خودترکیبی شیمیایی را تا کجا می توان ادامه داد؟
همانطور که امروزه دانشمندان علوم فیزیک تمرکزشان را روی کشف رازهای طبیعت گذاشته اند، شیمیدانان هم سرگرم ساخت مواد هستند. چیزی به نام اخترشناسی مصنوعی یا فیزیک مصنوعی وجود ندارد، حداقل تاکنون که وجود نداشته است. اما شیمیدانان می کوشند راه های جدید و خلاقانه ای برای گرد هم آوردن مولکول ها بیابند. طی صد سال اخیر شیمیدانان این کار را عمدتاً با تشکیل یا شکستن پیوندهای کووالانسی قوی انجام می دهند. پیوندهای کووالانسی وقتی تشکیل می شود که اتم ها الکترون های خود را به اشتراک بگذارند.
شیمیدانان با استفاده از چنین ترفندهایی توانسته اند، تعداد زیادی اتم، مثلاً هزار اتم را با یکدیگر ترکیب کنند و صورت بندی های مولکولی مورد نظر خود را بسازند. هرچند که انجام چنین کارهایی دشوار به نظر می رسد، اما این سطح از پیچیدگی در مقایسه با آنچه طبیعت برای ما به رخ می کشد، رنگ می بازد. هرچیزی، از سلول گرفته تا درخت سدر، از پیوندهایی تشکیل می شوند که خود با استفاده از هزاران اتصال ضعیف تر بین مولکول های کوچک به وجود می آید. چنین برهم کنش های ضعیفی، همانند پیوند هیدروژنی، نیروهای واندروالس و بر هم کنش های پی-پی بر ساخت هر چیزی از DNA در شکل مارپیچ دوگانه مشهور گرفته تا پیوندهای موجود در مولکول های H2O آب مایع حاکم است.
چنین نیروهای ضعیفی بیش از آنکه مولکول ها را به هم ارتباط دهند خودترکیبی ساختار را امکان پذیر می سازند تا سلسله مراتب پیچیده ای به وجود آید. لیپید ها دور هم جمع می شوند تا غشاء سلول را به وجود آورند. سلول ها سازماندهی می شوند تا بافت ها را به وجود آورند. بافت ها با هم متحد می شوند تا اندام را به وجود آورند. امروزه شیمیدانان نمی توانند همان پیچیدگی هایی را به وجود آورند که طبیعت به طور معمول به وجود می آورد. آیا شیمیدانان هیچ گاه خواهند توانست ساختار های پیچیده ای را به وجود آورند که خود ترکیب باشد. خوشبختانه شیمیدانان کار را شروع کرده اند. طی سه دهه گذشته مفاهیم پایه برای قواعد پیوند های غیر کووالانسی را آموخته اند. ازجمله این قواعد می توان به این مورد اشاره کرد: همجنس، همجنس را ترجیح می دهد.
می بینیم که بر هم کنش های آب دوست و آب گریز مولکول های لیپید را از آب دور می کند و باعث می شود آنها دور هم پیچیده و غشاء دولایه ای به وجود آورد که کارش پوشش دادن به محیط پیرامون سلول است. آنها دنباله آلی خود را گرد هم می آورند تا از برهم کنش آنها با آب جلوگیری کنند و سرقطبی آنها رو به آب جهت گیری کند. قاعده دیگر چنین است:
خود ترکیبی، تحت کنترل واکنش هایی است که به لحاظ انرژی مطلوب ترند. اجزای درست مولکول ها را جدا از هم رها کنید، در این حالت آنها خود را به صورت ساختار های منظم و پیچیده درمی آورند. شیمیدانان اکنون فرا گرفتند تا از مزیت های این قاعده و دیگر قواعد استفاده کرده و سیستم های خود ترکیب را در حد پیچیدگی های متوسط وجود آورند. لیپوزوم های حامل دارو که از لیپید های دولایه مشابه لیپید های موجود در سلول است، به طور تجاری برای انتقال دارو ها به بافت های سرطانی بیماران به کار می رود. مولکول های خود ترکیب دیگر نیز هستند که روکساتان نام دارند و می توانند به عنوان کلید های مولکولی عمل کرده و بین دو حالت پایدار به سمت جلو و عقب نوسان می کنند که نوید بخش ساخت کلید برای کامپیوتر های مولکولی آینده است.
اما نیاز به پیچیدگی های بیشتر نیز افزایش می یابد که از مینیاتوری شدن مدار های کامپیوتری و گسترش نانوتکنولوژی منشا می گیرد. همان طور که تراشه های کامپیوتری روزبه روز کوچک تر می شوند، هزینه ساخت این اجزا که هر لحظه کوچک تر می شوند، به شدت ترقی می کند. هم اکنون شرکت ها هرچه بیشتر تراشه های کوچک می سازند تا به اندازه دلخواه برسند. بالاخره به نقطه ای می رسیم که طراحی و ساخت آنها به روش شیمیایی و از پایین به بالا هزینه کمتری دارد. خودترکیبی همچنین تنها روش عملی برای ساختن گستره وسیعی از نانوساختار ها است. به هر حال اطمینان از اینکه اجزا به طرز صحیح در کنار هم قرار می گیرند کار آسانی نیست. زیرا نیرو هایی که در اینجا حاکم اند بسیار ضعیف هستند و مولکول های خود ترکیب در صورت بندی های نامطلوب به دام می افتند که در این حالت نقص هایی را در کل ساختار به وجود می آورند که اجتناب از آنها غیرممکن است.
هر سیستم جدیدی که به خود ترکیبی اعتماد می کند یا باید این نقص ها را تاب بیاورد یا آنها را ترمیم کند. باز هم زیست شناسی مثالی را ارائه می دهد که این بار DNA است، وقتی که آنزیم در فرآیند تقسیم سلولی از رشته DNA نسخه برداری می کند، اشتباه های اجتناب ناپذیری روی می دهد. مثلاً بعضی اوقات پیش می آید هنگامی که لازم است T وارد کنیم، A وارد می شود. بعضی از این اشتباه ها مخفی می مانند، اما عمده آنها به وسیله آنزیم ترمیم DNA که رشته تازه ساز را اسکن کرده و خطای نسخه برداری را تصحیح می کند به دام می افتد. چندان هم آسان نیست که شیمیدانان از چنین راهکار هایی تقلید کنند اما اگر شیمیدانان می خواهند پیچیده تر عمل کنند و ساختار های سفارشی را از پایین به بالا بسازند، باید یاد بگیرند که کمی هم مثل طبیعت فکر کنند.
