تصميم الأحماض النووية

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
يمكن استخدام تصميم الأحماض النووية لإنشاء مركبات من الأحماض النووية ذات بنى ثانوية معقدة، مثل هذا الوصل رباعي الأذرع. تتحد هذه الخيوط الأربعة لتكوين هذه البنية لأنها تزيد من عدد أزواج القواعد الصحيحة ، حيث تتطابق قواعد الأدينين (A ) مع قواعد الثايمين (T ) وقواعد السيتوزين (C ) مع قواعد الجوانين (G ). الصورة من ماو، 2004. [ 1 ]

تصميم الأحماض النووية هو عملية توليد مجموعة من تسلسلات قواعد الأحماض النووية التي تتحد لتكوين بنية مرغوبة. يُعدّ تصميم الأحماض النووية أساسيًا في مجالي تقنية النانو الحمضية النووية والحوسبة الحمضية النووية . [ 2 ] وهو ضروري لوجود العديد من التسلسلات المحتملة لسلاسل الأحماض النووية التي يمكن أن تتخذ بنية ثانوية معينة ، ولكن العديد من هذه التسلسلات قد تحتوي على تفاعلات إضافية غير مرغوب فيها يجب تجنبها. بالإضافة إلى ذلك، هناك العديد من اعتبارات البنية الثلاثية التي تؤثر على اختيار البنية الثانوية لتصميم معين. [ 3 ] [ 4 ]

يتشابه تصميم الأحماض النووية مع تصميم البروتينات في أهدافهما : ففي كليهما، يُصمَّم تسلسل المونومرات بشكل منطقي لتفضيل البنية المطوية أو المرتبطة المطلوبة، واستبعاد البنى البديلة. إلا أن تصميم الأحماض النووية يتميز ببساطته الحسابية، إذ أن بساطة قواعد اقتران قواعد واتسون-كريك تُتيح استخدام أساليب استدلالية بسيطة تُنتج تصاميم قوية تجريبياً. تتطلب النماذج الحسابية لطي البروتينات معلومات عن البنية الثلاثية ، بينما يُمكن لتصميم الأحماض النووية العمل بشكل أساسي على مستوى البنية الثانوية . مع ذلك، فإن بنى الأحماض النووية أقل تنوعاً من البروتينات في وظائفها. [ 2 ] [ 5 ]

يمكن اعتبار تصميم الأحماض النووية عكس عملية التنبؤ ببنية الأحماض النووية . ففي التنبؤ بالبنية، تُحدد البنية من تسلسل معروف، بينما في تصميم الأحماض النووية، يُولّد تسلسل يُشكّل البنية المطلوبة. [ 2 ]

المفاهيم الأساسية

التركيب الكيميائي للحمض النووي DNA. تتشكل الحلزونات المزدوجة للحمض النووي فقط بين سلسلتين من التسلسلات المتكاملة ، حيث تتطابق القواعد في أزواج AT أو GC فقط.

يتكون تركيب الأحماض النووية من سلسلة من النيوكليوتيدات . توجد أربعة أنواع من النيوكليوتيدات، يتم تمييزها بناءً على القواعد النيتروجينية الأربعة التي تحتويها: في الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA)، وهي الأدينين (A)، والسيتوزين (C)، والجوانين (G)، والثايمين (T). تتميز الأحماض النووية بخاصية ارتباط جزيئين معًا لتكوين حلزون مزدوج فقط إذا كانت سلسلتاهما متكاملتين ، أي إذا كانتا قادرتين على تكوين سلاسل متطابقة من أزواج القواعد . وبالتالي، في الأحماض النووية، تحدد السلسلة نمط الارتباط، ومن ثم التركيب العام. [ 5 ]

تصميم الأحماض النووية هو العملية التي يتم من خلالها، بناءً على بنية أو وظيفة مستهدفة مرغوبة، توليد تسلسلات لسلاسل الأحماض النووية التي ستتجمع ذاتيًا لتكوين تلك البنية المستهدفة. يشمل تصميم الأحماض النووية جميع مستويات بنية الأحماض النووية .

يُعدّ ضمان أن يكون للبنية المستهدفة أدنى طاقة حرة (أي أن تكون الأكثر استقرارًا من الناحية الديناميكية الحرارية ) أحد أهمّ التحديات في تصميم الأحماض النووية، بينما تتميز البنى المشوهة بقيم طاقة حرة أعلى، وبالتالي فهي غير مرغوبة. [ 2 ] ويمكن تحقيق هذه الأهداف باستخدام عدد من المناهج، بما في ذلك المناهج الاستدلالية والديناميكية الحرارية والهندسية. وتُستخدم الحواسيب في جميع مهام تصميم الأحماض النووية تقريبًا، ويتوفر عدد من حزم البرامج للعديد من هذه المهام.

من الاعتبارات المهمة في تصميم الأحماض النووية أن تكون درجات انصهار التهجينات المرغوبة ضمن نطاق ضيق، وأن تكون درجات انصهار أي تفاعلات غير مرغوبة منخفضة جدًا (أي ضعيفة للغاية). [ 5 ] كما يوجد تباين بين "التصميم الإيجابي" الذي يركز على تحسين الألفة، ويسعى إلى تقليل طاقة البنية المرغوبة بشكل مطلق، و"التصميم السلبي" الذي يركز على تحسين الخصوصية، ويأخذ في الاعتبار طاقة البنية المستهدفة مقارنةً بطاقة البنى غير المرغوبة. وتميل الخوارزميات التي تُطبّق كلا النوعين من التصميم إلى الأداء بشكل أفضل من تلك التي تُطبّق نوعًا واحدًا فقط. [ 2 ]

الأساليب

الأساليب الاستدلالية

تستخدم الطرق الاستدلالية معايير بسيطة يمكن تقييمها بسرعة للحكم على مدى ملاءمة التسلسلات المختلفة لبنية ثانوية معينة. وتتميز هذه الطرق بأنها أقل تكلفة حسابية بكثير من خوارزميات تقليل الطاقة اللازمة للنمذجة الديناميكية الحرارية أو الهندسية، كما أنها أسهل في التطبيق، ولكن على حساب كونها أقل دقة من هذه النماذج.

يُعدّ تقليل تناظر التسلسل أقدم منهج لتصميم الأحماض النووية، وقد استُخدم لأول مرة لتصميم نسخ ثابتة من تراكيب الحمض النووي المتفرعة. يقسم تقليل تناظر التسلسل تسلسل الحمض النووي إلى تسلسلات فرعية متداخلة ذات طول ثابت، يُسمى طول المعيار. يُسمح لكل تسلسل فرعي من التسلسلات الفرعية الأربعة الممكنة (عددها N) بطول N بالظهور مرة واحدة فقط في التسلسل. يضمن هذا عدم حدوث أي تهجينات غير مرغوب فيها يزيد طولها عن طول المعيار أو يساويه. [ 2 ] [ 3 ]

يتمثل أحد الأساليب الاستدلالية ذات الصلة في النظر إلى "مسافة عدم التطابق"، أي عدد المواضع في إطار معين حيث لا تكون القواعد متكاملة . كلما زادت مسافة عدم التطابق، قلّ احتمال حدوث تفاعل زائف قوي. [ 5 ] يرتبط هذا بمفهوم مسافة هامينغ في نظرية المعلومات . وهناك نهج آخر ذو صلة، ولكنه أكثر تعقيدًا، يتمثل في استخدام أساليب من نظرية الترميز لبناء تسلسلات الأحماض النووية ذات الخصائص المطلوبة.

النماذج الديناميكية الحرارية

يمكن استخدام المعلومات المتعلقة بالبنية الثانوية لمركب الحمض النووي إلى جانب تسلسله للتنبؤ بالخصائص الديناميكية الحرارية للمركب.

عند استخدام النماذج الديناميكية الحرارية في تصميم الأحماض النووية، يُراعى عادةً أمران: أولهما أن تكون درجات انصهار التهجينات المرغوبة ضمن نطاق ضيق، وثانيهما أن تكون درجات انصهار التفاعلات غير المرغوبة منخفضة جدًا (أي ضعيفة للغاية). يمكن التنبؤ بطاقة غيبس الحرة لجزيء حمض نووي مزدوج متطابق تمامًا باستخدام نموذج الجوار الأقرب . يأخذ هذا النموذج في الاعتبار فقط التفاعلات بين النيوكليوتيد وجيرانه الأقرب على سلسلة الحمض النووي، وذلك بجمع الطاقة الحرة لكل وحدة فرعية متداخلة من نيوكليوتيدين في الجزيء المزدوج. ثم يُصحح هذا المجموع ليشمل المونومرات ذاتية التكملة ومحتوى GC . بمجرد معرفة الطاقة الحرة، يمكن تحديد درجة انصهار الجزيء المزدوج. كما يمكن استخدام محتوى GC وحده لتقدير الطاقة الحرة ودرجة انصهار جزيء الحمض النووي المزدوج. هذه الطريقة أقل دقة، ولكنها أقل تكلفة حسابية بكثير. [ 5 ]

تتضمن البرامج المستخدمة في النمذجة الديناميكية الحرارية للأحماض النووية Nupack ، [ 6 ] [ 7 ] و mfold/UNAFold ، [ 8 ] و Vienna . [ 9 ]

يستخدم نهج ذو صلة، وهو التنبؤ العكسي بالبنية الثانوية، البحث المحلي العشوائي الذي يحسن تسلسل الحمض النووي عن طريق تشغيل خوارزمية التنبؤ بالبنية وتعديل التسلسل لإزالة السمات غير المرغوب فيها. [ 5 ]

النماذج الهندسية

نموذج هندسي لرباعي الأوجه DNA موصوف في Goodman، 2005. [ 10 ] نماذج من هذا النوع مفيدة لضمان عدم تسبب قيود البنية الثلاثية في إجهاد مفرط للجزيء.

تُستخدم النماذج الهندسية للأحماض النووية للتنبؤ بالبنية الثلاثية . وهذا أمرٌ بالغ الأهمية لأن مُركّبات الأحماض النووية المُصممة عادةً ما تحتوي على نقاط اتصال متعددة، مما يُفرض قيودًا هندسية على النظام. تنبع هذه القيود من البنية الأساسية للأحماض النووية ، وتحديدًا من أن اللولب المزدوج المُشكّل من ثنائيات الأحماض النووية له حلزونية ثابتة تبلغ حوالي 10.4 أزواج قاعدية لكل دورة، وهو صلب نسبيًا . وبسبب هذه القيود، تتأثر مُركّبات الأحماض النووية بالاتجاه النسبي للأخاديد الرئيسية والثانوية عند نقاط الاتصال. يُمكن للنمذجة الهندسية الكشف عن الإجهاد الناتج عن عدم المحاذاة في البنية، والذي يُمكن للمصمم تصحيحه لاحقًا. [ 4 ] [ 11 ]

تستخدم النماذج الهندسية للأحماض النووية في تقنية النانو الحمض النووي (DNA) عادةً تمثيلات مُبسطة للحمض النووي، لأن محاكاة كل ذرة ستكون مكلفة حسابيًا للغاية بالنسبة لهذه الأنظمة الكبيرة. وقد أشارت التقارير إلى أن النماذج التي تحتوي على ثلاث ذرات افتراضية لكل زوج قاعدي، تُمثل سكريات العمود الفقري ومحور الحلزون، تتمتع بمستوى كافٍ من التفصيل للتنبؤ بالنتائج التجريبية. [ 11 ] ومع ذلك، تُستخدم أيضًا نماذج تحتوي على خمس ذرات افتراضية لكل زوج قاعدي، تتضمن صراحةً فوسفاتات العمود الفقري. [ 12 ]

تتضمن برامج النمذجة الهندسية للأحماض النووية GIDEON [ 11 ] ، وTiamat [ 13 ] ، و Nanoengineer-1 ، و UNIQUIMER 3D [ 14 ] . وتكتسب الاعتبارات الهندسية أهمية خاصة في تصميم أوريغامي الحمض النووي ، لأن التسلسل مُحدد مسبقًا باختيار سلسلة السقالة. وقد طُوّرت برامج خاصة لتصميم أوريغامي الحمض النووي، منها caDNAno [ 15 ] و SARSE [ 16 ] .

التطبيقات

يُستخدم تصميم الأحماض النووية في تقنية النانو الحمض النووي لتصميم خيوط تتجمع ذاتيًا لتكوين بنية مستهدفة محددة. ومن الأمثلة على ذلك آلات الحمض النووي ، والشبكات الدورية ثنائية وثلاثية الأبعاد، والمجسمات متعددة الأوجه، وتقنية طي الحمض النووي . [ 2 ] كما يُمكن استخدامه لإنشاء مجموعات من خيوط الأحماض النووية "المتعامدة"، أي غير المتفاعلة مع بعضها البعض، وذلك لتقليل التفاعلات غير المرغوب فيها أو إزالتها تمامًا. يُعد هذا مفيدًا في الحوسبة القائمة على الحمض النووي ، وكذلك في تطبيقات الترميز الجزيئي في علم الأحياء الكيميائي والتكنولوجيا الحيوية . [ 5 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ماو، تشنغده (ديسمبر 2004). "ظهور التعقيد: دروس من الحمض النووي" . مجلة PLOS Biology . 2 (12): 2036-2038 . doi : 10.1371/journal.pbio.0020431 . ISSN 1544-9173 . PMC 535573. PMID 15597116 .   
  2. 1 2 3 4 5 6 7 ديركس، روبرت م.؛ لين، ميلو؛ وينفري، إريك؛ بيرس، نايلز أ. (2004). "نماذج لتصميم الأحماض النووية الحاسوبي" . مجلة أبحاث الأحماض النووية . 32 (4): 1392-1403 . doi : 10.1093 / nar/gkh291 . PMC 390280. PMID 14990744 .  
  3. 1 2 سيمان، ن. (1982). "وصلات وشبكات الأحماض النووية". مجلة البيولوجيا النظرية . 99 (2): 237-247 . Bibcode : 1982JThBi..99..237S . doi : 10.1016/0022-5193(82)90002-9 . PMID 6188926 . 
  4. 1 2 شيرمان، دبليو؛ سيمان، إن (2006). "تصميم أنابيب نانوية من الأحماض النووية ذات إجهاد منخفض" . مجلة الفيزياء الحيوية . 90 (12): 4546-57 . Bibcode : 2006BpJ....90.4546S . doi : 10.1529 / biophysj.105.080390 . PMC 1471877. PMID 16581842 .  
  5. 1 2 3 4 5 6 7 برينمان، أروين؛ كوندون، آن (2002). "تصميم الخيوط للحوسبة الجزيئية الحيوية" . علوم الحاسوب النظرية . 287 : 39-58 . doi : 10.1016/S0304-3975(02)00135-4 .
  6. ↑ ديركس، روبرت م.؛ بويس، جاستن س.؛ شيفر، جوزيف م.؛ وينفري، إريك؛ بيرس، نايلز أ. (2007). "التحليل الديناميكي الحراري لخيوط الأحماض النووية المتفاعلة". مجلة SIAM Review . 49 (1): 65-88 . Bibcode : 2007SIAMR..49...65D . CiteSeerX 10.1.1.523.4764 . doi : 10.1137/060651100 . 
  7. ↑ زاده، جوزيف ن.؛ وولف، برايان ر.؛ بيرس، نايلز أ. (2011). "تصميم تسلسل الأحماض النووية من خلال تحسين عيوب المجموعة بكفاءة" ( ملف PDF) . مجلة الكيمياء الحاسوبية . 32 (3): 439-452 . doi : 10.1002/jcc.21633 . PMID 20717905. S2CID 1803200 .  
  8. ↑ زوكر، م . (2003). "خادم ويب Mfold للتنبؤ بطي الأحماض النووية وتهجينها" . أبحاث الأحماض النووية . 31 (13): 3406-15 . doi : 10.1093/nar/gkg595 . PMC 169194. PMID 12824337 .  
  9. ↑ Gruber AR, Lorenz R, Bernhart SH, Neuböck R, Hofacker IL (2008). "مجموعة برامج فيينا RNA على الويب" . مجلة أبحاث الأحماض النووية . 36 (عدد خوادم الويب): W70–4. doi : 10.1093/nar/gkn188 . PMC 2447809. PMID 18424795 .  
  10. ↑ غودمان، آر بي؛ شاب، آي إيه تي؛ تاردين، سي إف؛ إربن، سي إم؛ بيري، آر إم؛ شميدت، سي إف؛ توربرفيلد، إيه جيه (9 ديسمبر 2005). "التجميع الكيرالي السريع لوحدات بناء الحمض النووي الصلبة لتصنيع النانو الجزيئي". مجلة ساينس . 310 (5754): 1661-1665 . رمز Bibcode : 2005Sci...310.1661G . doi : 10.1126/science.1120367 . ISSN 0036-8075 . PMID 16339440. S2CID 13678773 .   
  11. 1 2 3 بيراك، جيفري جيه؛ شيرمان، ويليام بي؛ كوباتش، ينس؛ كونستانتينو، باميلا إي؛ سيمان، نادريان سي. (2006). " الهندسة المعمارية باستخدام GIDEON، برنامج للتصميم في تقنية النانو الهيكلية للحمض النووي" . مجلة الرسومات الجزيئية والنمذجة . 25 (4): 470-480 . doi : 10.1016/j.jmgm.2006.03.005 . PMC 3465968. PMID 16630733 .  
  12. ↑ "وصف نموذجي PAM3 و PAM5" . ويكي توثيق Nanoengineer-1 . Nanorex . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 أبريل 2010 .
  13. ↑ ويليامز، شون؛ لوند، كايل؛ لين، تشينشيانغ؛ وونكا، بيتر؛ ليندسي، ستيوارت؛ يان، هاو (2009). "تيامات: أداة تحرير ثلاثية الأبعاد لهياكل الحمض النووي المعقدة". الحوسبة في الحمض النووي . سلسلة محاضرات في علوم الحاسوب. المجلد 5347. سبرينغر برلين / هايدلبرغ. الصفحات 90-101 . doi : 10.1007/978-3-642-03076-5_8 . ISBN   978-3-642-03075-8ISSN 0302-9743​​ 
  14. ↑ تشو، ج.؛ وي، ب.؛ يوان، ي.؛ مي، ي. (2009). "UNIQUIMER 3D، نظام برمجي لتصميم وتحليل وتقييم تقنية النانو الحمض النووي الهيكلية" . أبحاث الأحماض النووية . 37 (7): 2164-2175 . doi : 10.1093/nar/gkp005 . PMC 2673411. PMID 19228709 .  
  15. ↑ دوغلاس، إس إم؛ ماربلستون، إيه إتش؛ تييرابيتايانون، إس؛ فازكيز، إيه؛ تشيرش، جي إم؛ شيه، دبليو إم (2009). "النمذجة السريعة لأشكال أوريغامي الحمض النووي ثلاثية الأبعاد باستخدام caDNAno" . مجلة أبحاث الأحماض النووية . 37 (15): 5001-5006 . doi : 10.1093/nar/ gkp436 . PMC 2731887. PMID 19531737 .  
  16. ^ أندرسن ، إبي س. دونغ، مينغدونغ؛ نيلسن، مورتن م.؛ جان، كاسبر؛ ليند تومسن، آلان. ممدوح، وائل؛ جوتهلف، كورت V؛ بيسنباخر، فليمنج؛ كيمز، يورغن (2008). “تصميم أوريغامي الحمض النووي لهياكل على شكل دولفين ذات ذيول مرنة”. ايه سي اس نانو . 2 (6): 1213– 8. دوى : 10.1021 / nn800215j . بميد 19206339 . 

للمزيد من القراءة