结构DNA纳米技术_蔡苗
DNA纳米技术及其将来的应用前景
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DNA纳米技术及其将来的应用前景DNA纳米技术是一种基于DNA分子的纳米技术,可以通过DNA分子间的相互作用构建高度精确的晶体结构。
DNA分子是自然界中最基本的生物分子之一,具有高度的可控性和高效的自我组装能力,这使得DNA纳米技术成为了一种非常有潜力的纳米制造技术。
DNA纳米技术目前已经在很多领域得到了广泛的应用,尤其是在生物医学领域和材料科学领域。
在生物医学领域,DNA纳米技术已经成功应用于基因测序、细胞诊断和药物传递等方面。
例如,可以利用DNA纳米技术将药物包裹在DNA分子中,使其能够更精确地传递到病变细胞,从而提高药物的疗效和减少副作用。
DNA纳米技术还可以应用于生物材料的制备。
比如可以利用DNA纳米技术精确构建纳米管、纳米球和纳米线等生物材料,从而可以应用于纳米传感器和纳米电子器件等领域。
除了生物医学和材料科学领域,DNA纳米技术还可以应用于计算机技术和信息技术领域。
因为DNA可以编码信息,并具有高效的自我组装能力,可以用它来构建纳米计算机和存储器等设备。
实际上,科学家已经利用DNA纳米技术制造出了DNA计算机和存储器等设备,并且取得了很大的进展。
如果继续发展,DNA纳米技术有望成为下一代计算机和存储器的基础技术。
除了这些应用领域,DNA纳米技术还有许多其他的应用前景。
例如可以利用DNA纳米技术制备新型的太阳能电池、电子器件和传感器等设备。
同时,DNA纳米技术还可以用于制造人工智能和机器学习等领域。
因为DNA分子具有高度的可控性和可编程性,可以用它来构建出高度精确的人工智能系统和机器学习算法。
需要指出的是,虽然DNA纳米技术已经显示出了很大的应用前景,但是目前还存在一些挑战和难题需要克服。
例如,如何确保DNA分子的稳定性和可靠性,如何提高DNA纳米技术的精度和效率,如何将DNA纳米技术的成本降低到可接受的范围等等。
需要针对这些问题进行更深入的研究和探索,以便更好地应用DNA纳米技术。
综上所述,DNA纳米技术是一种非常有前途的纳米技术,它已经成功应用于生物医学、材料科学和计算机技术等领域,并且还有很多其他的应用前景。
CuS纳米片修饰Bi_(5)O_(7)I复合材料用于光催化还原Cr(Ⅵ)水溶液
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DNA纳米技术的研究进展与前景展望
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DNA纳米技术的研究进展与前景展望DNA纳米技术是指将DNA分子这种天然的分子结构用于制造人工材料或器件的一种技术。
这是一种新兴的多学科领域,它结合了生物学、物理学、化学等多个领域,可以用于制造分子级别的结构和器件。
DNA纳米技术的发展史可以追溯到1980年代,自那以后,这一领域一直处于探索和发展之中。
DNA分子是多链的核苷酸聚合物,是自然界中最神奇的有机分子之一。
其独特的双链结构和生物信息传递功能引起了科学家的极大兴趣,他们发现这种结构可以被用于构建一些高精度的结构和器件。
随着技术的不断进步,人类开始能够从DNA分子中构筑各种三维形态的纳米结构,比如纳米管、纳米板和纳米球等。
这些结构可以被用于制造晶体管、传感器、导电线路等高精度器件,可以用于生命科学、计算机科学、能源科学等各个领域。
DNA纳米技术的研究进展随着DNA纳米技术的不断发展,科学家们成功地构建了许多高精度的DNA结构。
这些结构包括纳米管、纳米板、纳米球和六角形孔等。
其中,纳米管和纳米板是比较基础的DNA结构,可以用于制造大规模的纳米元件。
而六角形孔则是一种具有高度孔径可控性和可逆环形动态行为的新型DNA结构,广泛应用于生命科学和纳米技术领域。
DNA纳米技术的应用前景DNA纳米技术的应用前景非常广阔,可以用于生命科学、计算机科学、能源科学等多个领域。
在生命科学领域,DNA纳米技术可以用于构建各类分子机器,可以用于实现药物、蛋白质、细胞等的精确定位和定向运输。
此外,DNA纳米技术在分子诊断、分子电子学等方面也具有广泛应用前景。
在计算机科学领域,DNA纳米技术可以用于构建DNA计算机。
DNA计算机和传统计算机极不相同,它的计算方式是利用DNA分子之间的物理化学属性进行计算,可以进行并行计算和异构计算。
DNA计算机具有高效、节能、高存储密度等优点,可以用于大规模数据处理和高速计算。
在能源科学领域,DNA纳米技术可以用于制造纳米机器人,可以用于实现微观文化、清洗污染、制造纳米加速器等能源控制和调控领域的应用。
《2024年DNA纳米结构的设计与构建》范文
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《DNA纳米结构的设计与构建》篇一一、引言随着纳米科技的发展,DNA纳米结构作为一种新型的纳米材料,因其独特的物理、化学和生物性质,受到了广泛关注。
DNA 纳米结构的设计与构建,不仅在基础科学研究领域具有重要价值,也在生物医学、纳米技术、材料科学等领域展现出广阔的应用前景。
本文将重点探讨DNA纳米结构的设计与构建的相关内容。
二、DNA纳米结构的基本原理DNA纳米结构是基于DNA分子的特殊序列进行设计和构建的。
DNA分子具有独特的双螺旋结构,其碱基序列可以通过互补配对原则进行精确的识别和结合。
这一特性使得DNA分子成为构建纳米结构的理想材料。
通过精确设计DNA序列,可以构建出各种形状和功能的纳米结构。
三、DNA纳米结构的设计DNA纳米结构的设计主要包括序列设计和结构设计两个部分。
1. 序列设计:根据所需构建的纳米结构的形状和功能,设计出相应的DNA序列。
这需要考虑到DNA分子的互补配对原则、稳定性以及与其他分子的相互作用等因素。
同时,还需要考虑到实验操作的可行性,如合成、纯化、标记等步骤。
2. 结构设计:在序列设计的基础上,通过计算机模拟和预测,确定DNA纳米结构的空间构型和功能。
这需要借助计算机辅助设计软件,对DNA分子的空间构型进行优化和调整,以达到最佳的构建效果。
四、DNA纳米结构的构建DNA纳米结构的构建主要包括以下步骤:1. DNA分子的合成与纯化:通过化学合成方法,得到所需序列的DNA分子。
然后通过纯化步骤,去除杂质,得到纯净的DNA分子。
2. DNA分子的自组装:将纯化的DNA分子按照设计的序列进行自组装,形成具有特定形状和功能的纳米结构。
这一步骤需要控制温度、浓度、时间等参数,以保证自组装的顺利进行。
3. 结构表征与验证:通过电子显微镜、原子力显微镜等手段,对构建的DNA纳米结构进行表征和验证。
这可以确定纳米结构的形状、大小、空间构型等参数,以及其功能的实现情况。
五、DNA纳米结构的应用DNA纳米结构在生物医学、纳米技术、材料科学等领域具有广泛的应用前景。
DNA纳米技术在生物医药领域的应用
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DNA纳米技术在生物医药领域的应用DNA(脱氧核糖核酸)是生命的基础物质。
一般来说,DNA是用来储存和传递生物体遗传信息的分子,但是DNA分子作为一种自组装材料,具有许多优异的特性,如亲和性、特异性、高产物纯度和易于进行化学修饰等,可以用作拼接、修饰和组装其他分子。
因此,DNA已经成为了生物医药领域的热门研究课题之一。
DNA纳米技术在生物医药领域中有广泛的应用,可以用于制备纳米药物、疫苗、生物传感器等。
一、DNA纳米技术在纳米药物中的应用纳米技术能够通过精密的控制药物的释放速率、增强药物的稳定性、改善药物的生物分布,从而提高药物的治疗效果。
因此,利用DNA构建的纳米粒子,可以做为一种理想的药物载体。
DNA 纳米粒子具有很多拥有很多优异的物理和化学特性,如大小可控、稳定性好、低免疫原性、易于修饰表面等。
同时,也可以通过纳米材料的表面修饰或改变DNA分子的格局来更好地调控该载体的体内体外性质。
在胚胎癌和细胞内环境检测中,DNA纳米技术也被广泛应用。
DNA纳米技术可以通过DNA的晶化作用来修饰纳米药物表面,能够实现在生物体中的定量检测和感受各种化学分子,从而实现对癌症的早期诊断。
二、DNA纳米技术在疫苗中的应用DNA疫苗是基于DNA工程技术制作的,可以通过直接注射体内的方式产生免疫反应。
它可以诱导宿主体内产生病毒蛋白质或抗原肽的抗体,从而诱导宿主产生对疾病的免疫力。
DNA纳米技术在DNA疫苗的制备中具有很多优良特性,它能够优化DNA疫苗的性质、提高疫苗的稳定性、增强疫苗的有效性、并且可以通过精密的调控疫苗递送系统的药代动力学等,提高疫苗的递送效率。
DNA纳米技术的优先在于构建了各种可以克服细胞膜透过性的纳米材料,它们可以把疫苗粘着到细胞内部,从而提高疫苗免疫反应的作用效率。
此外,、DNA纳米技术还可以促进基于DNA 疫苗的抗原体和T细胞抗瘤免疫的发展。
三、DNA纳米技术在生物传感器中的应用生物传感器可以通过对生物分子的快速检测,实现对健康和疾病的敏感检测,例如检测蛋白质和小分子化合物。
基于DNA的纳米结构自组装技术
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基于DNA的纳米结构自组装技术DNA是生物体内遗传信息的携带者,具有高度的可控性、高效的配对性和选择性,因此被广泛用于构建高度复杂和可控的纳米结构。
基于DNA的纳米结构自组装技术,具有高度的可预测性、可重复性和可扩展性,成为纳米传感、纳米计算、纳米医疗及纳米材料领域的研究热点。
一、DNA的纳米结构自组装技术介绍DNA纳米技术是指将DNA序列作为模板,在合适的化学条件下,通过配对、水解、重联等靶向修饰过程,形成具有特定空间结构和生物功能的高分子材料,进而实现自组装纳米结构。
其优点在于所需的DNA分子数量少、可程序性强、操作简单易控制、精度高和容易合成等等。
二、DNA纳米结构自组装的基本原理DNA双链以AT、CG配对的方式相互配对,在配对的过程中形成了平面结构。
而将单链DNA加入到这个系统中,由于两个单链DNA可以互相配对形成二级三维结构,当单链DNA逐渐增多,其间隔离子影响的减小,分子间的复杂质子形成,在适当的条件下就可以自组装成稳定的纳米结构,如球形、棒状、Y字形等等,在实验室已经实现了复杂的DNA结构自组装。
三、DNA纳米技术的应用1.纳米电路板技术DNA纳米技术有望实现基于分子的电路板,该技术可以将活细胞内的事件实现在电路板上的单分子水平上,有望发展成低耗高速、微型高精度的生物传感及数据储存芯片。
2.纳米医药DNA纳米技术还被用于制造新型的抗癌药物,目前的研究表明,利用DNA纳米结构,可以有效地实现纳米粒子的选择性目标治疗,达到增强抗癌效果和减少副作用的目的。
3.纳米催化DNA纳米结构自组装技术提供了做催化研究的可能性。
研究人员利用DNA合成可以自组装成各种简单结构、自然形态和超分子结构的性质,发现DNA自组装结构可以类比自然蛋白质结构,以同样的方式,也可以起到类似的催化功能。
四、DNA纳米技术面临的挑战1.设计和构建大型DNA结构是DNA纳米技术的主要困难之一。
虽然DNA可以在自然体内活动,并迅速地拼接和配对,但是,在大规模的DNA纳米结构自组装方面,存在着技术上的限制。
DNA纳米结构设计、合成及应用研究进展简述
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第42卷总第122期2021年6月Vol.42,No.2June,2021西北民族大学学报(自然科学版)Journal of Northwest Minzu University(Natural Science)DNA纳米结构设计、合成及应用研究进展简述段金伟(长安大学理学院,陕西西安710064)[摘要]dna不仅仅是遗传物质的载体,还因qr身特殊8可编程性和寻址性被用来实现材料r下而上的自组装,是合成纳米材料的理想原材料之一,被称为DNA纳米技术.近年来.随着核酸设计软件8开发和合成技术8逐渐成熟,DNA纳米技术初步实现了从材料设计合成到应用开发8过渡,DNA纳米材料8研究取得了长足进步.文章从核酸设计软件、DNA纳米材料8合成方法及应用研究三个方面进行简单综述,以期帮助读者全面了解该领域8研究进展.[关键词]DNA纳米材料;软件设计;合成方法;应用研6[中图分类号]06-1!+献标识码]A[文章编号]1009-2102(2021)02-0004-10在原子尺度上操纵材料从而实现定制材料性能的可能性是化学和材料科学发展的重要目标之一,然而时至今日这依旧是巨大的挑战.在过去的几十年里,科学家们始终在寻找具控制且模块化性质的材料,希望能够推动纳米结构领域的快速发展.不同于传统的有机和无机材料,DNA具有良好的可寻址性、可控性、以及存在于DNA链的弱相互作用,使得DNA被认为是合成纳米材料的理想原材料之一%*4&传统观点认为DNA仅仅是携带遗传信息的载体,但随着纽约大学N.C.Seeman教授的发现,这一观念彻底被颠覆.N.C.Seeman无意间发现能够利用DNA黏性末端将设计好的分支结构连接起来形目标结构,于是在1991年人了性的DNA立方体⑸,扌了DNA纳米领域的研究大门[6*13].DNA纳米技术是利用Watson-Crick碱基互补配对的特异性和DNA自身的性质,以自组装为基础,以构筑二维和方向上重为目标的新颖的分子纳米技术[1'14*15].Seeman提岀以DNA为原材料合成纳米结构的设想后,科学家们先后开发了一系列帮助进行结构设计的算法和%6*2(&,优化、改进并提岀了多种新的方法%7,0,4*29&,并将DNA纳米结构应用物、和治疗、荧光成像等领域[30*37].1DNA结构设计软件为了实现精确操作原子,达到合成目标DNA纳米结构的目的,需要根据目标结构来进行结构设计,这个过要耗费大量的人力和物力,而且耗时极长.早期的DNA纳米结构设计软件使用的是pdb、mol等标准化结构的现有分子建模工具.这些工具允许设计者在原子对DNA结构进行,结构建模大多是在面动的.然而,这计过程中结构,制了设计和操作多结构的能力..DNA纳米结构的开发,需要大量的计算和f使[收稿日期]2021-02-26[基金项目]陕西省自然科学基金项目(2020JM-266) #中央高校基本科研业务费专项(310812151001)[作者简介]段金伟,男,副教授,博士,主要从事生物大分子自组装设计及方面的研究.4用通用建模工具%8&.DNA纳米结构的构建通常包括一条长链的路径(大约8000个核昔酸),钉书针的放置和序列的确定,对于大型纳米结构是一项挑战性任务.在功能化日高和结构设计性提升的驱动下,为了促进新的DNA纳米结构发展,并让用了解DNA折叠的性,科学家们基于不同用途开发了一系列建模工具和可视化程序,主要包括:Tiamat%8],CaDNAno%7],vHelix%9],NU-PACK[40]‘ATHENA%1,Adentia[23]和MrDNA%2等.DNA结构设计软件的界面对使用者越来越友好,功能也越来越强大,极大地降低了结构设计过程的•在降低定制DNA分子的生产和提升结构操纵的可能性方面取得了重大进展.本文中,选择性地介绍其中比较常用的4款软件.1.1CaDNAnoCaDNAno是Douglas等人2009年开发的一款支持利用DNA折纸技术进行结构设计的开源软件包,配套安装Python或Autodesk Maya运行,其官网地址为/.CaDNAno简化和增强了设计DNA折纸纳米结构的过程.通过用户友好的2D和3D界面,计者己的:进行计创建•CaDNAn。
2016年福建省高校青年自然基金重点项目拟立项名单
![2016年福建省高校青年自然基金重点项目拟立项名单](https://img.taocdn.com/s3/m/dedbff26b90d6c85ec3ac6e7.png)
新一代移动终端点到点高效低耗通讯技术 的研究及应用 多个宏观系综整体处最大纠缠态时子系综 间量子纠缠研究 广义信道极化及广义极化码研究 秸秆基多功能复合材料处理废水机理研究 采用分数快速傅立叶变换(FRFT)的方式校 估Lévy模型下的能源期权定价效率 创新驱动绿色发展的综合评价、关联机制 与空间效应 高精度人工角膜超声环切系统研究
电子信息 应用基础研究 材料 医药 机电 材料 化学 基础研究 应用基础研究 应用基础研究 基础研究 应用基础研究
电子信息 应用基础研究 化学 机电 地理 医药 生物 材料 物理 物理 应用基础研究 应用基础研究 应用基础研究 基础研究 应用基础研究 应用基础研究 基础研究 基础研究
序号
单位
项目名称
附件序号单位项目名称所属学科研究类型课题负责人课题负责人1厦门大学纳米棒定向自主装构建一维分级多孔m3o4mfeco的储锂性能材料基础研究谢清水2厦门大学甲醇供氢协同乙酰丙酸酯合成戊内酯催化体系的构建化学应用基础研究唐兴3厦门大学虚拟多维色谱体系的构建与应用医药基础研究丘鹰昆4厦门大学厦门港船舶细颗粒物扩散模拟研究电子信息应用基础研究曾湘祥5厦门大学剩余活性污泥生物合成聚酯及同步减容的机理与应用研究化学应用基础研究沈亮6厦门大学基于数据融合技术的预腐蚀疲劳关键区域的预测模型研究材料应用基础研究黄永芳7厦门大学trem2调控小胶质细胞迁移和吞噬功能的分子机制医药基础研究郑红花8厦门大学基于毛细管的高通量核酸杂交方法及其机理研究化学基础研究陈宏9华侨大学n角范畴的构造与粘合数学基础研究林增强10华侨大学ns方程组相关模型的若干研究数学基础研究高真圣11华侨大学氢键作用改善功能化离子液体碳捕集性能的研究化学基础研究罗小燕12华侨大学部分相干airy光束及其在光镊和通信中的应用研究物理应用基础研究任洪亮13华侨大学面向服务网络优化的复杂数据序列模式分析方法电子信息应用基础研究李海波14华侨大学不锈钢复合管混凝土连接节点受力性能研究材料基础研究叶勇15华侨大学龙血树叶辅助降血糖保健品的前期基础研究医药应用基础研究刘接卿16华侨大学利用飞秒激光加工蓝宝石表面微结构的机理研究机电应用基础研究温秋玲17福州大学高共轭染料对聚苯胺石墨烯复合材料的结构及性能调控材料基础研究吕秋丰18福州大学地下水中二恶烷的可见光催化降解化学应用基础研究陈志鑫19福州大学基于多节点动态数据融合的光纤光栅传感网络自修复技术研究电子信息应用基础研究江灏20福州大学纤维素基mos2复合材料吸附可见光降解典型抗生素协同作用机制化学应用基础研究林春香21福州大学复合材料结构电磁铆接干涉配合连接机理研究机电应用基础研究邓将华22福州大学基于形态计量的湿热气候下高层高密度住区宜居设计研究地理应用基础研究周成斌23福州大学海洋微生物来源逆转肿瘤耐药先导物的发现及机制研究医药基础研究陈立24福州大学人工饲料提高连江鲍鱼抵御海洋酸化能力的分子机制研究生物应用基础研究郑向南25福州大学基于期望阻尼比的斜拉桥阻尼器参数优化试验与理论研究材料应用基础研究许莉26福州大学原子辅助下多模光力系统的操控物理基础研究钟志荣27福建师范大学聚合物微流微泡腔光学传感性能研究物理基础研究卢
DNA纳米技术和自组装原理
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DNA纳米技术和自组装原理DNA纳米技术和自组装原理是一种新型的纳米技术,它利用DNA分子的自身特性进行构建和控制,达到精确操控物质的目的。
DNA纳米技术基于自组装原理,即通过适当的设计,DNA分子能够自发地结合成各种特定形状和结构的纳米材料。
本文将从DNA纳米技术的原理、应用以及发展前景等方面进行详细介绍。
首先,DNA纳米技术的原理是基于DNA分子的自身特性。
DNA是由四种碱基(腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和鳞状嘧啶)组成的双螺旋结构,这种结构具有高度的稳定性和可预测性。
DNA的碱基之间具有特异的配对规律,即腺嘌呤与鸟嘌呤之间通过三个氢键相互配对,胸腺嘧啶与鳞状嘧啶之间通过两个氢键相互配对。
这种特异的配对规律使得DNA分子在适当的条件下可以自发地进行相互配对,形成复杂的结构。
利用DNA纳米技术进行自组装的过程可以简单描述为以下几个步骤。
首先,通过合成或提取DNA分子,将其设计成具有特定序列的片段。
然后,在适当的条件下,将这些DNA片段混合在一起,由于碱基的互补配对规律,DNA分子会自发地结合成具有特定形状和结构的纳米材料。
最后,通过进一步的调节和控制条件,可以使这些纳米材料进一步自组装成更复杂的结构,实现更多样化的功能。
DNA纳米技术有着广泛的应用前景。
首先,DNA纳米技术可以用于构建纳米电子器件。
通过将金属纳米颗粒等功能性物质与DNA结合,可以在纳米尺度上实现电子器件的构建和控制,从而实现更高密度、更高速度的电子芯片。
其次,DNA纳米技术可以用于构建纳米传感器。
通过将特定的DNA序列与传感器材料相结合,可以实现对生物分子、环境参数等的高灵敏度、高选择性的检测。
此外,DNA纳米技术还可以用于药物传递、生物分子识别和纳米材料的组装等方面。
然而,尽管DNA纳米技术有着广阔的应用前景,但仍然存在一些挑战和问题亟待解决。
首先,DNA分子在构建纳米材料过程中的稳定性有待提高。
DNA分子容易受到外界环境和化学物质的影响而发生降解或变性,这对于构建稳定的纳米材料造成了困难。
DNA纳米技术的最新研究成果
![DNA纳米技术的最新研究成果](https://img.taocdn.com/s3/m/5ea52b3c91c69ec3d5bbfd0a79563c1ec5dad703.png)
DNA纳米技术的最新研究成果自从1953年Watson和Crick发现了DNA的双螺旋结构以来,DNA已经成为了生物学和医学领域中的重要研究对象。
然而,在过去的十年里,DNA纳米技术吸引了越来越多的科学家的注意,他们利用DNA的高度自组装性,研究如何制造出微米乃至纳米级别的结构。
这些结构具有独特的机械、光学和电学特性,因此具有极大的潜力应用于纳米电子学、药物传递和生物成像等领域。
本文将介绍近年来DNA纳米技术的最新研究成果。
一、DNA纳米结构的制备方法DNA纳米结构的制备方法可以分为两类:一种是自组装,即利用DNA分子之间的互补配对,形成不同形状的结构;另一种是外部力场驱动自组装,如热力学、电场、电磁场或化学反应等。
在制备DNA纳米结构时,可利用DNA分子互补配对的基本规则,使之形成四维结构。
最常用的核酸建筑单元是DNA,因为其稳定性、可塑性、可编程性和易得性。
二、DNA纳米技术在生物学和医疗领域的应用DNA纳米技术的应用广泛。
在生物学和医疗领域,DNA纳米技术最瞩目的应用可能是药物传递和疫苗制造。
这种新技术可能成为Cancer查找、捕获和杀死癌症细胞的一种方法。
药物传递的一般方法是,通过小型DNA纳米结构,在药物到达细胞之前将其封装起来。
一旦进入细胞,这些结构将被解开,释放出药物。
由于人体细胞内有大量的蛋白质、酵素和其他分子,这些分子可能降低药物的活性,或导致药物在体内的毒性。
在使用DNA纳米结构来嵌入药物之后,这些前置的限制因素可以远离难以接触的分子,从而提高药物效率。
此外,使用DNA纳米结构来制造疫苗能够增强疫苗的作用。
三、DNA纳米技术在计算机芯片领域的应用DNA纳米技术还展示出可将裸奔的二进制数字,套进纳米级波浪形,从而解决长期以来在计算机芯片领域面临的互连问题。
当走线过于接近时,相互干扰会导致计算机出错。
对于更小尺度的芯片,这将是一个更大的问题,因为其芯片之间的距离比较小。
但借助DNA纳米技术,研究人员成功地制造出了纳米级引导线,它能够制造出更小和更精度高的芯片。
DNA纳米技术的原理与应用前景
![DNA纳米技术的原理与应用前景](https://img.taocdn.com/s3/m/f19e8b7db80d6c85ec3a87c24028915f804d848d.png)
DNA纳米技术的原理与应用前景DNA(脱氧核糖核酸)纳米技术是一种基于DNA的自组装原理,利用DNA分子之间的互补碱基配对来构建纳米级别的结构和器件的技术。
这种技术集结构、功能和操控于一体,具有巨大的潜力在纳米科学和纳米技术领域产生深远的影响。
本文将详细介绍DNA纳米技术的原理,并分析其在生物医学、材料科学、纳米电子学和信息存储等方面的应用前景。
DNA纳米技术的原理主要基于DNA分子的特殊性质,包括双螺旋结构、碱基配对的互补性和链的连接性。
通过设计合适的DNA序列,可以使DNA分子之间发生互相识别和自组装的过程。
例如,可以通过在DNA分子两端设计互补碱基序列,使它们在适当的条件下自发地结合并形成稳定的结构。
此外,还可以通过在DNA分子上引入非天然碱基或染料分子,实现DNA纳米器件的光电性能。
DNA纳米技术的应用前景广泛而深远。
首先,生物医学领域是DNA纳米技术的重要应用领域之一。
通过利用DNA纳米技术构建的纳米结构,可以在细胞和组织水平上实现精准的药物递送和基因编辑。
例如,研究人员已经利用DNA纳米技术来制备纳米粒子,并在其表面上修饰具有治疗性药物的DNA分子。
这些药物纳米粒子可以在体内准确地释放药物,使药物能够更好地靶向病灶,从而提高治疗效果并减少副作用。
其次,DNA纳米技术在材料科学领域也有广泛的应用前景。
DNA分子的自组装能力使得可以利用DNA纳米技术构建具有特定功能的纳米结构。
例如,研究人员已经成功地利用DNA纳米技术制备了纳米线、纳米片和纳米盒等纳米结构,并利用它们的特殊性质在光电器件、催化剂和生物传感器等方面发挥重要作用。
此外,DNA纳米技术还具有高度可控性和精确性,对于构建纳米材料的形貌和结构具有独到的优势。
第三,DNA纳米技术在纳米电子学领域也有巨大的应用潜力。
DNA分子可以作为导线、分子开关和集成逻辑门等功能组件,可用于构建DNA纳米电路。
借助DNA纳米技术,人们可以在纳米尺度上构建电子元件和电路,进一步推动电子学的尺度和性能极限。
DNA纳米技术的基础与应用
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DNA纳米技术的基础与应用DNA,或称为脱氧核糖核酸,是生命体中重要的遗传物质。
然而,除了它的基本功能外,DNA还有一项非常重要的应用——DNA纳米技术。
DNA纳米技术是一种使用DNA分子来设计和构建可编程结构的技术。
这项技术借助了DNA分子之间的化学键制造出各种精确的三维结构,使物理学、化学和生物学等领域的科学家们都对它感兴趣。
本文将讲述DNA纳米技术的基础和应用。
一、DNA纳米技术的基础DNA纳米技术的基础可以追溯到20世纪80年代。
那时,科学家们最初开始了解DNA、RNA和蛋白质之间的相互作用。
1991年,Nadrian Seeman人类在Nature上提出了“DNA纳米技术”的想法。
他意识到,利用DNA分子的化学键可以使DNA自己组装成各种复杂和精确的结构。
他采用了名为“DNA交叉连接技术”的方法,可以使两个DNA片段相互连接起来,形成三维的纳米结构。
Seeman那时目标是制造出“DNA纳米机器人”,他曾说:“我一直在梦想着可以用程序和数据来控制纳米机器人,以便执行各种任务。
”DNA纳米技术中最基本的DNA构件被称为“DNA单元”。
这种结构是一个双螺旋的DNA分子,在每一侧都有两个草图看起来像是鱼鳍的“臂”。
这些臂可以与其他的DNA单元进行配对,这样就能够构建出各种形状和大小的三维纳米结构。
二、DNA纳米技术的应用DNA纳米技术的研究者们一直在思考如何将这项技术应用到各个领域,下面我们就来了解几个应用实例:(一)纳米电路和计算机DNA纳米技术可以制造出非常小的结构,比如纳米管、纳米线和纳米粒子。
这些结构与传统电路所使用的晶体管有些相似。
但是,由于它们非常小,所以可以制造出非常复杂的电路、芯片和计算机。
对于人工智能、量子计算等重要课题,DNA纳米技术提供了新的思路,有望促进科技的进一步飞跃。
(二)药物递送纳米技术潜在的应用之一就是药物递送。
利用DNA纳米技术的结构可以将药物精准地传递到人体的目标区域,从而提高药物疗效、降低副作用。
基于DNA纳米技术的自组装物质
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基于DNA纳米技术的自组装物质DNA纳米技术被誉为是21世纪最具前景的前沿技术之一,通过利用DNA分子自身的完美匹配性和互补性,实现了类生钛酸盐、纳米芯片、纳米分子机械、摩尔纳米电子器件等领域的超越。
其中应用最广泛的自组装物质,被视为是最具有发展前景的纳米材料之一。
1. DNA纳米技术简介DNA纳米技术是利用DNA生物分子自身的组装和信息传递机制,通过自组装形成纳米材料的技术。
DNA分子具有高度的互补性和可编码性,能够在生物体内实现自身生长、复制、修复等过程,因此一直是人们关注的重点。
利用DNA纳米技术可以构建出各种形态和结构的自组装物质,包括平面结构、球形结构、管状结构等。
2. DNA纳米技术实现的自组装物质2.1 DNA亲和自组装物质DNA亲和自组装物质是利用DNA分子互补作用实现纳米结构的自组装,其优点是具有高度的纳米材料可控性,可以精确地控制结构形态和大小等特性。
这类自组装物质包括二维阵列、三维晶体、纳米金属等。
2.2 DNA轨道自组装物质DNA轨道自组装物质是以DNA分子双螺旋结构的轨道为基础,通过高通量的DNA合成和结构设计手段实现的三维物质自组装。
通过DNA轨道的巧妙设计,可以实现任意多角度的旋转和相互作用,因此受到了广泛的关注。
2.3 DNA纳米桶DNA纳米桶是以DNA分子为纳米桶的构造“外壳”,将各种纳米物质或药物包裹在内部,实现定向传递和释放的高效率载体。
DNA纳米桶在纳米药物递送、合成化学和分子诊疗等领域都有着广阔的应用前景。
3. DNA纳米技术应用前景DNA纳米技术具有广阔的应用前景,涉及到多个领域,包括医药、电子、信息、能源等。
具有以下几个发展趋势:3.1 功能性自组装物质方向DNA纳米技术可以通过多种手段实现自组装物质的功能性,包括纳米与大分子的杂化、纳米与生物分子的杂化、纳米与金属的杂化。
这些功能性自组装物质在量子计算、生物分子测序、高效催化等领域有着广泛的应用前景。
利用DNA纳米技术生成仿生抗体
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利用DNA纳米技术生成仿生抗体DNA纳米技术已经成为生命科学领域中最重要的一种技术,其具有在生物系统内使用并研究的许多独特特征。
DNA纳米技术的主要优势在于通过合成和组装DNA分子来制作特定形状的纳米结构。
这些结构可以用于制作多种用途的生物产品,包括仿生抗体。
仿生抗体是一类用于识别和结合具有某些性质的目标分子的人工抗体。
与天然抗体不同,仿生抗体通常由人工合成的低分子量化合物(配体)组成,可以通过DNA纳米技术制备。
利用DNA纳米技术生成仿生抗体需要利用DNA双链分子的特殊结构,这些分子可以控制纳米粒子的形状和大小。
DNA纳米技术的主要应用之一是在仿生抗体中创建精确的空间序列,这对于识别和结合目标分子非常重要。
因此,纳米粒子的形状必须非常精确,并能够与目标分子的结构紧密匹配。
在这方面,DNA纳米技术具有独特的优势。
在实践中,可以使用单个DNA纳米粒子或多个纳米粒子组合形成更高级别的结构。
例如,可以将DNA纳米颗粒组合成旋转对称的结构,以形成更大的结合结构。
利用DNA纳米技术生成仿生抗体还需要考虑如何在粒子表面修饰其他分子,以优化研究的目标。
通过修饰分子,还可以增加仿生抗体和其他分子的互作性。
例如,可以将荧光染料和生物素等官能化分子引入仿生抗体设计中,以实现生物标记和应用的其他目的。
利用DNA纳米技术生成仿生抗体的方法已经被广泛研究和实践。
例如,可以使用短DNA骨架,在其表面合成各种组分。
这样,可以使DNA纳米骨架具有自组装的性质,从而形成能够识别和结合目标分子的复杂结构。
此外,还可以使用DNA纳米球体,这是一种小型二面体纳米结构,可以定向放置在液相中,并且不会凝聚。
可以利用化学反应,在纳米球体表面引入四支DNA分子,这些分子可以自我组装成粘连性结构。
通过DNA纳米技术制备的仿生抗体具有很强的生物相容性和生物可降解性。
此外,它们还不易失活,并且可以优化为特定的生物作用和应用。
这些优势使它们在医学和生命科学等领域的诊断和治疗应用中具有重要潜力。
DNA纳米结构组装制备新材料及其性能验证初探
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DNA纳米结构组装制备新材料及其性能验证初探引言:DNA纳米技术是一种利用基因的天然纳米组装能力制造新材料及纳米结构的方法。
在过去的几十年里,DNA纳米技术已经得到了广泛的研究和应用。
DNA纳米结构的组装制备与性能验证是该领域的关键环节。
本文将初探DNA纳米结构的组装制备过程以及对其性能的验证。
1. DNA纳米结构组装制备的背景和意义DNA纳米技术是一种以DNA分子为基础的纳米技术,通过利用DNA分子的可选择性互补配对性质,可以制备出各种形状和大小的DNA纳米结构。
DNA纳米结构具有良好的生物相容性、可控的结构和高度可定制性,因此在纳米电子学、药物传递、生物传感器等领域具有广泛的应用前景。
DNA纳米结构的组装制备是实现这些应用的关键。
2. DNA纳米结构组装制备的方法DNA纳米结构的组装制备有不同的方法,包括自组装、DNA纳米芯片和DNA生物酶切等。
其中,自组装方法是最常用的DNA纳米结构制备方法之一。
自组装方法利用DNA纳米组装的互补性质,通过设计合适的DNA引物序列,使其在适当的条件下自发地组装成所需的结构。
DNA纳米芯片则是通过将DNA引物固定在芯片上,利用基因组复制的过程,将DNA纳米结构在芯片上进行组装制备。
DNA生物酶切方法利用DNA酶的切割作用,将DNA分子切割成所需的形状,然后通过互补配对的方式组装成DNA纳米结构。
3. DNA纳米结构组装制备的挑战虽然DNA纳米结构组装制备方法已经取得了很大的进展,但仍然存在一些挑战。
首先,DNA纳米结构的设计和构建过程需要精确的计算和合成技术,以确保所得到的结构具有预期的形状和性能。
此外,DNA纳米结构的组装过程对环境条件有较高的要求,如温度、离子浓度和pH值等。
同时,组装过程中还需要控制组装速度和结构稳定性。
对于大规模DNA纳米结构的组装,还需要考虑DNA分子之间的相互干扰和错误组装的问题。
4. DNA纳米结构性能的验证方法DNA纳米结构的性能验证旨在评估其物理、化学和生物学性质。
基于DNA纳米技术构建功能材料及器件
![基于DNA纳米技术构建功能材料及器件](https://img.taocdn.com/s3/m/78838b9eac51f01dc281e53a580216fc710a537d.png)
基于DNA纳米技术构建功能材料及器件DNA纳米技术是一种利用DNA分子自组装的方法,可以构建各种功能材料和器件。
DNA作为一种天然的生物大分子,具有独特的自组装性能和化学特性,被广泛应用于纳米科技领域。
在基于DNA纳米技术构建功能材料及器件的领域中,有几个重要的应用方向:DNA纳米结构、DNA纳米传感器、DNA纳米机器人和DNA纳米电路。
下面将分别对这些方向进行介绍。
首先,DNA纳米结构是利用DNA分子的自组装性质构建的纳米结构。
DNA分子本身的特点使得科学家可以通过精确设计和合成来控制DNA分子的排列方式和互相作用,从而构建出各种形状和结构的纳米材料。
这些DNA纳米结构广泛应用于纳米电子学、光子学和药物传递等领域。
例如,科学家们利用DNA纳米结构制作出高度有序的纳米线阵列,用于纳米电路和纳米光学器件;利用DNA纳米结构构建的纳米容器可以用于药物的传递和释放。
其次,DNA纳米传感器是利用DNA分子的特异性识别性质构建的传感器。
DNA分子能够与特定的目标分子发生特异性的识别和结合,因此可以将DNA纳米结构设计成一种特定目标物的传感器。
这些DNA传感器可以用于检测生物标志物、环境污染物和食品安全等方面。
例如,科学家们设计了一种基于DNA纳米技术的病毒传感器,可以快速、灵敏地检测出病毒的存在,为传染病的诊断和预防提供了重要的工具。
第三,DNA纳米机器人是利用DNA分子和其他功能分子组装成的纳米尺度机器。
这些DNA纳米机器人能够执行一些特定的任务,例如运输载荷、执行化学反应和进行精确的操作。
DNA纳米机器人有望应用于医学、制造业和环境保护等领域。
例如,科学家们利用DNA纳米机器人制造了一种可以抓取和释放药物的纳米机械臂,为靶向药物传递提供了一种新的方法。
最后,DNA纳米电路是利用DNA分子构建的纳米尺度电子电路。
DNA分子可以作为电子器件的构建材料,可以用来制作纳米电极、纳米晶体管和纳米存储器等。
DNA纳米电路有望应用于超高密度存储、量子计算和分子电子学等领域。
结构DNA纳米技术_蔡苗
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化学进展
第 22 卷
刚柔兼具,双链 DNA 的刚性长度大约为 50nm,通过 双链 DNA 与相对 柔 性 的 单 链 DNA 连 接,我 们 就 能 得 到 特 定 设 计 的 几 何 结 构 ,并 且 不 影 响 其 稳 定 性 ;第 四 ,现 代 有 机 化 学 和 分 子 生 物 学 的 发 展 ,允 许 我 们 对 任意 DNA 序列进行合成、修饰和复制等;最后,DNA 是一种生物相容性 很 好 的 材 料,可 以 与 其 他 生 物 材 料一起构 建 多 组 分 纳 米 结 构。 早 在 分 子 克 隆 研 究 中,分子生物学家就利用人工设计的 DNA 自组装结 构,如 将 基 因 组 DNA 切 割 成 若 干 的 片 段要使用带分枝的 DNA 基元构建复杂 的二维或三维结构。
1993 年,Seeman 等[2]首 次 创 建 了 DNA 双 交 叉
图 2 几种具有代表性的 DNA 基 元 的 模 型 ( 上 图) 和 它 们组成的周期性二维阵列(下图): (a) 通过链交换在两 条 DNA 双链中形成双螺旋 ( DX ) 基 元[6],( b) 通 过 连 接 4 个平行的 Holiday 交叉形成平行 DNA 基元[7],( c) 一 个 带有 4 个手臂的十字架基元 (4 × 4 基元 )[8] Fig. 2 Models of some representative DNA tiles ( above) and their assemblies into periodic 2D arrays ( bottom) : ( a) Double-helix ( DX ) tile formed through strand exchange between two DNA duplexes[6],( b) Parallelogram DNA tile formed by joining four Holliday junctions in parallel[7],( c) A cross-shaped tile with four arms (4 × 4 tile)[8]
丁宝全研究员团队关于“DNA纳米机器疫苗”的研究入选2020年“科创中国”先导技术榜单
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丁宝全研究员团队关于“DNA纳米机器疫苗”的研究入选
2020年“科创中国”先导技术榜单
2021年1月18日中国科学技术学会(简称'中国科协')在京召开2020“科创中国”年度工作会议,发布了各领域2020“科创中国”先导技术榜单,国家纳米科学中心丁宝全研究员团队关于“DNA纳米机器疫苗”的研究入选先进材料领域的先导技术榜单。
针对肿瘤疫苗的免疫功能成分精确定量困难、活体递送至淋巴器官及可控释放效率低、难以实现高效的免疫系统激活等问题,丁宝全课题组提出纳米机器疫苗的概念,利用化学自组装技术构建DNA纳米机器疫苗,实现了多种免疫功能成分共同精准定量组装、刺激响应控制及高效的免疫系统激活。
纳米机器疫苗在小动物活体水平展现了良好的肿瘤治疗和抑制转移复发效果,在肿瘤疫苗体系的开发及个体化肿瘤免疫治疗应用中显示了巨大潜力。
相较于传统疫苗,DNA纳米机器疫苗在精准设计与递送、免疫治疗活性、长期免疫效果等方面具有极大的优势,在肿瘤联合治疗、个体化疫苗设计等方面极具应用前景。
同时DNA纳米机器具有可程序化设计的特点,可以通过进一步设计优化用于病毒相关抗原及佐剂等功能成分的递送,有望为抗病毒疫苗的构建提供全新的平台。
中国科协设立“科创中国”系列榜单旨在激发创新引领的跨界合作活力,打造科技创新驱动高质量发展的风向标,深化“科创中国”建设。
其中,先导技术榜单聚焦电子信息、生物医药、先进材料、装备制造、资源环境等五大技术领域,评选出50项能够代表前沿水平,实现技术重大突破,商业模式可见、商业潜力巨大的技术成果。
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Structural DNA Nanotechnology
Cai Miao Wang Qiangbin* ( i-Laboratory,Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics,Chinese Academy of
( DNA double-crossover,DNA DX) 结 构,他 们 是 由 两 个平行螺旋通过 链 交 换 结 合 在 一 起,见 图2( a) 。 这 些双交叉分子修饰 上 合 适 的 黏 性 末 端 后,可 以 成 功 地自组装形成一系列二维阵列。利用相同的原理, 人们还构建了 4 个螺旋、8 个 螺 旋 和 12 个 螺 旋 的 平 面结构[3,4]。基 于 Seeman 的 最 初 设 想,1999 年 Mao 等[5]把 4 个 Holliday 交叉( Holliday junction) 连 接 在 一起构建了平行四边形 DNA 结构单元[5],这些结构 单元能自组装形成带有菱形孔穴的 DNA 二维阵列, 见图2( b) 。 Yan 等[6]报 道 了 一 种 十 字 架 形 状 的 基 元,即 4 × 4 基元,可 以 用 来 作 为 形 成 导 电 纳 米 线 或 蛋白质二维阵列的模板,见 图 2 ( c) 。Mao 课 题 组[7] 利用 4 × 4 基元的 C4 对 称 性,在 同 一 块 基 元 的 DNA 链中引入序列对称 性,这 样 可 以 有 效 地 减 少 构 建 结 构时必需的 DNA 链的数量,并且减少了实验中可能 形成次级结构的概率。Mao 等[8]还 报 道 了 利 用 这 种 周期的二维阵列作为掩模进行分子蚀刻的工作。
1982 年,Seeman 首先提出可以使用带有互补黏 性 末 端 的 分 枝 DNA 分 子 来 构 建 二 维 有 序 阵 列[1]。 如图 1 所示,二维 DNA 结 构 的 基 本 建 筑 单 元 ( 又 称 为“DNA 基元 ”,DNA tile) 是 一 个 由 4 条 单 链 DNA 构建 的 四 臂 交 叉 结 构 ( four-arm-junction complex ) , 而且每一个基元的 4 个黏性末端的碱基序列都经过 特殊设计,其中 1 与 1′互补,2 与 2′互补。 通过不同 基元中黏性末端之 间 的 互 补 配 对,可 以 构 建 周 期 性 的二维 DNA 平面结构。Seeman 的这个天才设想后 来被实验证实是通向结构 DNA 纳米技术的第一块 铺路石。
图 1 DNA 自组装 的 原 理 以 及 应 用。分 枝 状 DNA 纳 米 结构通过黏性末端杂交形成二维阵列。阿拉伯数字表明 了在黏性末端处碱基对互补的策略 (1 与 1′互补)[1] Fig. 1 Principle of DNA self-assembly. Combining branched DNA nanostructures with sticky ends to form 2D arrays. Arabic numbers indicate base pairing strategies between sticky ends (1 is complementary to 1′,etc. )[1]
DNA 作为一种天然的 生 物 大 分 子,在 纳 米 尺 度 上构建 功能 结 构 方 面有 得 天 独 厚的 优 势。首 先, Watson-Crick 碱 基 配 对 原 则 使 得 DNA 链 之 间 的 杂 交可以预测;其次,B 型 DNA 双螺旋结构特性明确, 其直径和螺 旋 重 复 单 位 分 别 为 大 约 2nm 和 3. 4nm ( 大约 10. 5 个 碱 基 对 ) ,这 使 得 即 便 是 最 为 复 杂 的 DNA 纳米结构,构建模型也很简单;第三,DNA 结构
Key words DNA; nanotechnology; functional nanostructures; self-assembly
Contents
1 Introduction 2 Two dimensional DNA nanoarchitectures 3 Three dimensional DNA nanoarchitectures 4 DNA-templated two dimensional nanoarchitectures 5 DNA-templated three dimensional nanoarchitectures 6 Conclusion and outlook
过去的十几年见证了结构 DNA 纳米技术的飞 速 发 展 ,人 们 高 产 率 地 构 建 了 种 类 繁 多 的 、具 有 不 同 几何形状以及拓扑学特征的 DNA 纳米结构。本文 在其基 础 上 将 简 要 总 结 近 年 来 最 具 有 代 表 性 的 DNA 自组装研究结果。
2 二维 DNA 结构
1993 年,Seeman 等[2]首 次 创 建 了 DNA 双 交 叉
图 2 几种具有代表性的 DNA 基 元 的 模 型 ( 上 图) 和 它 们组成的周期性二维阵列(下图): (a) 通过链交换在两 条 DNA 双链中形成双螺旋 ( DX ) 基 元[6],( b) 通 过 连 接 4 个平行的 Holiday 交叉形成平行 DNA 基元[7],( c) 一 个 带有 4 个手臂的十字架基元 (4 × 4 基元 )[8] Fig. 2 Models of some representative DNA tiles ( above) and their assemblies into periodic 2D arrays ( bottom) : ( a) Double-helix ( DX ) tile formed through strand exchange between two DNA duplexes[6],( b) Parallelogram DNA tile formed by joining four Holliday junctions in parallel[7],( c) A cross-shaped tile with four arms (4 × 4 tile)[8]
2006 年,Rothemund[9]的 研 究 结 果 为 结 构 DNA 纳米技术带来了一次激动人心的进展。他首次报道 “支架 DNA 折纸”:利用 200 多条短的 DNA 辅助链, 通过 折 叠 M13mp18 基 因 组 DNA,得 到 大 约 100nm 大小、任 意 形 状 的 二 维 结 构,如 矩 形、正 方 形、三 角 形、星型和笑脸等形状( 图 3) 。
Sciences,Suzhou 215125,China)
Abstract The simple Watson-Crick base pairing rule of A-T / C-G of DNA has created a beautiful biological realm. DNA nanotechnology extends DNA ’s conventional role from genetic blueprint to a building block in constructing functional nanoarchitectures. DNA self-assembly in building programmable nanopatterns has been attracting intense attention and holds great promise for building novel designed nanoarchitectures. In this review, we summarize the principle of DNA self-assembly,introduce some of the exciting progress of structural DNA nanotechnology in recent years,which include construction of DNA 2D patterns and 3D nanostructures,DNAdirected assembly of multicomponent 2D nanoarrays and 3D nanoarchitectures. At the end,we offer the outlook of the ever-growing frontiers of DNA nanotechnology.
图 3 DNA 折纸的原理,通 过 多 条 辅 助 链 将 长 单 链 DNA ( M13mp18 基因 组 DNA) 折 叠 成 为 各 种 形 状: ( a) 正 方 形,( b) 平行四边形,( c) 星型,( d) 笑脸,( e) 平行四 边 形组成的三角形 ; ( f) 梯形组成的三角形[9] Fig. 3 The principle of DNA origami,folding long strand ssDNA( M13mp18 genomic DNA) into shapes with multiple helper strands: ( a) square,( b) rectangle,( c) star,( d) smiling face,( e) triangle with rectangle domain,( f) sharp triangle with trapezoidal domain[9]
1 引言
DNA 自组装是自然界中最普遍的现象之一:两
收稿: 2009 年 6 月,收修改稿: 2009 年 7 月 * Corresponding author e-mail:qbwang2008@ sinano. ac. cn
条互补的单链 DNA 分子自发杂交形成双链 DNA 结 构。整个杂 交 过 程 由 一 系 列 的 非 共 价 相 互 作 用 驱 动 ,如 氢 键 、范 德 华 力 、静 电 力 和 疏 水 相 互 作 用 等 ,并 且严格遵守 Watson-Crick 碱基互补配对原则。