باختصار
صمم باحثون خوارزمية جديدة تقوم بأتمتة عمليات التلاعب بالحمض النووي منقوص الأكسجين ونمذجته بأشكال مختلفة، وتُعرف هذه الهياكل باسم أوريغامي الحمض النووي.

الأوريغامي الأصغر

عندما يتعلق الأمر بعمليات البناء على مقاييس نانوية، فإن الحمض النووي منقوص الأكسجين هو مادة البناء المفضلة، فقد يبدو الأمر غريباً بعض الشيء، ولكن يُعد الحمض النووي بمثابة القرص الصلب للطبيعة، فهو يقوم بتشفير برمجيات الحياة.

تبين أن الجزيئات الضخمة وحدات بناء صلبة ومتنوعة، وهي مناسبة تماماً لبناء هياكل معقدة بأبعاد نانوية، وتُعرف هذه الهياكل باسم أوريغامي الحمض النووي (DNA origami).

تقوم البيولوجيا على أساس أن الحمض النووي عبارة عن شريط لولبي مزدوج، ولكن هناك العديد من الأشكال الأخرى، حيثُ يمكنك تشكيل جزيء الحمض النووي بأي شكل آخر عن طريق إعادة ترتيب أزواج القواعد وإضافة جزيئات أخرى.

تجسيد رقمي لهياكل متنوعة من الحمض النووي مصصمة من قبل خوارزمية ديدالوس. حقوق الصورة: ديجزيم.
تجسيد رقمي لهياكل متنوعة من الحمض النووي مصممة من قبل خوارزمية ديدالوس. حقوق الصورة: ديجزيم.

هناك استخدامات عديدة لعمليات التلاعب بالحمض النووي على المقياس النانوي، كآليات إيصال الدواء القائمة على أساس الحمض النووي أو نظام لتخزين المعلومات قادر على خزن بيانات بسعة تيرابايت في مساحة أصغر من رأس الدبوس.

ولكن عملية تجميع ومعالجة الحمض النووي صعبة للغاية، فهي تتطلب عملاً شاقاً لتجميع الحمض النووي يدوياً بشكل زوج من القواعد في كل مرة لتحديد كيفية الحصول على الشكل المطلوب، وهو عمل يعادل العديد من بحوث الدكتوراه، كما أنه يستغرق الكثير من الوقت.

 

دايدالوس

تمكن باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في جامعة ولاية أريزونا (Arizona State University)  وجامعة بايلور (Baylor University) من وضع خوارزمية حاسوبية جديدة تقوم بجميع هذا العمل الشاق بدلاً عنك، وتم نشر بحثهم في مجلة ساينس (Science).

ويقول مارك بيث، وهو أستاذ مساعد في الهندسة البيولوجية من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والباحث الرئيسي في الدراسة: "لقد حولت الورقة البحثية المشكلة من عملية يقوم فيها الخبراء بتصميم الحمض النووي المطلوب لتشكيل الكائن، إلى عملية يكون فيها الكائن نقطة انطلاق، حيثُ يتم تعريف تسلسل الحمض النووي المطلوب تلقائياً بواسطة الخوارزمية".

بعض أشكال الحمض النووي التي تمت نمذجتها بالفعل بواسطة خوارزمية. ديدالوس. الصورة على اليمين مُلتقطة بواسطة المجهر الإلكتروني. حقوق الصورة: مارك بيث وآخرون
بعض أشكال الحمض النووي التي تمت نمذجتها بالفعل بواسطة خوارزمية. ديدالوس. الصورة على اليمين مُلتقطة بواسطة المجهر الإلكتروني. حقوق الصورة: مارك بيث وآخرون

 

تقوم الخوارزمية الجديدة - والتي أطلق عليها الفريق اسم ديدالوس (DAEDALUS) - بأتمتة عملية تشكيل شريط الحمض النووي بالكامل، حيث تبدأ بأخذ شكل الحمض النووي المطلوب - والذي يجب أن يكون سطحاً مغلقاً - ثم يُرسل إلى الخوارزمية التي تقوم بتحديد ترتيب القواعد النيتروجينية وهي: الأدنين، والجوانين، والسيتوسين، والثايمين، المطلوبة لإنتاج هيكل الحمض النووي الجديد.

تعني كلمة ديدالوس أوريغامي الحمض النووي ذو "المصدر المفتوح" ، وهي تقنية تسمح لأي شخص الوصول إلى الخوارزمية والتصميم ثم بناء شريط حمض نووي خاص به على المقياس النانوي، حيث تَعِد خوارزمية ديدالوس بفعل ما يقوم به خط الإنتاج والتجميع لهنري فورد، ولكن على المستوى النانوي.

وقام الفريق بالتحري عن أهمية التطبيقات المحتملة لهذه الجسيمات النانوية، بما في ذلك إنشاء وسائل توصيل لأداة تحرير الجينات المعروفة باسم كريسبر كاس 9 (CRISPR-Cas9)، أو تصميم  ذاكرة حمض نووي بنظام ثنائي.