* عالم النانو ( الصغائر ) وعجائبه

طب النانو...
من ضمن التطبيقات المحتملة لروبوتات النانو في الطب هو التشخيص المبكر وتوصيل الدواء المستهدف لمرض السرطان،
وأجهزة الطب الحيوي
، الجراحة،
الحركيات الدوائية،
رصد السكري،
والرعاية الصحية.
يتوقع لمستقبل طب النانو في الخطط القادمة أن يوظف روبوتات النانو لحقن جسم المريض ليقوم بأداء العمل على المستوى الخلوي. وينبغي لمثل هذه الأجهزة المعدة للاستخدام الطبي أن تكون غير قابلة للاستنساخ الذي من شأنه أن يزيد تعقيد الجهاز دون داع، والحد من موثوقيته وبالتالي تعارضه مع الرسالة الطبية.
وينبغي أن مثل هذه الأجهزة المعدة للاستخدام في الطب غير قابلة للتكرار، والتكرار من شأنه أن يزيد تعقيد الجهاز دون داع، والحد من الموثوقية، وتتداخل مع البعثة الطبية

سباق روبوتات النانو
نفس الطريقة التي تبنت فيها التقنية المتطورة سباق الفضاء وسباق التسلح النووي، يحدث أيضا سباق روبوتات النانو.
إن هناك الكثير من الأساس المشترك الذي يسمح لروبوتات النانو أن تكون ضمن التكنولوجيات الناشئة..
وبعض أسبابها هي أن الشركات الكبيرة، مثل جنرال إلكتريك General Electric، وهوليت-باكارد Hewlett-Packardو نورثروب جرومان Northrop Grumman كانوا يعملون في الآونة الأخيرة في البحث والتطوير لروبوتات النانو.;
إن الجراحين أيضا مشاركون في البدء باقتراح سبل لتطبيق روبوتات النانو في الإجراءات الطبية المشتركة.;
كما أن الجامعات ومعاهد البحوث منحت الأموال من جانب الوكالات الحكومية والتي تجاوزت ملياري دولار من أجل تطوير الأجهزة النانوية للطب.;
والمصرفيون أيضا يستثمرون باستراتيجية لهدف الحصول مسبقا على الحقوق والرسوم لتسويق الروبوتات في المستقبل.
وإن بعض جوانب روبوتات النانو ارتبطت بدعاوى ذات صلة بالاحتكار.
وقد تم منح عدد كبير من براءات الاختراع مؤخرا على روبوتات النانو، وقد نفذت غالبا لوكلاء البراءات، والشركات المتخصصة على بناء محفظة براءات الاختراع، والمحامين. بعد سلسلة طويلة من براءات الاختراع والتقاضي في نهاية المطاف. انظر كمثال لاختراع الراديو أو عن حرب التيارات، إن مجالات التكنولوجيا الناشئة تميل إلى أن تصبح احتكاراً، والتي عادة ما تهيمن من قبل الشركات الكبيرة.

مجمع النانو الموقعي
مجمع النانو الموقعي
تعاونية مصنع النانو التي أسسها روبرت فريتاس ورالف ميركل في عام 2000 بمشاركة 23 باحثا من 10 منظمات و4 بلدان، تركز على تطوير أجندة العملية البحثية
، تستهدف على وجه التحديد تطوير أجندة بحثية عملية تهدف خصوصا للتركيب الكيميائي للماسة التي يمكن التحكم بموقعها وتطوير مصنع النانو الماسي.

الأساس البكتيري
إن هذا المنهج يفترض اسعمال الكائنات الدقيقة البيولوجية، مثل بكتيريا "الإشريكية القولونية".
بالتالي النموذج يستخدم السوط لأغراض الدفع. وتطبق عادة استخدام الحقول الكهرومغناطيسية للسيطرة على حركة من هذا النوع من الأجهزة المتكاملة البيولوجية، ولكنها محدودة التطبيقات.
التكنولوجيا المفتوحة
قُدمت وثيقة مع اقتراح بشأن التنمية في مجال تقنية النانو الحيوية باستخدام منهج التكنولوجيا المفتوحة يخاطب الجمعية العامة للأمم المتحدة..ووفقا للوثيقة التي تم إرسالها إلى الأمم المتحدة وبنفس الطريقة التي تسارع فيها المصدر المفتوح في تطويرنظم الحاسب، فإن نهجا مماثلا يجب أن يفيد المجتمع في تسارع تنمية روبوتات النانو الهائل. إن استخدام علم الأحياء النووي يجب أن يُنشأ كتراث إنساني للأجيال القادمة، وأن يطور كتكنولوجيا مفتوحة قائمة على أساس أخلاقي الممارسة من أجل أغراض السلام. إن منهجية التكولوجيا المفتوحة جاءت كمفتاح أساسي لهدف من هذا القبيل.

روبوتات الحمض النووي
روبوتات الحمض النووي Nubots
Crystal Clear app kdict.png مقالة مفصلة: آلة الحمض النووي
روبوتات الحمض النووي، بالإنجليزية: النوبوت Nubots، وهو مصطلح مختصر لـ"روبوتات الحمض النووي nucleic acid robots ". وهي عبارة عن روبوتات اصطناعية ذات قياسات نانوية. وقد ضمّن ممثلو روبوتات الحمض النووي عدة أجهزة سيّارة مكونة من الحامض النووي والمقدمة من قبل مجموعة نادريان سيمن Nadrian Seeman's group بجامعة نيويورك، مجموعة نايلز بيرسNiles Pierce's group في معهد كاليفورنا للتكنولوجيا Caltech، ومجموعة جون ريفJohn Reif's group في جامعة ديوك Duke University، ومجموعة تشنغده ماو Chengde Mao's group في بوردو Purdue، وأخيرا مجموعة آندرو تربرفيلد Andrew Turberfield بجامعة أكسفورد.

الرقاقة الحيوية
Crystal Clear app kdict.png مقالة مفصلة: رقاقة حيوية
إن الاستعمال المشترك لـ الإلكترونيات النانوية والطباعة بصفائح معدة فوتوغرافياً photolithography والمواد البيولوجية الحديثة تقدم منهجية محتملة لتصنيع روبوتات النانو للتطبيقات الطبية،، مثل الأجهزة الجراحية وأجهزة تشخيص وتوصيل الدواء..
إن هذه الطريقة للتصنيع في قياسات الإلكترونيات النانوية يستعمل حاليا في صناعة الإلكترونيات.
إذن، روبوتات النانو العملية يفترض أن تكون متكاملة كأجهزة الإلكترونيات النانوية، والتي سوف تسمح بالعمليات عن بعد وبإمكانيات متقدمة للمعدات الطبية..

نظرية روبوتات النانو
يتمسك بعض أنصار روبوتات النانو، كرد على سيناريوهات غراي غو المخيفة بأنهم ساعدوا مبكرا للترويج، باعتبار أن روبوتات النانو قادرة على الاستنساخ خارج بيئة المصنع المقيدة والتي لا تشكل جزءاً ضروريا من تكنولوجيا النانو المنتجة المزعومة، وبأن عملية الاستنساخ الذاتي، إن كانت سوف تتطور، فيمكن جعلها آمنة بطبيعتها.
إن أكثر مناقشة تفصيلية نظرية لروبوتات النانو، بما في ذلك مسائل معينة متعلقة بالتصميم مثل الاستشعار عن بعد، وقوة الاتصالات، والملاحة، والمعالجة، والتنقل، والتحسيب على اللوحة، تم تقديمها في المحتوى الطبي لـطب النانو بواسطة روبرت فريتس Robert Freitas. إلا أن بعض هذه المناقشات لا تزال في مستوى العموميات ولا تقترب من مستوى الهندسة التفصيلية.

روبوتات النانو
روبوتات النانو Nanorobotics
هي تكنولوجيا لصنع الآلات أو الروبوتات أو ما شابه وبمقياس نانومتري(10-9 متر).
وبشكل أكثر تحديدا ،روبوتات النانو تشير إلى حد كبير إلى تقنية لا تزال افتراضية لهندسة النانو في تصميم وبناء روبوتات النانو والأجهزة التي تتراوح في حجمها من 0.1-10 ميكرومتر وتشيد من المكونات الجزيئية أو الجزيئة نفسها كالدنا.إلا أنها لا تزال فكرةافتراضية.
إن مصطلحات إنجليزية مثل النانو بوت nanobots أو النانويد nanoids أو النانايت nanites أو أجهزة النانو nanomachines أو النانو مايت nanomites أصبحت متداولة أيضا لوصف هذه الأجهزة حاليا تحت قيد البحث والتطوير.
إن أجهزة النانو لا زالت إلى حد كبير في مرحلة البحث والتطوير.
إلا أن بعض الأجهزة الجزيئية البسيطة قد خضعت للاختبار. مثال على ذلك حساس بمفتاح تحكم يقدمه بمسافة 1.5 نانو متر تقريبا، قادر على فرز جزيئات محددة في عينة كيميائية. إن أولى الاستخدامات الفعالة للآلات النانو يبدو أنها ستكون في التقنية الطبية،
والتي يمكن أن تستخدم لتحديد أو إتلاف الخلايا السرطانية.
تطبيق آخر محتمل هو الكشف عن المواد الكيميائية السامة وقياس كثافتها في البيئة. وقد أظهرت جامعة رايس مؤخرا نانو كار أو السيارة النانو nanocar - (جزيء أحادي السيارة) مطور بواسطة عملية كيميائية تتضمن كرات الباكي buckyballs كعجلات. وتُشغّل عن طريق التحكم في درجة حرارة البيئة المحيطة وبواسطة توجيه رأس مجهر مسح نفقي.
وبتعبير آخر فروبوت النانو هو الروبوت أو الأداة التي تسمح بالتفاعلات مع الكائنات الدقيقة النانومترية القياس، أو يمكنها التعامل مع الجزيئات النانومترية القياس. وبعد هذا التعريف يمكن حتى اعتبار جهاز كبير مثل مجهر القوة الذرية كربوت نانوي عندما يقوم بعمليات على مستوى النانومتر. وبصورة عامة يمنك اعتبار اي روبوت يتحم بالنانومتر كروبت نانو. وبصورة عامة تعد هذه التقنية إلى حد كبير في مرحلة البحث والتطوير ولكن تم اختبار بعض الآلات البدائية الجزيئية. ومثال على ذلك جهاز استشعار وجود بمقياس يقرب من 1.5 نانومتر، وهو قادر على فرز جزيئات محددة في عينة الكيميائية. ومن أحد ألتطبيقات المفيدة من هذه التقنية، إذا كان من الممكن بناؤها، استخدامها في التكنولوجيا الطبية، والتي قد تستخدم لتحديد وتدمير الخلايا السرطانية. تطبيق آخر محتمل هو الكشف عن المواد الكيميائية السامة، وقياس تركيزها، في البيئة. ومؤخرا، كشفت جامعة رايس سيارة الجزيء المفرد المتقدمة من خلال عملية كيميائية واستخدمت في ذلك كرة بوكي للعجلات. يتم دفعتها أو تحريكها عن طريق التحكم في درجة الحرارة المحيطة وبواسطة طرف مجس مجهر مسح نفقي.

القشرة النانوية
القشرة النانوية (بالإنجليزية: Nanoshell) هي نوع من الجسيمات النانوية كروية الشكل والتي تتألف من نواةٍ عازلةٍ مغطاةٍ بقشرةٍ معدنيةٍ رقيقةٍ(في الغالب تكون من ذهب) وتشتمل تلك القشرة النانوية على شبه جسيم (بالإنجليزية: quasiparticle)يطلق عليه بلازمون (بالإنجليزية: plasmon) والذي يعبر عن إثارة جماعية أو تذبذب البلازما الكمية (بالإنجليزية: quantum plasma oscillation )حيث تتذبذب الإلكترنات بصورةٍ تلقائيةٍ مع مراعاة كل الأيونات.
ومن الممكن أن نطلق على التذبذب التلقائي عملية تهجين البلازمون(بالإنجليزية: plasmon hybridization )حيث يصاحب ضبط التذبذب بخليطٍ من القشرة الداخلية والخارجية تتهجن لإنتاج طاقة أقل أو طاقة أعلى. وتتزاوج أو تتجمع تلك الطاقة الأقل بصورةٍ قويةٍ للضوء الساقط، في حين تعد الطاقة الأعلى غير قابلة أو مضادة للارتباط وتتجمع أو تُدمَج بصورةٍ ضعيفةٍ للضوء الساقط. كما يعد تفاعل الهجين أقوى مع طبقات القشرة الأرق، ومن ثم، تحدد سماكة القشرة وشعاع الجسيم الكلي أي طول موجي للضوء تندمج وتتزاوج معه.
هذا بالإضافة إلى أن القشور النانوية تتنوع وتختلف عبر نطاقٍ واسعٍ من الطيف الضوئي والذي يمتد عبر المناطق المرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء. ويؤثر تفاعل الضوء مع الجسيمات النانوية على مواضع الشحنات والتي تؤثر على تجميع القوة. وينتج الاستقطاب العمودي عن الضوء الساقط المستقطب بصورةٍ متوازيةٍ نحو الركيزة كما في الشكل (1b)، ومن ثم تكون الشحنات أبعد من سطح الركيزة التي تعطي تفاعلاً أقوى فيما بين القشرة والمحور. وإلا تتشكل عملية استقطاب متوازي والتي تسفر عن حدوث طاقة بلازمون منحرفة مسببةً تفاعلاً وتجمعاً أضعف.

التركيب
تتكون قشرة النانو من خلال عملية متعددة المراحل :
الحصول على جزيئات سيليكا نانوية داخل المحلول (غالباً حمض رباعي كلوروأوريكtetrachloroauric acid وعامل مختزل).
وتتكون مرحلة المحلول تلك من تجميع جسيمات الذهب النانوية من خلال الاختزال باستخدام حمض رباعي كلوروأوريك tetrachloroauric acid نتيجة استخدام عامل مختزل. وتوجد مجموعة مختلفة من العوامل المختزلة المستخدمة وكلها قد تؤثر بصورةٍ كبيرةٍ على تناسق الجسيم النانوي.
وصل بذرة غروانية صغيرة جداً على هذه الجسيمات النانوية العازلة ومنها (سيلنيد الزنك zinc selenide، الياقوت sapphire، والزجاج glass) مما ينتج القشرة الغير متواصلة.
نمو قشرة متصلة من خلال استخدام الاختزال الكيميائي للمعدن المتصل بالجسيمات النانوية العازلة للكهرباء.
ووإن تعذر الحصول على قشرة متناسقة، فإنها قد تؤثر بصورةٍ كبيرةٍ على الخصائص البصرية للقشرة النانوية. ومثال جيد على هذا يتمثل في البيضة النانوية nanoegg، هي عبارة عن قشرة نانوية معدنية والتي ليس لها سماكة منتظمة. وتسفر خاصية عدم الانتظام عن حدوث أصداء إضافية للبلازمون التهجيني hybridized Plasmon في الطيف مما يجعل من عملية الاقتران غير فعالة.
التطبيقات
نتيجة أن للقشرة النانوية خصائص وسمات بصرية وكيميائية مفضلة بصورةٍ كبيرةٍ، فإنها غالباً ما تستخدم في التصوير الطبي الحيويbiomedical imaging، التطبيقات العلاجية، تعزيزات الفلوريسين للبواعث الجزيئية الضعيفة، مطياف رامان السطحي المحسن، وكذلك في المطياف السطحي المسحنلامتصاص الأشعة تحت الحمراء.
علاج السرطان
يمكن الاستفادة من قشور الذهب النانوية في علاج الأورام السرطانية حيث تنغمس في الأورام من خلال استخدام البلعمة phagocytosis حيث تبتلع البالعات (خلايا تبتلع الأجسام الغريبة) phagocytes قشور النانو من خلال غشاء الخلية لتشكيل اليبلوع phagosome أو الخلية البالعة الكبيرة macrophage. وبعد هذه المرحلة تنغمس داخل الخلية وغالباً ما تستخدم الإنزيمات في عملية تمثيلها وإخراجها مرةً أخرى خارج الخلية. ولا يتم تمثيل هذه القشور النانوية ومن ثم لتصبح فعالة قهي في حاجة إلى أن تكون داخل خلايا الورم السرطانية ويستخدم "موت الخلية بالإشعاع الضوئي"photoinduced cell death في إزالة خلايا الورم. وقد تم توضيح هذا المخطط في شكل رقم 2.
شكل رقم (2) قشرة نانوية تؤخذ إلى داخل الورم.
كما تم توصيل العلاجات القائمة على الجسيمات النانوية إلى داخل الأورام بنجاح من خلال الاستفادة من القدرة النفاذية المحسنة enhanced permeability وبقاء الأثر retention effect، وهو يعبر عن خاصية تسمح للهياكل والأجسام النانوية المقياس ليتم سحبها إلأى أعلى داخل الأورام بدون مساعدة الأجسام المضادة.
إلا أن عملية توصيل قشور النانو إلى داخل تلك المناطق الهامة بالأورام قد يمثل صعوبةً بالغةً. حيث هنا تحاول معظم قشور النانو الاستفادة من التوظيف الطبيعي للورم للوحيدات monocytes في عملية التوصيل كما تم ملاحظته في الشكل السابق (شكل 2). ويطلق على هذا النظام في التوصيل "حصان طروادة".
وتعد تلك الطريقة ناجحة في علاج الأورام بسبب أن الأورام عبارة عن ¾ خلايا بالغة كبيرة وبمجرد دخول الخلايا الوحيدة monocytes إلى داخل الورم، فإنها تتميز بتحولها إلى خلايا بالغة ملتهمة أيضاً macrophages والتي ستكون في حاجةٍ حينئذٍ إلى الحفاظ على شحنة الجسيمات النانوية. وبعد وصول قشور النانو إلى مركز النخرية، فإن الإضاءة بالأشعة تحت الحمراء- القريبة تستخدم لتدمير الخلايا البالعة الكبيرة macrophages المصاحبة للورم.
وبما أنه من السهل ضبط قشور النانوو بصرياً لتصبح قادرة على امتصاص الضوء بالمنطقة القريبة أوالمجاورة تحت الحمراء، حيث يوجد امتصاص بصري منخفض المدى في النسيج، فإن عملية الاختراقٍ باستخدام الإشعاع وسيلة الأمثل في علاج الأنسجة الأعمق. كما أنه قبل التعرض لأية إضاءة، فإن القشرة النانوية تكون خاملة داخل الخلية. وغالباً ما تتم عملية الإضاءة باستخدام أشعة الليزر، وهذا الضوء يوجه إلى داخل القشرة النانوية ويتحول إلى حرارة والتي تزيد من درجة حرارة القشرة النانوية لما يزيد عن 30 درجة حرارة مئوية. وقد أثبتت عملية العلاج الاستئصالي الضوء حراري القائم على قشور النانو nanoshell-based photothermal ablation therapy نجاحاً في معالجة الفئران التي تعاني من تقليص متورم ذات معدلات أعلى من 90%.
التصوير الطبي الحيوي
وفرت تقنيات قشور النانو جودةٍ عاليةٍ في دقة الصورة بالإضافة إلى القدرة على التصوير الوظيفي الغير غازٍ للأنسجة noninvasive functional imaging of tissues بأسعارٍ زهيدةٍ. إلا أنه ولسوء الحظ، فإن التصوير الطبي ليس بمتقدمٍ جداً بسبب أنها (التقنيات) تعاني من ضعف الإشارات البصرية والاختلافات الطيفية الخفية بين الأنسجة السليمة والمريضة. في حين يوجد اهتمامٌ متزايدٌ بالتقنيات البصرية ذات العوامل المتناقضة الخارجية الجديدة، والتي صممت من أجل تحديد الدلائل الجزيئية الخاصة بالأورام السرطانية، وذلك بهدف تحسين حدود الاكتشاف والفعالية العلاجية للتصوير البصري.
الخصائص الكهروكيميائية المعززة
وتتحسن مؤشرات رامان السطحية المحسنة وعملية امتصاص الأشعة تحت الحمراء السطحية المسحنة كذلك بسبب مجموعةٍ سداسيةٍ محكمة الغلق وثنائية الأبعاد من قشور النانو a two dimensional hexagonal close-packed array of nanoshells ذات فجواتٍ نانويةٍ بين الجسيمات النانوية. وقد ساد المعتقد أن آلية التحسن المسيطرة هي كهرومغناطيسية، حيث توفر الركيزة التحسينات القوية، والمتمثلة في عملية الإشراق القصوى superradiance. وعملية الإشراق تلك هي مزاوجةٍ بين الأنظمة المتجاورة الرنانة والتي ينتج عنها تخميدٍ إشعاعيٍ محسنٍ enhanced radiative damping. ويسفر تأثير "قضيب البرق" عن التحسنات التي تحدث في المجال والتي تلاحظ مع منتصف صدى أو رنين الأشعة تحت الحمراء. ويحدث هذا التأثير عندما تصبح المعادن موصلاتٍ فعالةٍ ومن ثم تطلق حقلاً كهربائياً من داخل المعادن والتي تمثل القناة الموصلة للمجال الكهربائي إلى داخل الوصلة بين كل قشرة نانوية، مما يسفر عن إنتاج كثافاتٍ ميدانيةٍ هائلةٍ.

تاريخ تقانة الدنا الحيوية
كان أول من ابتكر فكرة تقانة الدنا الحيوية هو نادرين سيمان في أوائل الثمانينات من القرن العشرين.
حيث اهتم سيمان مبدئياً باستخدام ملقاط الدنا ثلاثي الأبعاد لتوجيه الجزيئات المستهدفة، والتي ستتحدد دراستها البلورية من خلال التخلص من العملية الصعبة الخاصة بالحصول على بلوراتٍ نقيةٍ. وأفادت التقارير أن تلك الفكرة كانت قد واتته في خريف 1980، بعد إدراكه التشابه فيما بين لوحة القطع الخشبي (ديبث) أو العمق لإيشر ومصفوفة تقاطعات الدنا سداسية الأذرع.
ولتحقيق تلك الغاية، نشر معمل سيمان في عام 1991 عملية تصنيع مكعبٍ مصنوعٍ من الدنا، والذي يعتبر أول كائنٍ نانوي المقياس ثلاثي الأبعاد، والذي على أثره حصل سيمان على جائزة فينمان في مجال القتانة النانوية (Foresight Nanotech Institute Feynman Prize)، والذي كان قد تبعه تصنيع مجسم الدنا الثماني المبتور (truncated octahedron). على الرغم من ذلك، فقد أصبح من الواضح لاحقاً أن هذه الجزيئات، الأشكال متعددة الأضلاع ذات التقاطعات المرنة كنقاطها الهندسية، لم تكن صلبةً بصورةٍ كافيةٍ لتشكيل الملاقيط ثلاثية الأبعاد الممتدة.
في حين طور سيمان حافز (بالإنجليزية: Structural motif) التقاطع المزدوج الصلب، بالإضافة إلى أنه، وبالتعاون مع إيريك وينفري (Erik Winfree)، نشر عام 1998 إنتاج الملاقيط ثنائية الأبعاد من البلاطات مزدوجة التقاطع (DX). حيث تتسم تلك الهياكل القائمة على استخدام البلاطات بأنها توفر القدرة على تطبيق وتنفيذ استخدام حوسبة الدنا، والتي أوضحها وينفري وبول روزاموند في عام 2004، والتي بفضلها اقتسما معاً جائزة فينمان للتقانة النانوية في عام 2006.
ومع مرور الزمن، يستمر مجال تقانة الدنا النانوية في التشعب أكثر وأكثر. فأول آلةٍ دنا نانويةٍ - الحافز الذي يغير بنيته استجابةً لمدخلٍ ما - ظهرت عام 1999. كما كان سيمان أول من اقترح مجال العمارة النانوية في عام 1987، والتي بدأت في الظهور عام 2006. هذا وكان روزاموند أول من استعرض أسلوب أوريغامي الدنا في عام 2006 لتسهيل إنتاج جزيئات الدنا المطوية الملتفة لأي شكل. أما في عام 2009، نشر سيمان تصنيع ملقاطٍ ثلاثي الأبعاد، بعد مرور ما يقرب من 30 عاماً من استعداده للقيام بذلك.

سلاسل الدنا التقليدية
المواد والطرق المستخدمة
تتوفر بالفعل سلاسل الدنا التقليدية عبر عملية تصنيع قليل النوكليوتيد (بالإنجليزية: oligonucleotide synthesis). حيث غالباً ما تدار تلك العملية بواسطة استخدام آلة تصنيع الدنا، كما أن الدنا التقليدي أصبح متاحاً للتبادل التجاري لدى العديد من البائعين.
كما أن سلاسل ضفائر الدنا الفردية والتي تنتج الهياكل المستهدفة يتم تصميمها حوسبياً. هذا وتُستَخْدَم النموجة الجزيئية (Molecular modeling) والنمذجة الحرارية الديناميكية في بعض الأحيان كذلك لتحسين سلاسل الحمض النووي إلأى أحسن الأوضاع المرغوبة.
وتتسم جزيئات الدنا التي تم إنتاجها بواسطة استخدام تقانة الدنا الجزيئية غلباً بسمة الفصل الكهربائي للهلام، والتي توفر معلوماتٍ حول حجم وشكل جزيئات الدنا، مما يشير إلى ما إذا كان قد تم إنتاجها بصورةٍ ملائمةٍ كما هو مرغوبٍ أم لا. وكذلك يمكن استخدام كلٍ من الوسم الفلوري (Fluorescent labeling) ونقل طاقة رنين فوستر (Förster resonance energy transfer) بهدف تشخيص بنية الجزيئات.
هذا ويمكن تصوير هياكل الدنا مباشرةً بواسطة استخدام مجهر الطاقة الذرية، والذي يقوم بتصوير الهياكل المتواجدة على سطحٍ مسطحٍ مستوٍ. ونلاحظ أن تلك الطريقة تناسب الهياكل ثنائية الأبعاد بصورةٍ جيدةٍ، إلا أنها أقل فائدةٍ في حالة الهياكل ثلاثية الأبعاد المتفردة. حيث يصبح المجهر الإلكتروني النافذ (Transmission electron microscopy) والمجهر الإلكتروني شديد التبريد (cryo-electron microscopy) سبلاً ضروريةً هنا. ويتم تحليل المشابك ثلاثية الأبعاد الممتدة بواسطة استخدام التصوير البللوري بالأشعة السينية (بالإنجليزية: X-ray crystallography). في حين يمكن دراسة حركية تجمع الدنا الذاتي بواسطة تقنيات وأساليب الوقت الحقيقي والتي منها مثلاً التداخل ثنائي الاستقطاب (بالإنجليزية: Dual polarization interferometry) وQCMD.

أجهزة الدنا النانوميكانيكية
Crystal Clear app kdict.png مقالة مفصلة: آلة الحمض النووي
تم إنتاج مركبات الدنا التي تغير واجهتها بناءً على بعض المثيرات. حيث يتمثل الغرض من تصنيعها في أن يكون لها تطبيقاتٍ في مجال روبوات النانو. حيث أُطلق على واحداً من أوائل تلك الأجهزة: "ملاقيط جزيئية"، والذي يقوم بالتغير من الوضع المفتوح إلى الوضع المغلق بناءً على وجود ضفائر التحكم.
كما تم تصنيع آلات الدنا لتظهر حركةً لفافةً ملتويةً. كما أن أحد تلك الأجهزة يستفيد كذلك من الانتقال بين أشكال B-DNA (بالإنجليزية: Nucleic acid double helix) وZ-DNA بهدف الاستجابة للتغير في شروط الصد. [26] في حين تعتمد إحداها الأخرى على وجود ضفائر ضبطٍ للتحول من تشكيل تقاطع محاذاةٍ (PX) (بالإنجليزية: Paranemic crossover) إلى تشكيل تقاطعٍ مزدوجٍ (JX2)


هياكل الحمض النووي النانوية الوظيفية
تركز تقانة الدنا النانوية على إنتاج جزيئاتٍ ذات وظيفيةٍ مصممةٍ وهياكلٍ كذلك. حيث تم استعراض وتوضيح العديد من تصنيفات الأنظمة الوظيفية.
عمارة نانوية
كان أول من اقترح فكرة استخدام مصفوفات الدنا لقولبة تجمع الجزيئات الوظيفية الأخرى هو نادرين سيمان في عام 1987، إلا أنه تم تحقيق التقدم مؤخراً فقط في تقليل أنواع تلك المشاريع للمارسة. ففي عام 2006، قام الباحثون بربط جسيمات الذهب النانوية (بالإنجليزية: Gold nanoparticle) تساهمياً بالبلاطة ثنائة التقاطع للدنا (بالإنجليزية: DX-based tile) وأظهروا أن التجمع الذاتي لهياكل الدنا قامت كذلك بتجميع الجزيئات النانوية التي تم إضافتها لهم. كما ظهر مشروع استضافة غير تساهمية في عام 2007، بواسطة استخدام متعددات أميد بيتر ديرفان (بالإنجليزية: Peter B. Dervan) على مصفوفة ثنائية التقاطع لترتيب بروتينات الاستريبتافيدين (بالإنجليزية: Streptavidin) على أنواعٍ خاصةٍ من البلاطات على مصفوفة الدنا. [21][22]
هذا في عام 2006، قام كلٌ من دوير ولابين باستعراض الأحرف "D" "N" و"A" المنتجة على مصفوفة 4x4 ثنائية التقاطع (دي إكس) بواسطة استخدام بروتين الاستريبتافيدين. [23] بينما تم استعراض في عام 2007 تجمعٍ هرميٍ قائمٍ على هذا المُدْخَل والذي يوضح المقاييس للمصفوفات الأكبر حجماً (8x8 و8.96 MD). [23]
كما ظهر اهتمام في استخدام تقانة الدنا النانوية لتجميع الأجهزة الإلكترونيات الجزيئية. ووصلاً لتلك الغاية، تم استخدام حمض الدنا النووي لتجميع الأنابيب النانوية الكربونينة أحادية الجدار ضمن مقاحل التأثير الحقلي.
التجمع الذاتي الحسابي
مثلث سيربنسكي.
مصفوفات الدنا التي تُظْهِرُ تقديماً لمثلث سيربنسكي على أسطحها. اضغط على الصورة لمزيدٍ من التفاصيل. مصدر الملف: روزموند وآخرون: 2004.
انظر أيضاً: حوسبة الدنا
تم تطبيق تقانة الدنا الجزيئية في المجال المرتبط بها الخاص بحوسبة الدنا. حيث أنه قد يكون للبلاطات الدنوية ثنائية التقاطع (دي إكس) تسلسلات نهاياتها اللزجة المختارة ومن ثم فهي تسلك على أنها بلاطات وانج (بالإنجليزية: Wang tiles)، مما يسمح لهم بأداء الحسابات. كما تم استعراض المصفوفة ثنائية التقاطع (دي إكس) والتي يرمز لتجمعها بعملية الفصل الحصري (بالإنجليزية: Exclusive or) أو (XOR)؛ مما يسمح لمصفوفة الدنا بتنفيذ الخلايا ذاتية السلوك والتي تولِّد كسيريات يُطلق عليها اسم مثلث سيربنسكي. وهذا يوضح أن الحساب يمكن دمجه ضمن تجمعٍ من مصفوفات الدنا، مما يزيد مجال فيما وراء المصفوفات المتكررة البسيطة.
ولنلاحظ أن حوسبة الدنا تتداخل مع، ولكن ليست منفصلة عن، تقانة الدنا النانوية. حيث تستخدم الثانية خصوصية زوج واتسون- كريك القاعدي لإنتاج هياكلٍ جديدةٍ من الدنا. ويمكن استخدام هذه الهياكل المنتجة في مجال حوسبة الدنا، إلاأنها ليست ملزمة ليتم استخدامها لهذا الغرض. هذا بالإضافة إلى أن حوسبة الدنا يمكن إجراؤها بدون استخدام أنماط الجزيئات المنتجة بواسطة استخدام تقانة الدنا النانوية.

الأنابيب النانوية
بالإضافة إلى الصفائح المسطحة، تم إنتاج الشبكات ثنائية التقاطع (دي إكس) لتشكيل أنابيبٍ نانويةٍ جوفاء يتراوح قطرها من 4 إلى 20 نانومتراً. وهنا نلاحظ أن أنابيب الدنا النانوية تلك شبيهةٌ إلى حدٍ ما في أحجامها بالأنابيب النانوية الكربونية، إلا أن الأنابيب النانوية الكربونية عبارةٌ عن موصلاتٍ أقوى وأفضل للحرارة، في حين أنابيب الدنا النانوية هي أكثر قابليةٍ للتعديل بسهولةٍ وارتباطاً بالهياكل الأخرى.

نموذج لرباعي أسطح الدنا كما تم وصفه في جودمان 2005.فكل حافةٍ من الشكل رباعي الأسطح هي عبارةٌ عن 20 زوجاً قاعدياً من الدنا الزوجي، وأن كل رأسٍ هي عبارة عن تقاطع ثلاثي الأذرع.
متعددة الأوجه
تم إنتاج عدداً من جزيئات الدنا ثلاثية الأبعاد والتي تتسم بالقدرة على الارتباط بمتعدد الأسطح والتي منها على سبيل المثال ثماني السطوح أو المكعب. وبصيغةٍ أخرى، فإن ثنائيات الدنا تتبع حواف متعددات الأسطح ذات تقاطع الدنا في كل رأسٍ له.
فقد تضمنت التوضيحات الأولى لمتعدد أسطح الدنا كلاً من روابط الدنا (بالإنجليزية: DNA ligase) المتعددة وخطوات تصنيع المرحلة الصلبة (بالإنجليزية: solid-phase synthesis) بهدف إنتاج متعدد السطوح. إلا أن الأعمال الحديثة أسفرت عن إنتاج متعدداً للأسطح والذي يتسم تصنيعه بالسهولة. وهذا يتضمن ثماني سطوح الدنا المصنوع من ضفيرةٍ فرديةٍ طويلةٍ مصممة لتنطوي داخل التعديل الصحيح، بالإضافة إلى رباعي السطوح الذي يمكن إنتاجه من أربعة ضفائرٍ للدنا في خطوةٍ واحدةٍ.
أشكال تعسفية
بالإضافة إلى ما سبق ذكره، تم تصنيع كذلك هياكل دنا ذات أوجهٍ صلدةٍ، بواسطة استخدام طريقة أوريغامي الدنا (بالإنجليزية: DNA origami). حيث يمكن برمجة مثل تلك الهياكل لتفتح وتُطْلِقُ حمولتها استجابةً لمثيرٍ أو تحفيزٍ معينٍ، مما يجعلها مفيدةً كأقفاصٍ جزيئيةٍ (بالإنجليزية: Molecular encapsulation) مبَرْمَجةٍ.
هياكل الحمض النووي النانوية الوظيفية

الشبكات المتكررة للدنا نانوي
مُساهمة  طارق فتحي في الأربعاء 7 يناير 2015 - 13:16

الشبكات المتكررة (Periodic lattices)
تجمع مصفوفة دي إكس. حيث يمثل كل قضيبٍ نطاقاً مزدوج الحلزون من الحمض النووي، وذلك مع الأشكال الممثلة للنهايات اللزجة (بالإنجليزية: sticky end) التكميلية. حيث سيتم دمج جزيء دي إكس في الأعلى ضمن مصفوفة دنا ثنائية الأبعاد والتي تظهر في الأسفل. حيث يُعَدُ ذلك مثالاً للاستراتيجية البلاطية لتصميم هياكل الدنا النانوية. مصدر الملف: ماو 2004.

على اليسار، نموذج لرقاقة الدنا المستخدمة لتشكيل شبكةٍ دوريةٍ ثنائية الأبعاد. أما الصورة على اليمين فتظهر لقطةً مصورةً لمجهر الطاقة الذرية للشبكة المجمعة. مصدر الملف: سترونج 2004.
لعل إحدى الطرق الأولى لإنتاج هياكل الدنا النانوية تمثلت في تصنيعها من الوحدات المنفصلة الأصغر حجماً. ولتلك الطريقة ميزة كونها قادرةً على فصل التفاعلات الأقوى إدراكياً والتي تشكل كل بنيةٍ من تجمع الهيكل الكامل الأكبر حجماً. حيث أنها غالباً ما تُستخدم لإنتاج الشبكات الدورية، إلا أنه يمكن استخدامها كذلك لتحقيق التجمع الذاتي الحسابي (بالإنجليزية: algorithmic self-assembly)، مما يجعلها رصيفاً واحداً لحوسبة الدنا.
هذا بالإضافة إلى أنه يمكن تزويد وتجهيز جزيئات دي إكس أو ثنائية التقاطع بالنهايات اللزجة (بالإنجليزية: sticky end) بهدف دمجها ضمن الشبكة الدورية ثنائية الأبعاد. وهنا يكون لكل جزيء دي إكس أربعة أطرافٍ، واحد في كل نهايةٍ من النطاقين الحلزونيين المزدوجين الإثنين، وأن هذه يمكن تزويدها بنهاياتٍ لزجةٍ والتي تبرمجها ليتم دمجها ضمن نموذجٍ معينٍ. وهنا نلاحظ وجود أكثر من نمطٍ واحدٍ للجزيئات ثنائية التقاطع (دي إكس) يمكن استخدامها والتي يمكن إنتاجها ليتم ترتيبها في صفوفٍ أو أي نموذج فسيفساءٍ آخرٍ. ومن ثم فهي تشكل صفائحاً مسطحةً ممتدةً والتي هي عبارةٌ عن بلوراتٍ دنويةٍ ثنائية الأبعاد بصورةٍ أساسيةٍ.
كما تم تشكيل المصفوفات ثنائية الأبعاد من المحفزات الأخرى كذلك، والتي منها مصفوفة تقاطع هوليداي معينة الأضلاع (بالإنجليزية: Holliday junction rhombus array)، وكذلك باقي المصفوفات ثنائية التقاطع (دي إكس) الأخرى العديدة والمتنوعة في أشكال المثلثات ومسدسات الأضلاع.
ونلاحظ أن إنتاج الشبكات ثلاثية الأبعاد المصنعة من (الدنا) كان أولى الأهداف الخاصة بتقانة الدنا الحيوية، إلا أنه أثبت أنه واحداً من أصعب الأهداف ليتم تحقيقه. إلا أنه أفادت التقارير عام 2009 أنه تم النجاح في محاولات إنتاج شبكات الدنا ثلاثية الأبعاد، من خلال استخدام محفز قائم على فكرة الانشدادية (بالإنجليزية: tensegrity)، المتمثلة في التوازن القائم بين قوى التوتر والضغط.

تصاميم تقانة النانو
التصميم
يجب أن يتم تصميم هياكل الدنا النانوية حتى يتسنى لها أن تتجمع في الهياكل المرغوبة. ويتضمن هذا كلاً من تصميم هياكل الحمض النووي الثانوية (بالإنجليزية: Nucleic acid secondary structure)، الخاص بتقرير وتحديد أي الأجزاء التي منها يجب أن يتم ربط جزيئات الحمض النووي ببعضها البعض، وكذلك هياكل الحمض النووي الأولية (بالإنجليزية: Nucleic acid primary structure)، والخاص بتحديد هوية كل قاعدةٍ مفردةٍ.
التصميم التركيبي
لعل أول خطوةٍ في تصميم هياكل الحمض النووي النانوية تتمثل في تحديد كيفية تمثيل هيكلٍ متاحٍ بواسطة ترتيبٍ محددٍ لضفائر الحمض النووي. ومن ثم فخطوة التصميم تلك تحدد التركيب الثانوي لمركب الحمض النووي الذي سيقوم لاحقاً بالتجمع ضمن الشكل المرغوب. وهنا نلاحظ وجود العديد من المداخل التي تم توضيحها والمتمثلة فيما يلي:
تقلص التماثل المتسلسل. حيث يركز غالبية التصميم في تقانة الدنا النانوية على تصميم سلاسل ومن ثم تكون البنية أو الهيكل المرغوب الوصول إليه هو عبارةٍ عن تدنٍ ديناميكيٍ حراريٍ، وتكون الهياكل التي أُسيء تجمعها ذات طاقاتٍ أعلى ومن ثم تكون غير مرغوبةٍ.
الهياكل الملفوفة. لعل أحد المداخل البديلة للمنهجية البلاطية يتمثل في أن هياكل الدنا ثنائية الأبعاد يمكن إنتاجها من خلال ضفيرةٍ طويلةٍ مفردةٍ من التسلسل الجبري الذي يتم طيه أو لفه في الشكل المرجو بواسطة استخدام ضفائرٍ "مشبكيةٍ" أقصرٍ طولاً. مما يسمح بعد ذلك بإنتاج أشكالٍ ثنائية الأبعاد نانوية المقياس من خلال استخدام حمض الدنا النووي. وتضمنت التصاميم الموضحة الوجه المبتسم (سميلي) وخريطة شمال أمريكا التضاريسية غير المستوية. فقد كانت أوريغامي الدنا (بالإنجليزية: DNA origami) قصة غلاف الدورية العلمية نتيتشر في عددها الصادر في 15 من مارس 2006 م.
التجمع الحركي. ظهر اهتمام مؤخراً صوب ضبط حركة التجمع الذاتي للدنا، ومن ثم يمكن برمجة الديناميات العابرة (بالإنجليزية: transient dynamics) ضمن هذا التجمع. ونلاحظ أن لتلك الطريقة ميزةً تتمثل في التقدم بشكلٍ متساو الحرارة ومن ثم لا تتطلب خطوة التخمير (بالإنجليزية: Annealing (biology)) الحراري المطلوب في الطرق الديناميكية الحرارية الفردية.

التصميم المتسلسل
بعد استخدام وتطبيق أيٍ من الأساليب آنفة الذكر لتصميم الهياكل الثانوية للجزيء المستهدف، يجب تقسيم تسلسلٍ فعليٍ من النوكليوتيدات والتي ستتشكل في الهيكل المرغوب. وهنا يمثل تصميم الحمض النووي عملية إنتاج مجموعةٍ من سلاسل الأحماض النووية القاعدية والتي سترتبط ضمن تعديلٍ مرغوبٍ (انظر، على سبيل المثال، تركيب الحمض النووي (بالإنجليزية: Nucleic acid structure)). مما يجعل من تصميم الحمض النووي مركزياً في مجال تاقنة الدنا النانوية.
لتصميم الحمض النووي أهدافاً مثيلةً بتصميم البروتين (بالإنجليزية: Protein design): ففي كليهما، يتم تصميم تسلسل المونومرات لصالح الهيكل المترابط أو المطوي الملفوف ولغير صالح الهياكل البديلة. وهنا نلاحظ أن لتصميم الحمض النووي ميزة كونه يمثل مشكلةً أبسط حسابياً، وذلك بسبب أن بساطة قواعد زوج واتسون كريك القاعدي تؤدي إلى سبلٍ حدسيةٍ بسيطةٍ والتي تسفر عن تصاميمٍ قويةٍ تجريبياً. على الرغم من ذلك، فإن هياكل الحمض النووي أقل تنوعاً من البروتينات في وظيفيتها.

التقنية النانوية للحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين
تمثل تقانة الدنا النانوية أحد فروع تقانة الصغائر التي تعتمد على مجموعة سمات التعرف الجزيئي (بالإنجليزية: molecular recognition) للحمض النووي (دنا) بالإضافة إلى باقي الأحماض النووية بهدف تصنيع هياكلٍ اصطناعيةٍ مصممةٍ من الدنا ليتم استخدامها بعد ذلك في الأغراض التقنية المختلفة. مما يدعونا إلى معرفة أن الدنا يُستَخْدَمُ هنا كمادةٍ بنائيةٍ بدلاً من كونه مجرد حاملٍ وناقلٍ للمعلومات الوراثية، مما يجعل ذلك العلم أحد أمثلة علم الاحياء النانوي. ولتقانة الدنا الحيوية تطبيقاتٍ عدةٍ في مجال التجميع الذاتي الجزيئي وحوسبة الدنا.
فعلى الرغم من أن الدنا غالباً ما يُعتبر ناقل وحامل المعلومات الوراثية في الخلايا الحية في إطار علم الأحياء الجزيئي، فإن تقانة الدنا الجزيئية تهتم بالدنا فردياً كمادةٍ وكمركبٍ كيميائيٍ، وغالباً ما تتبعه خارج أي إطارٍ حيويٍ. ومن ثم، فتقانة الدنا الجزيئية تستفيد من حقيقة أنه بسبب خصوصية زوج واتسون كريك القاعدي، فإن أجزاءً وقطعاً فقط من ضفائر الدنا، والتي تُعَدُ تكميليةً لكلٍ منها الآخر، سترتبط بكلٍ منها الأخرى بهدف تشكيل حلزون الدنا المزدوج (بالإنجليزية: Nucleic acid double helix). هذا ويحاول علم تقانة الدنا النانوي تصميم نسبياً (بالإنجليزية: Nucleic acid design) ضفائر الدنا ومن ثم فالقطع المرغوبة فقط من كل ضفيرةٍ ستتجمع في الأماكن الصحيحة لتكوين هيكلاً مستهدفاً مرغوباً.
هذا ويبد أن هذا المجال يُطلق عليه اسم (تقانة الدنا النانوية)، إلا أن مبادئه تنطبق كذلك وبصورةٍ متكافئةٍ على الأحماض النووية الأخرى والتي منها الحمض الريبي النووي وحمض الببتيد النووي (بالإنجليزية: Peptide Nucleic Acid)، هذا بالإضافة إلى أنه تم إنتاج هياكلٍ وبناياتٍ تدمجهم معاً. مما دعى إلى الإشارة إلى هذا المجال على أنه تقانة الحمض النووي النانوية جراء ذلك السبب.