الانبهار بالدياتومات

ابنِ صَدفة الدياتوم الخاصة بك

الدياتومات هي طحالب وحيدة الخلية تمثِّلها آلاف الأنواع في المحيطات وبحيرات المياه العذبة حول العالم، وهي تكوِّن الأصدافَ بأنماط جميلة ذات مسام تحت مجهرية؛ مما مثَّلَ تحدِّيًا رئيسيًّا في أبحاث التشبُّع البيولوجي بالمواد المعدنية. وبما أن هذه الأنماط محدَّدة وراثيًّا، فبالتأكيد ثمة جزيئات حيوية مشتركة في الأمر، ولكنها مختلفة كليةً عن البروتينات العادية التي استغرق الباحثون سنواتٍ عديدة لمجرد استخراجها من مادة الصَّدفة.

سبق أن قام نيلز كروجر وزملاؤه من جامعة ريجنسبورج بألمانيا بعزل العديد من الببتيدات المختلفة (تُسمَّى السيلافينات) ومركبات عديدة الأمين طويلة السلسلة من أصداف الدياتومات، وأثبتوا أنها تحفِّز ترسيبَ السليكا. وفي عام ٢٠٠٢، أعلن الفريق أن تعديلات ما بعد التخليق، بما في ذلك امتدادات عديد الأمين المتصلة ببقايا الليسين وأحماض السيرين المفسفرة؛ ضرورية لوظيفة السيلافينات داخل الجسم الحي. وعندما استخلص الباحثون لأول مرة السيلافينات من الدياتومات باستخدام فلوريد الهيدروجين، فُقِدت هذه التعديلات، والآن استعادوا النُّسَخ «الطبيعية» الكاملة من جميع السيلافينات الثلاثة التي عثروا عليها في «سيليندروثيكا فوسفورميس»، ووضعوا طريقةً للتنبُّؤ بكيفية دمج هذه الجزيئات بهدف الحصول على بنًى نانوية شبيهة بالدياتوم في أنبوب الاختبار.

شكل ١٥-١: صورة مجهرية إلكترونية لأصداف الدياتومات. الأنماط المعقَّدة الشبيهة بالأسواط ذات المسام النانوية الحجم تكون محدَّدة وراثيًّا. أما السؤال عن منشأ هذه الأنماط فسيظلُّ أحدَ أصعب الأسئلة التي يواجهها علمُ الأحياء الحديث.

إذا أصبحَتْ هذه الطريقةُ صالحةً للتطبيق على نطاق كبير، فستتيح للباحثين تجربةَ عددٍ لا نهائي من الصور الجزيئية في هذا الشأن، وبالتالي تمهِّد الطريقَ أمام المواد المخلَّقة النانوية البنية اعتمادًا على مبادئ بنية الدياتوم.

علماء تكنولوجيا النانو يستعينون بمهندسي الطحالب

تتسم الدياتومات بمهارة معمارية منقطعة النظير على المستوى النانوي؛ فالأصداف السليكونية لهذه الطحالب الوحيدة الخلية عبارة عن صناديق مسامية شديدة التناسق ذات أنماط شبيهة بالأسواط ومحدَّدة وراثيًّا بأبعاد نانوية. وسيكون التحكم على نحوٍ مماثِلٍ في العمليات النانوية البنية مفيدًا في العديد من مجالات تكنولوجيا النانو، إلا أن محاكاة بنية الدياتوم تُعَدُّ تحدِّيًا رئيسيًّا في هذا الشأن. فالآن، اكتشَفَ باحثون من الولايات المتحدة أن صَدفة الدياتوم الطبيعية يمكن استخدامها كأساس لِلْبِنى النانوية الصناعية، وهو سبيل أسهل بكثير من المحاكاة البيولوجية.

قام تشاد ميركين وزملاؤه من جامعة نورثويسترن في إيفانستون بولاية إلينوي بتجريد الدياتومات وصولًا إلى هيكلها اللاعضوي المجرَّد؛ وذلك عن طريق تغطيسها في حمام حمضي يُطلَق عليه «البيرانا». أتاحت هذه المعالجة استغلال الأصداف من قِبَل كاشف الحمض الأميني، كما استُخدِمت الوظائفُ الأمينية الحرَّة بدورها لدمج الحمض النووي القليل النيوكليوتيدات بأصداف الدياتوم. واستخدم الباحثون جدائل الحمض النووي التكميلي المرتبطة بجسيمات الذهب (١٣ نانومترًا) لجعل الطبقة الخارجية مرئيةً بسهولة تحت الميكروسكوب الإلكتروني، فأثبتوا أن سطح الصَّدفة الخاوية بأكمله يمكن توظيفه في المواد الصناعية وتغطيته بها. علاوة على ذلك، يمكن أن يضيف الباحثون ست طبقات ذهبٍ إضافية إلى الطبقة الأولى.

سار الإجراء على ما يرام في نوعي دياتوم مختلفَين، وهما: «سيندرا» و«نافيكولا»، وبالتالي قد يختار الباحثون ذات يومٍ أيًّا من آلاف السلالات المختلفة للدياتومات لأغراضهم الخاصة. على سبيل المثال، لتصميم نمط معيَّن نانوي الحجم بجسيمات الذهب (أو غيرها)، سيكون على المرء أن يجد فقط صَدفةَ دياتوم مقابلة والعمل بناءً عليها، أو بدلًا من ذلك يمكن للمرء «بسهولةٍ تعديلُ أسطح الدياتوم بالعديد من المجموعات الوظيفية المختلفة» حسبما يقترح ميركين. وعلى سبيل المثال، قد يُنتِج المرءُ مصفوفاتِ حمضٍ نووي متناهية الصِّغَر بأعداد هائلة من النُّسَخ.

أحدث التطورات

لقد ظلَّ فهم بنية صَدفة الدياتوم ومحاكاتها أحدَ أكبر التحديات وأكثرها إثارةً على صعيد التداخُل بين علم الأحياء وتكنولوجيا النانو. ففي مارس ٢٠٠٧، أعلن فريق كروجر ثبات أحد البروتينات على صَدفة السليكا الخاصة بالدياتوم. وفي وقت لاحق من نفس العام، وصف فريق بورنر من معهد ماكس بلانك للمواد الغروانية والأسطح البينية في مدينة جولم بألمانيا خيطًا من الزجاج الحيوي مصمَّمًا من ببتيدات وسليكا الدياتوم.

قراءات إضافية