הדנ"א (DNA) היא מולקולה מדהימה שאוצרת בתוכה את כל המידע, או ליתר דיוק את כל ההוראות לבנייתם של הייצורים החיים על פני כדור הארץ. ואם זה לא מספיק, הנה משהו שלא ידעתם עליו: מתברר שבזכות התכונות הכימיות שמאפשרות לדנ"א לאחסן מידע לבניית חיים, בעתיד הלא רחוק נוכל גם ליצור מכונות בקנה מידה מולקולרי.
למה צריך בכלל ליצור מכונות בקנה מידה כל כך קטן? שאלה טובה. ובכן, כבר התרגלנו לראות איך כל פיתוח טכנולוגי מעשה ידי אדם שנמצא בשימושנו כיום, כגון מחשבים, טיפולים רפואיים ועוד, משתפר משמעותית עם הזמן, בין השאר בזכות המזעור שלו. די אם תשוו את המחשבים או את הטיפול הרפואי של היום למה שהיה לפני עשר-עשרים שנה ותראו שהשיפור ניכר. החידושים וההמצאות הללו שינו את חיינו כליל, לא פעם יותר ממה שאנחנו מסוגלים לשוות בדמיוננו.
רובנו התרגלנו לקצב החדשנות הטכנולוגית ואנו נוטים לחשוב שהיא תימשך בלי הגבלה. אולם מתברר שבתחומים רבים, ובמיוחד באלה שתלויים ביכולות המזעור, המדענים והמהנדסים הולכים ומתקרבים למצות עד הסוף את פוטנציאל המזעור בטכנולוגיות שקיימות כיום. למעשה, אם לא יחול שינוי דרסטי בצורת החשיבה, אנו מתקרבים ליום שבו הטכנולוגיה תחדל להשתפר באופן משמעותי.
המפתח: דנ"א
המצב הזה גורם למדענים לתהות מה תהיי פריצת הדרך המדעית שעליה תתבסס קפיצת המדרגה הטכנולוגית הבאה. כאן אנו חוזרים לנושא שבו התחלנו – הדנ"א ומכונות בסדר גודל מולקולרי.
הדנ"א מורכב מארבע מולקולות שנקראות בסיסים, וכל בסיס מסומן על ידי אחת האותיות הלטיניות הבאות: A, T, C, G, שמסמלים את שמותיהם: אדנין. תימין, גואנין וציטוסין. המולקולות האלה הן אבני היסוד של בניית הקוד הגנטי באורגניזמים. במולקולת הדנ"א עצמה, שמורכבת משני סלילים המלופפים יחד בצורת סליל כפול, אבני הבניין מסודרות זו מול זו כך שמול אדנין בסליל אחד תמיד יימצא תימין בסליל השני ומול גואנין יימצא תמיד ציטוזין.
שני הכללים הבסיסיים הללו מכתיבים את חוק השלמה. תכונת ההשלמה הייחודית הזו של הדנ"א מאפשרת שליטה חסרת תקדים במבנה המולקולה. למשל, אם נייצר סליל יחיד של דנ"א המכיל רצף בסיסים מסוים, למשל AGCT, נוכל לצפות בדיוק היכן הוא יתחבר לסליל דנ"א יחיד אחר שהרצף שלו הוא AGGGTTCGACA (לא יודעים איפה? התשובה באדום).
חוקי ההשלמה אכן מכתיבים ששני הסלילים היחידים יתחברו לסליל כפול רק (או לפחות בעיקר) ברצף המשלים שמסומן באדום. אותם חוקים גם מאפשרים כיום למדענים לתכנן מולקולות דנ"א עם רצפי בסיסים לפי בחירתם ולצפות מראש מה יהיה המבנה שלהם. כך אפשר להנדס מולקולות דנ"א בעלות מבנים שונים ומשונים.
ציור בדנ"א
מדען אמריקאי צעיר בשם פול רוטמונד מאוניברסיטת CalTech הצליח לאחרונה לקחת את הרעיון הזה רחוק מאוד. הוא הצליח לתכנן, לבנות ולצלם את פרצוף הסמיילי הראשון המורכב מדנ"א. זהו גם הסמיילי הקטן ביותר שיוצר אי פעם. למעשה, הגודל האמיתי של ה"חיוך הגנטי" שבתמונה הוא בערך ננו-מטר, כלומר הוא קטן פי 80 אלף מהרוחב של שערה אנושית אחת. מדהים, לא?
סמיילי מדנ"א
מפת אמריקה מדנ"א | צילום ותכנון: פול רוטמונד
הכלים שבהם השתמש רוטמונד כדי לתכנן את רצפי הדנ"א שמהם יצר את הסמיילי הם אותם חוקי השלמה פשוטים שכבר הזכרנו. הוא ייצר סליל אחד ארוך של דנ"א ובו 7,000 בסיסים ובעוד כמאתיים סלילים קצרים יותר שאורכם עשרות בסיסים כל אחד, כך שחציים משלים אזור ספציפי בסליל הארוך וחציים השני משלים אזור אחר בסליל הארוך. כך הןא שידך את הסליל הארוך לעצמו במקומות שונים כדי ליצור את הצורה הרצויה לו.
תוכנת מחשב שכתב עזרה לו לחשב אלו רצפי דנ"א יש לחבר כדי ליצור את המבנה הרצוי, בהתחשב בחוקי ההשלמה הפשוטים. ואכן זה עבד! כדי להוכיח שזו לא היתה יד המקרה תכנן רוטמונד באותה שיטה גם את המבנה של יבשת אמריקה. התחום זה, של יצירת מבנים דו-ממדיים מדנ"א (או קיפולם) זכה לכינוי "אוריגמי דנ"א, על שם אמנות קיפולי הנייר היפנית, והוא שייך לתחום רחב יותר שנקרא ננוטכנולוגיה בדנ"א.
אז איך כל זה מתקשר למכונות מולקולריות? ובכן, היכולת הבסיסית שלנו להנדס מבנים מדויקים כל כך בקנה מידה מולקולרי מעידה שאולי בעתיד עוד נמצא את הדרך לייצר גם מבנים מולקולריים שימושיים יותר מסמיילי. כבר כיום מתחילים לחשוב על מולקולות שיבצעו חישובים ופעולות לוגיות במבחנה או מולקולות שאיפשרו לאבחן מחלות ולטפל בהן בתוך הגוף ומחוצה לו. עבודות כאלה מקרבות את תחום הננוטכנולוגיה בדנ"א עוד צעד גדול לקראת הפיכתו למקצוע הנדסי מהשורה. נשמע לכם כמו מדע בדיוני? ובכן העתיד כבר כאן.
תובל בן יחזקאל
המחלקה לכימיה ביולוגית
מכון ויצמן למדע
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.
