نانوکاوش‌گری برای بررسی آسیبهای تابشی وارده به DNA
مطالعه سازوکار نانومقیاس DNAها می‌تواند درک بهتری نسبت روش‌های درمانی جدید ایجاد کند. در این پژوهش محققان یک نانوپیمایشگر ویژه ارائه کردند.
به گزارش فناوری های همگرا گروهی از محققان دانشگاه لیهای (Lehigh University)، دانشگاه مرکزی فلوریدا (University of Central Florida)، موسسه ملی استاندارد و فناوری (National Institute of Standards and Technology) و یک دانشجو از دانشگاه روچستر (University of Rochester) در "تجربه تحقیقاتی دانشجویان کارشناسی" بنیاد ملی علوم (NSF)، گرد هم آمدند تا در مورد اثر تخریبی پرتو فرابنفش بر روی DNA (به عنوان حامل اطلاعات ژنتیکی) تحقیق کنند. اخیرا نتایج تحقیقات آن‌ها برای چاپ در مجله Nano Research پذیرفته شده‌است.
DNA به عنوان حامل اطلاعات ژنتیکی در اکثر موجودات کره زمین مطرح است. این ماده زیستی به‌راحتی نابود نمی‌شود ولی به‌آسانی پرتو فرابنفش را جذب میکند. خوشبختانه DNA می‌تواند راه‌هایی برای بازیابی خود پیدا کند.
سلول‌ها برای مبارزه با آسیب تشعشع، فرایند ترمیم DNA را توسعه داده‌اند، همین طور سازوکارهایی دارند که انرژی را قبل از تخریب مولکول DNA حذف میکند – مانند سازوکار تفکیک خودکار (autoionization). هنگامی که یک ماکرومولکول به حالت برانگیخته در می‌آید و الکترون خود را نشر می‌دهد، مقدار زیادی انرژی آزاد میکند. درک این فرایند به منظور بررسی و کاهش اثرات اشعه بر روی موجودات زنده بسیار ضروری است.
اسلاوا روتکین و همکارانش بر روی کمپلکس‌های خودمونتاژ DNA، پیرامون نانولوله‌های تک دیواره کربنی با استفاده از یک روش خاص مطالعه کردند. این روش که طیف‌سنجی فوتولومینسانس دو رنگ (two-colour photoluminescence spectroscopy) نام دارد از پرتو فرابنفش و نور سبز به طور هم‌زمان برای بررسی نمونه‌هایی استفاده می‌شود. سپس نظریه مکانیک کوانتومی برای حمایت از داده‌های تجربی توسعه داده شد و آن‌ها توانستند نرخ بسیار سریع تفکیک خودکار DNA را تایید نمایند.
روتکین، استاد دانشکده‌های فیزیک و مهندسی و علم مواد دانشگاه لیهای می‌گوید: «قادربودن به ایجاد بهره‌وری در روند تفکیک خودکار، یک گام کلیدی در فهم چگونگی برانگیخته شدن DNA توسط پرتو فرابنفش می‌باشد. DNA می‌تواند بدون این که بشکند، خنک شود و در نتیجه عملکرد طبیعی خود را حفظ نماید.»
رویکرد نوآورانه این تیم تحقیقاتی، پتانسیل زیادی برای نظارت بر تحریک DNA، تفکیک خودکار و اهمیت آسیبهای شیمیایی برای زمینه‌های مختلف پزشکی، زیست‌شناسی تکاملی و اکتشاف فضا دارد. برای اهداف پزشکی، مطالعه سازوکار تفکیک خودکار می‌تواند به درک درستی از سطح سالم ماندن سلول‌های مختلف در برابر اشعه فرابنفش و راه‌های کاهش اثرات تابش منجر شود.
از دیدگاه تکاملی، درک سازوکارهای پراکندگی (dissipation mechanisms) که در طول دوره تکامل سلول‌های اولیه مطرح بود، اهمیت زیادی دارد؛ در آن زمان تابش پرتوهای فرابنفش بسیار شدیدتر از امروز بوده و سازوکار احیای DNA احتمالا وجود نداشته است. برای ادامه اکتشافات فضایی، توسعه راه‌کارهایی برای سالم‌ماندن سلول‌ها و اندام‌ها در برابر تابش‌های خطرناک، بسیار ضروری می‌باشد.
برای کامل‌شدن داده‌ها و تحلیل اثرات، این دانشگاه محققان را به دور هم جمع کرد. روتکین می‌گوید: «در این حوزه، موارد کشف نشده بسیاری وجود دارد. تا به حال کسی قبل از این ندیده بود و ما فرضیه داده‌های دو رنگ را مطرح نمودیم و برای رسیدن به تفسیر درست، بسیاری از مدل‌ها را به صورت تجربی رد کردیم.»
برای مطالعه نانولوله‌ها، DNA بسیار مناسب است. یک رشته DNA در اطراف یک نانولوله کربنی – ساختار استوانه‌ای و کوچک کربنی که شبکه گرافیتی شش ضلعی دارد و ضخامت دیواره آن به اندازه یک اتم است – نانولوله را در آب نگه خواهد داشت و به آن اجازه می‌دهد در عمل خواص نوری مناسبی مانند مواد تازه داشته باشد.
در ابتدا محققان با مشاهده تغییرات خواص نوری در نانولوله‌ها در اثر تابش پرتو فرابنفش، متعجب شدند. روتکین می‌گوید: «برای سال‌ها این قضیه پذیرفته شده بود که DNA یک حامل بی اثر برای نانولوله‌ها می‌باشد و بدون این که تغییری در خواص نانولوله ایجاد شود، آن را در آب نگه می‌دارد. این خاصیت تا چند سال برای تیم ما نیز پذیرفته شده بود. در نهایت، بعد از تعدادی آزمایش تجربی مشخص شد که مبدا مدولاسیون خود DNA است.»
بعد از این کشف، محققان تحقیقات خود را به سمت پروژه دیدن روش طیف‌سنجی فوتولومینسانس دو رنگ که می‌تواند برای بررسی بیشتر خواص DNA استفاده شود، تغییر دادند.
روتکین نتیجه‌گیری میکند: «بازهای نوکلئوتیدی (nucleobases) DNAهای متفاوت، خواص تفکیک خودکار متفاوتی را نشان می‌دهند. پیش‌بینی ما این است که ابزار مولکولی زیستی غیر تهاجمی بی‌سابقه‌ای برای حل مشکل زیست‌فیزیکی اسیدهای نوکلئیک ایجاد خواهد شد.» (باز نوکلئوتیدی بخشی از ساختمان DNA و RNA است – مترجم)
