولوژی DNA کاربرد دارند. بنابر این رشته نانوتکنولوژی DNA به طرز چشمگیری وسعت یافته است و مواد و ابزارهای جدید منتج شده از آن را می‌توان برای کاربردهای عملی در بسیاری از رشته‌های دیگر بکار برد، مثل حس‌گرها، مشاهدات محیطی، تشخیص‌های پزشکی، کنترل دارو، درمان، نانو الکتریک، نانوفتونیک، و محاسبه کوانتمی. احتمال دارد ما در آینده هماهنگی ابزارهای فردی را در بسیاری از سیستم‌های چند وجهی ببینیم. تحقیق‌های چند وجهی مثال کاربردهای نانو بر اساس DNA کاربردی‌‌ در میکروفلوئیدها، بیوفیزیک و زیست شناسی، کاربردهای عملی چنین ابزارهایی را در بسیاری از زمینه‌های جدید توسعه داده است. همچنین این نکته حایز اهمیت است که با در دست داشتن نیروی لازم جهت انتخاب ترکیبی نوکلئیک اسیدهای کاربردی‌‌، این مولکولها بعنوان منبعی غنی برای توسعه نانو تکنولوژی، مد نظر قرار خواهند گرفت.