המדחום הזעיר ביותר בעולם

גם המדחומים הזעירים ביותר אינם זעירים מספיק כדי למדוד את הטמפרטורה בתוך תא חי למשל. אם היה לנו ננו-מדחום, קטן פי 20 אלף מעוביה של שערה, הוא היה יכול להתריע מפני התחממות של תאים יחידים במהלך ניתוח מסוכן. היה אפשר לשלב אותו במנגנון לשחרור תרופות במקום מדויק בגוף, על פי שינוי טמפרטורה, או להשתמש בו ככלי רב עוצמה למחקר ביולוגי. מדחום כה זעיר יכול להשתלב גם ברכיבים אלקטרוניים וננו-אלקטרוניים, ולעקוב אחר שינויי טמפרטורה שעלולים להעיד על תקלות. שימושים אלה ורבים אחרים אולי יתאפשרו בקרוב, בעזרת מולקלות DNA הבנויות למדידת טמפרטורה.

DNA הוא שרשרת ארוכה של בסיסים כימיים.מדובר למעשה בשני חוטים (גדילים) ארוכים של בסיסים, המלופפים זה סביב זה במבנה המוכר של הסליל הכפול. מה שמחזיק את המבנה הוא הקשרים הכימיים בין כל זוג בסיסים על שני הגדילים, כמעין רוכסן שבו כל זוג שיניים נדבקות זו לזו. כשה-DNA מתחמם מעל לטמפרטורה מסוימת הגדילים נפרדים זה מזה. איזו טמפרטורה? זה כבר תלוי באורך הגדילים וברצף המדויק של הבסיסים המרכיבים אותם.

אצל חיידקים, מולקולות RNA, שהמבנה שלהן דומה מאוד ל-DNA, משמשות כגלאי טמפרטורה. גדיל יחיד של RNA מתקפל כך שהבסיסים בחלקו העליון נקשרים לבסיסים בחלקו התחתון. המבנה הזה נשאר יציב בטמפרטורות נמוכות, אך בטמפרטורות גבוהות הוא נפתח ומסמן לחיידק שהחום עלה. בשנים האחרונות ניסו חוקרים מכמה מעבדות לשחזר את המבנה הזה בעזרת DNA, שהיא מולקולה יציבה יותר, כדי לפתח מדחום מולקולרי זעיר.

הם בנו גדיל DNA המסוגל להיקשר לעצמו באופן דומה ל-RNA של החיידק, וחיברו לאחד מקצותיו מולקולה פלואורוסצנטית, הפולטת אור כשמאירים עליה באורך גל מסוים. לקצה השני של הגדיל נקשרה מולקולה אחרת – מכבה (quencher), שמונעת מהמולקולה הפלואורוסצנטית לפעול כשהיא נמצאת ממש לידה. כאשר ה-DNA מקופל, שני הקצוות קרובים זה לזה, ולכן המולקולה הפלואורוסצנטית נמצאת ליד המכבה ואינה מפיצה אור. כשהטמפרטורה עולה, הגדיל נפתח, שני הקצוות מתרחקים והמולקולה הפלואורוסצנטית חוזרת לפלוט אור. אם משתמשים בגלאים רבים כאלה, ככל שהטמפרטורה עולה יותר גדילים נפתחים ויותר אור נפלט מהדגימה. לפי עוצמת האור אפשר לחשב את הטמפרטורה שבה ה"מדחום" נמצא. 

במאמר שפורסם בכתב העת  Nano Letters, דייויד גרו (Gareau) ועמיתיו מאוניברסיטת מונטריאול בקנדה דיווחו על שיטות חדשות שהופכות את המדחומים האלו יעילים מתמיד, ואולי יסללו את הדרך לייצור תעשייתי שלהם. החוקרים פיתחו "מייצבים" – גדילי DNA שמסוגלים להיצמד לגלאי-טמפרטורה ולשנות את הטמפרטורה שבה הם נפתחים.

הוספה של מייצבים באורכים שונים מאפשרת ליצור במהירות ובעלות נמוכה יחסית, "מדחום" שפועל בטווח טמפרטורות נרחב של כ-50 מעלות צלזיוס. כך הוא יכול למדוד במדויק את הטמפרטורה שבין  20 ל-70 מעלות, למשל. מתחת ל-20 מעלות שום גלאי אינו פועל, ומעל 70 כולם פולטים אור. אלמלא המייצבים היו הגלאים מסוגלים למדוד טמפרטורה מדויקת בטווח של כ-15 מעלות צלזיוס.

בנוסף יצרו החוקרים גלאים מתוחכמים יותר, הבנויים משלושה או ארבעה גדילים ונפתחים בהדרגה. כך הם יכלו לסמן, על סמך שינויים בעוצמת האור, עלייה או ירידה מזערית בטמפרטורה – עד לדיוק של 0.05 מעלות צלזיוס. הרגישות המרבית של הגלאים הקודמים היתה בסדר גודל של מעלה או שתיים.

בשילוב של שתי השיטות יצרו גרו ועמיתיו מדחום יעיל שפועל בדיוק רב ובטווח רחב של טמפרטורות. השימושים האפשריים שלו, כאמור, רבים ומגוונים. החוקרים מקווים לשלב בקרוב את המדחום במכשירים אלקטרוניים, כדי לבקר את הטמפרטורה של רכיבים בזמן פעילותם – וזו תהיה רק ההתחלה. ה"מדחום", שהחל כחיקוי של גלאי טמפרטורה חיידקי, עשוי בעתיד למצוא את דרכו ליישומים בתחומי המחשוב, הרפואה, המחקר הביולוגי ועוד.