شبكات مواريه للحمض النووي تُتيح مواد جديدة ذات تجميع ذاتي

المواد الشبكية المتحولة

حدود جديدة في علوم المواد هي تجميع الهياكل الدقيقة داخل الشبكات، هياكل معقدة ذات نمط منتظم ومتكرر، غالبًا ما تُصنع من شرائط أو خطوط متقاطعة.

هذه الهياكل غالبًا ما تغير خصائص المادة بالكامل، على سبيل المثال، تجعلها أقوى بكثير, أكثر مرونة, يعكس الضوء بشكل مختلف, إلخ.

يمكن أن تكون لهذه الشبكات أشكال أساسية مختلفة، مثل المربعات، خلية النحل السداسية، كاجومي، إلخ.

المصدر: Research Gate

إمكانية إضافية هي دمج طبقتين من مواد الشبكة، مما يخلق خصائص أكثر تقدمًا تتجاوز إمكانات الطبقات الفردية بشكل كبير. على سبيل المثال، ناقشنا الخصائص الفائقة التوصيل المحتملة لطبقة مزدوجة ملتوية مصنوعة من مادة التنجستن-السيلينيوم.

نوع جديد مماثل من المواد تم اختراعه الآن من قبل باحثين في جامعة شتوتغارت، جامعة أريزونا ستيت، ومعهد ماكس بلانك.

أنشأوا بنية ذاتية البناء باستخدام جزيئات الحمض النووي يمكن أن تُحدث ثورة في طريقة التحكم في الضوء والصوت والإلكترونات. نشروا نتائجهم في المجلة العلمية المرموقة Nature Nanotechnology¹، تحت عنوان “شبكات مواريه للحمض النووي”.

شبكات مواريه

شبكات مواريه هي مواد صناعية تُنشأ عن طريق تكديس مواد ثنائية الأبعاد (2D) بزاوية دوران صغيرة أو عدم تطابق شبكي.

المصدر: Nature Nanotechnology

هذا الاختلاف يخلق “نمطًا فائقًا” إضافيًا، يُسمى أيضًا نمط مواريه، مختلفًا عن النمط العنصري للطبقتين الأصليتين. تفاعلات الضوء أو الإلكترونات مع نمط المواريه تُعطي خصائص جديدة لهذه المادة.

حتى الآن، تم بناء أنماط المواريه في علم المواد فقط على مقياسين مختلفين جذريًا: إما على المستوى الذري، مثل طبقات الجرافين (جزء من مئة مليون من السنتيمتر، أو 0.1 نانومتر)، أو على المستوى الميكروسكوبي (ألف من المتر).

المصدر: Nature Nanotechnology

هذه المنتجات عادةً ما تكون معقدة جدًا في الإنتاج، وتتطلب خطوات تصنيع دقيقة، مثل النقل، التكديس، التدوير، ومحاذاة الشبكات الفرعية.

ومع ذلك، لم تكن هناك شبكات مواريه على مقياس وسيط يُقاس بالنانومتر. هذا حتى استخدم هؤلاء الباحثون الحمض النووي لإنشاء واحدة.

شبكات الحمض النووي الموارية

الحمض النووي هو جزيء صغير خاص جدًا، حيث يمتلك ميلًا طبيعيًا للتنظيم الذاتي إلى أنماط معقدة على المستوى النانوي. أحد هذه الهياكل هو حزمة أوريغامي للحمض النووي، مكوّنة من حلزونات حمض نووي مترابطة، والتي شكلت أحد اللبنات الأساسية التي استخدمها الباحثون.

المصدر: Nature Nanotechnology

اللبنة الثانية كانت بلاطات الحمض النووي الثنائية الأبعاد، مكوّنة من بلاطات أحادية السلسلة (SSTs)، بأشكال مربعات، خلية النحل السداسية، وأشكال كاجومي. استُخدمت مجاهر الإلكترون الناقلة (TEM) للتحقق من انتظام وجودة هياكل الشبكة.

المصدر: Nature Nanotechnology

استخدم الباحثون حزمة أوريغامي للحمض النووي كـ “بذرة”، حولها يمكن لشبكة أكبر بكثير أن تتنظم ذاتيًا بشكل طبيعي. البذور المختلفة تُنشئ أنواعًا مختلفة من شبكة الحمض النووي، مما يتيح تحكمًا كبيرًا في الشكل النهائي.

المصدر: Nature Nanotechnology

عند الإنتاج، اختلطت العديد من هذه الشبكات معًا، مكونة شبكة ثنائية الطبقة مصنوعة من جزيئات الحمض النووي. ظروف الإنتاج المختلفة، مع تنوع البذور ودرجة الحرارة، تسمح بتحكم محدود في نسبة إنتاج الشبكات الثنائية مقابل الأحادية الطبقة.

المصدر: Nature Nanotechnology

تحليل الطبقات الثنائية والثلاثية للحمض النووي

باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، قام الباحثون بتحليل هذه الهياكل النانوية الثنائية الطبقة.

كل طبقة أحادية تقيس ~39.0 نانو متر في الارتفاع وحوالي ميكرومتر في العرض.

المصدر: Nature Nanotechnology

عندما استخدمت الطبقات الثنائية الملتوية شبكات فرعية متطابقة (مربع–مربع، كاجومي–كاجومي، وخلية النحل–خلية النحل)، نتج عنها تداخل شبه كامل (ولكن ليس كليًا) للطبقتين الأحاديتيْن.

كانت هذه التركيبات هي التي أعطت أكثر أنماط المواريه إثارة للاهتمام للطبقات الثنائية، مقارنةً بالأنماط المختلطة.

المصدر: Nature Nanotechnology

تمكن الباحثون حتى من إنشاء أنماط ثلاثية الطبقة، مع أنماط مواريه أكثر تعقيدًا، وهي أيضًا ذاتية التجميع.

المصدر: Nature Nanotechnology

هذا لا يعني أن الطبقات المختلطة لم تُظهر أنماطًا مثيرة، مثل الطبقة الثلاثية مربع‑كاجومي‑مربع. ومن المحتمل أيضًا أن تُنشأ المزيد من الأنماط في المستقبل باستخدام بذور وهياكل حمض نووي مختلفة، إذ إن هذا هو أول نمط مواريه نانوسكوبي تم إنشاؤه على الإطلاق.

المصدر: Nature Nanotechnology

يمكن تطوير مزيد من التحكم في تطوير هذه الأنماط، وقد تم بالفعل النظر في حلول من قبل الباحثين. على سبيل المثال، يمكن وضع بذرة الأوريغامي بدقة على الركائز باستخدام طرق النانو‑تصنيع. بهذه الطريقة، يمكن تجميعها في مواقع محددة مسبقًا على الرقاقة.

التطبيقات

بشكل عام، يمكن لتقنية تصنيع هذه الشبكات الذاتية التجميع للحمض النووي والنوع الجديد من المواد أن تجد تطبيقًا في أي مجال يتطلب تصنيعًا دقيقًا على المستوى النانوي.

ويرجع ذلك إلى حد كبير لأنها توفر مزيجًا شبه كامل من الدقة المكانية العالية، القابلية للعنونة الدقيقة، والتماثل القابل للبرمجة.

التطبيق الأول لمثل هذه البنية سيكون استخدامها كقالب على المستوى النانوسكوبي. على سبيل المثال، يمكن ربط جزيئات فلورية، جسيمات نانوية معدنية، أو أشباه موصلات بها في هياكل 2D و3D مخصصة.

خيار آخر قد يكون تحويل الشبكات متعددة الطبقات إلى أطر صلبة من خلال تعديلات كيميائية.

بعد ذلك يمكن إعادة توظيفها كبلورات فونيونية أو مواد متحولة ميكانيكية ذات استجابات اهتزازية قابلة للتعديل، حيث تمتلك هذه الأنظمة العديد من التطبيقات المحتملة في المستشعرات والحوسبة الضوئية.

أخيرًا، قد تمتلك هذه الشبكات خصائص نقل إلكترونات انتقائية للسبين، حيث يُعرف أن الحمض النووي يفلتر الإلكترونات وفقًا لسبينها (خاصية كمية).

“هذا ليس حول تقليد المواد الكمية. إنه حول توسيع مساحة التصميم وجعل بناء أنواع جديدة من المادة المهيكلة من القاع إلى الأعلى ممكنًا، مع التحكم الهندسي المدمج مباشرةً في الجزيئات.”

الأستاذة لورا نا ليو – مديرة معهد الفيزياء الثاني في جامعة شتوتغارت

الاستثمار في الحمض النووي والتقنية النانوية

Twist Biosciences

تتخصص الشركة في تصنيع الحمض النووي، الاستفادة من أساليب التصغير من صناعة أشباه الموصلات، مما يوفر الوقت والمال للباحثين.

بفضل قدرتها المتقدمة على تصنيع الحمض النووي والحمض الريبي النووي، يمكن لـ Twist أن تصبح بسرعة مصنعًا رئيسيًا للأبتامرات إذا نمى سوق منتجات مضادة للتخثر.

كمنتج “محايد” يركز على توفير أفضل تسلسلات الأحماض النووية بأفضل سعر، يمكن أن تكون شريك تصنيع مفضل لأي شركة أدوية تسعى لتسويق أحماض نووية مفيدة، مثل تخزين البيانات أو الأبتامرات المضادة للتخثر.

في يناير 2023، بدأت الشركة شحن المنتجات من منشأة التصنيع الثانية التي أطلقتها مؤخرًا. من المتوقع أن تضاعف المصنع الجديد طاقات إنتاج Twist.

كما تعمل على إنشاء تخزين البيانات القائم على الحمض النووي الذي يمكن استخدامه لحماية البيانات، مستقلًا عن الأنظمة الإلكترونية. لذا قد تستخدم تقنيات تخزين البيانات المتقدمة الحمض النووي نفسه.

يسمح هذا التصغير لنا بتقليل أحجام التفاعلات بمقدار مليون مرة مع زيادة الإنتاجية بألف مرة، مما يتيح تصنيع 9,600 جين على رقاقة سيليكون واحدة على نطاق كامل.

المصدر: Twist Biosciences

نظرًا لأن الشركة خبيرة في إنتاج منتجات الحمض النووي للاستخدام الصناعي، يمكن أن تستفيد بشكل كبير من تحول الحمض النووي إلى أداة رئيسية في بناء هياكل نانوية لصناعة أشباه الموصلات، الكيمياء، والحوسبة، سواء كان ذلك كيميائيات الحمض النووي حسب الطلب، تخزين بيانات قائم على الحمض النووي، أو شبكات الحمض النووي، وغيرها.

أحدث أخبار وتطورات سهم Twist Biosciences (TWST)

الدراسة المشار إليها

^{1. Jing, X., Kroneberg, N., Peil, A. et al. شبكات مواريه للحمض النووي. Nature. Nanotechnology. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01976-3}