DNA纳米技术

DNA纳米技术（DNA Nanotechnology）
概念
DNA纳米技术专门研究利用脱氧核糖核酸或其他核酸的分子性质（如自组装的特性），来建构出可操控的新型纳米尺度结构或机械。

在这个领域，核酸被用作非生物的材料而不是在活细胞中那样作为遗传信息的载体。

严格的核酸碱基配对法则（使链上特定的碱基列相互连接以形成牢固的双螺旋结构）使这一技术成为可能。

这一技术允许合理的碱基链设计，从而严格地组合形成具有精密控制的纳米级特性的复杂的目标结构。

脱氧核糖核酸是常使用的优势材料，但包括其他核酸如核糖核酸和肽核酸也被用来构造结构，所以偶尔也用“核酸纳米技术”来概括这个领域。

发展
DNA纳米技术概念的基础最先由纳德里安·西曼（Nadrian Seeman）在1980年代早期阐述，在2000年后开始引起广泛的关注。

这一领域的研究者已经构建了静止结构如二维和三维晶体结构、毫微管、多面体和其他任意的造型；和功能结构如纳米机器和DNA计算机。

一些组建方法被用来构建拼装结构、折叠结构和动态可重构结构。

现在，这种科技开始被用作解决在结构生物学和生物物理学中基础科学问题的工具；同时也被应用在结晶学和光谱学中来测定蛋白质结构。

这项技术在分子电子学和纳米医学中的应用仍在研究中。

历史
莫里茨·科内利斯·埃舍尔的木刻作品《Depth》，据说这幅画启发了西曼想到用DNA三维晶格为难结晶分子标定方向，这导致了DNA纳米技术的开始。

DNA纳米技术概念的基础最先由纳德里安·西曼在八十年代早期阐述。

西曼的最初目的是创建一个三维的DNA晶格为其他大分子确定方向，这将去除获得纯净晶体的复杂过程，简化晶体学研究。

据说他在意识到莫里茨·科内利斯·埃舍尔的木刻Depth与大批的六节点DNA间的共同点后，产生了这个想法。

在当时，一些自然地有分支的DNA结构已被人们知晓包括复制叉和可移动的霍利迪交叉，但西曼认为不可动的核酸节点可以通过正确的碱基序列设计消除组合分子的对
称性来制造。

那样这些不可动节点在原则上可以组合成稳固的晶格。

第一篇阐明这个体系的论文于1982年发表，第一份试验证明于次年刊出。

在1991年，西曼的实验室发布了一份对用DNA制成的立方体（第一个人工合成的三维核酸纳米结构）的分析报告。

他因此获得1995年费曼纳米技术奖。

DNA截面八角体也随之诞生。

然而，人们很快发现这些以可变节点作为顶点的多边形结构对构造伸展的三维晶格来说不够牢固。

西曼发展了更为牢固的双交叉形，在1998年与Erik Winfree的合作中发布了用DX拼接成的二维晶格。

这些拼接结构具有实施DNA计算的能力。

这一点已由Winfree和Paul Rothemund在他们2004年关于谢尔宾斯基三角形结构的论文中证明，他们因此分享了2006年费曼纳米技术奖。

Winfree的主要观点是DX砖可以当做王氏砖使用，也就是说他们的组合可进行计算。

对三维晶格的分析最终由西曼在2009年发表，为完成它西曼花了大约30年。

在2000年代设计的DNA结构的新功能陆续被发现。

第一个DNA纳米机器—会对输入做出反应而改变其形态-在1999年由西曼验证。

次年，Bernard Yurke 验证了一个有提升的核酸机器。

更进一步的，这被翻译成机械运动，并在2004和2005年一些DNA行走器件被西曼、Niles Pierce、 Andrew Turberfield和Chengde Mao所验证。

用DNA组列构建其他分子的模板（如纳米粒子、蛋白质等）的构想最早由Bruche Robinson 和西曼在1987年提出，在2006、2007年被Hao Yan、Peter Dervan和Thomas Labean验证。

在2006年，Rothemund第一次验证了DNA折纸技术可以简单地构建出稳固的具有任意造型的结构。

Rothemund设想这种用多条短链的方法是介于西曼晶格（用多条短链）和William Shih的DNA八面体（主要用一条长链）的概念性中产物。

Rothemund的DNA折纸法是用一条长链和许多短链配合折叠。

这种方法使构建更大的结构变得可行并降低了对设计和分析的技术要求。

DNA折纸术在2006年3月15日登上了《自然》杂志的封面。

随着Rothemund完成验二维DNA折纸结构，Douglas等人在2009年固性三维DNA折纸术。

同时，Jørgen Kjems的实验室用二维平面制成了三维结构。

DNA纳米技术最初受到一些质疑，因为核酸被当作非生物的材料建造结构和进行计算，并且远离实际应用。

西曼1991年关于DNA立方体分析的论文被科学
杂志拒绝，在此之前，一个评论家称赞他的独创性而另一个批评论文与生物学相关性不大。

然而，2010年代，这个领域在基础科学方面研究的应用开始被认识到，并且其在医学和其他领域的应用被认为是可行的。

2001年还只有很少的实验室做这方面研究，到2010年至少有60个实验室，也提高了人才储备量。

因此在这十年内这方面的研究取得了很大进步。

设计
DNA的纳米结构必须被合理设计，单条核酸链才会被组合成目标结构。

这个过程通常需要对目标结构或功能的详述。

然后确定目标合成物的二级结构即对结构内核酸链的安置和连接点位。

最后是一级结构的设计即对每条核酸链碱基顺序
的安排。

左边, 是用来做二维周期性晶格的DNA砖。

右边，是组合晶格在原子力显微镜下的图片。

应用
除基因芯片外,DNA 分子用于纳米技术主要有两个领域, 一是将纳米粒子以不同方式结合到DNA模板上, 通过纳米粒子的特性来展示DNA 的特性,即以DNA 为模板来实现纳米粒子的组装。

这方面应用比较广泛的就是胶体金纳米颗粒与DNA 的结合, 应用胶体金颗粒的光物理学特性来进行DNA的定位与诊断。

另一领域就是按照DNA 分子之间的碱基互补作用, 预先设计具有互补区段的寡核苷酸, 在复性过程中自组装形成具有预先设计的几何形状和结构与功能可预测的大分子或超分子，如DNA 镊子、构建复杂的纳米图案或纳米结构等。

DNA纳米技术提供了设计构建复杂结构并精确控制纳米特性的一种方法。

这个领域开始应用在结构生物学与生物物理学中解决基础科学问题。

最初，DNA纳
米技术设想应用于晶体学研究上：难以在隔离状态下结晶的分子可被置于立体核酸晶格中从而测定其的结构。

另一种应用是在蛋白质核磁共振波谱学中的残留偶极耦合实验中用DNA折纸棒来代替液晶。

用DNA折纸术是非常有好处的，因为不像液晶，DNA折纸棒可以承受使膜蛋白悬浮的洗涤剂。

DNA 行走者（DNA walkers）被用作纳米组合线来移动纳米粒子，指导化学合成。

不仅如此，DNA折纸结构也促进了酶功能和蛋白质折叠方面的研究。

DNA纳米技术正朝潜在的实际应用迈步。

核酸组列安置其他分子的能力暗示了其在分子电子学上的应用前景。

核酸结构可以被用作分子电子单位（如分子导线）组合的模板，提供对安置进行控制的方法，类似于一个电路实验板。

DNA纳米技术被比作可编程物质，因为其材料的耦合计算。

DNA纳米技术在纳米机械方面也有潜在的应用。

比如利用其以生物相容性的计算制药，使之能够靶向给药。

一个现在正被研究的系统用了一个中空的DNA 盒子，其中包着可以引发细胞凋亡或死亡的蛋白质，而只有靠近癌细胞时，盒子才会打开，释放出蛋白质。

人们对在细胞中表达人工结构怀着极大兴趣，最有可能使用转录RNA进行组装，尽管仍不知道这些合成结构是否能有效地折叠或聚集
在细胞质中。

一个非周期二维晶格的例子。

左边是谢尔宾斯基分形；右边是DNA组列在其表面展示的谢尔宾斯基三角形结构。

参考文献
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