結構生物化學/DNA作為奈米材料
DNA的許多特性，如微小的尺寸、資訊元素和擴增，為DNA產生獨特的材料提供了可能性。事實上，DNA分子可以說是迄今為止最有前途的功能性奈米材料之一。DNA的自組裝和分子識別特性使其成為自下而上構建奈米技術的關鍵角色。DNA作為非材料的關鍵因素在於分子的粘性末端。粘性末端是指從雙鏈DNA分子末端突出的短單鏈懸垂。這些粘性末端與其互補的對應物配對時，將粘合形成各種各樣的分子複合物。在實驗室條件下，這些粘性末端序列是可程式設計的，因此可以控制分子間相互作用，並在粘合點實現可預測的幾何形狀。這種形成控制允許構建人工DNA結構。多年來，DNA在奈米結構中的應用已擴充套件到三個主要方向。
- 利用DNA合成人工網路。
- 將DNA整合到表面上。
- 沿著DNA形成金屬或半導體奈米粒子組裝體。
由於DNA雙螺旋沿單個軸線延伸，因此該分子是非分支的。這為使用DNA製造奈米材料帶來了問題，因為透過粘性末端連線DNA分子只能允許沿單個線性方向進行構建。然而，分支DNA確實天然存在於自然界中，作為染色體在減數分裂過程中交換資訊時形成的中間體。這種結構正式被稱為霍利迪結構。多年來，科學家們已經能夠設計出導致霍利迪連線的穩定合成變體的序列。這允許構建由天然DNA組成的人造網路。
DNA技術的首要步驟是將分子連線到目標表面。有三種不同的方法可用於此類連線。
- DNA與基底之間的靜電相互作用。
- 連線到DNA末端的化學基團的共價結合。
- 連線到DNA末端的蛋白質與固定在表面的相應抗體的結合。
由於增強的表面積和高表面自由能，奈米粒子可以強烈吸收生物分子並促進連線。通常，生物分子在塊狀材料裸露表面上的吸收會導致其變性和生物活性喪失。但是，由於奈米粒子能夠減少DNA的氧化還原位點與工作電極表面之間的距離，因此生物分子能夠保持其生物活性。這是因為電子轉移速率與兩個分子之間距離的指數成反比。
金屬奈米粒子由於其電學特性，有可能徹底改變傳統技術和實驗醫學產業。在利用DNA組裝金屬或半導體奈米粒子方面，已經出現了三種主要方法。
- 帶負電的DNA與帶正電的膠體的靜電結合
- 膠體與DNA的化學結合
- 沿著DNA分子形成成核位點，然後沉積金屬或半導體，以允許沿著DNA直接生長奈米粒子。
在DNA可以作為奈米材料使用之前，必須將其構建成正確的形式，這可以透過三個主要思想來實現
- 雜交
- 穩定的分支DNA
- 設計序列的合成。
雜交主要涉及使用粘性末端粘合，透過氫鍵將線性雙鏈DNA片段連線在一起。粘性末端粘合非常有用，因為我們可以根據親和力預測粘性末端將如何彼此粘合。最終形成的結構將是雙螺旋結構，這有助於我們消除首先建立晶體結構的需要。
穩定的分支DNA與雜交相結合，使DNA成為構建材料成為可能。具有分支結構的DNA分子自組裝形成更大的排列。因此，在DNA形成連線的地方，粘性末端以互補的方式結合在一起。但是，DNA將留下多餘的粘性末端，它將利用這些粘性末端與其他連線結合，從而“自組裝”成二維或三維晶格。
但是，連線存在一個主要問題，那就是由於其序列對稱性而導致的不穩定性。所表現出的對稱性允許一種稱為分支遷移的特定型別的異構化。分支遷移允許分支點重新定位，這使得我們的整個結構高度不穩定。為了使DNA成為穩定的結構，我們必須最大限度地減少序列對稱性。然而，自然界非常對稱，因此我們必須合成任意序列的DNA分子。幸運的是，自20世紀80年代以來，我們已經有實驗室在做這件事，現在可以訂購稱為“香草”DNA的DNA分子，因為它們缺乏複雜性。因此，這些DNA分子很容易合成，這使得DNA能夠以一種結構形式存在，這種形式將有助於我們將其用作奈米材料。
此步驟涉及DNA鏈之間連線的切換，它與重組DNA非常相似，因為我們透過切換兩個不同DNA雙螺旋之間的連線來做一些類似於交叉的事情，這最終為我們提供了新的連線性。需要注意的是，此步驟純粹是理論上的，它是一種類似於後期序列設計藍圖的繪圖階段。基序設計是透過稱為互換交換的操作進行的，如果只執行一次互換交換，則剛剛製作了一個構象異構體，並且沒有區別。必須執行至少兩個操作才能產生不同拓撲結構的結果。已經生成了一些關鍵的基序
- DX基序：在相反極性鏈之間進行交換，並以其長度聞名，長度是傳統線性雙鏈DNA的兩倍。
- DX + J基序：具有一個額外的結構域，該結構域通常垂直於兩個螺旋軸的平面，這使得該結構域成為一個地形標記，可以透過原子力顯微鏡輕鬆區分。
- TX基序：具有三個結構域，以一種稱為1-3方式的特定模式連線（其中一個結構域的頂部螺旋結構域連線到另一個結構域的底部結構域）。這三個結構域很有用，因為在建立的二維陣列中將會有有用的空腔。
- PX基序：發生在兩個雙螺旋可以並置的任何地方。
- JX2基序：是PX基序的拓撲異構體，缺少PX具有的兩個交換。
此步驟是我們使用之前設計的基序，然後進入實驗室進行實際設計。主要目標是使我們正在處理的分子成為激發態。實現此目標的一種有效方法是基於序列對稱性的最小化，這當然在分支分子的設計中非常有效。
有一些有用的指導方針可以遵循，以避免獲得不穩定的分子。
- 防止鳥嘌呤的長片段，因為這些片段可能在交叉點附近形成其他結構。
- 避免某些看起來可能對稱的片段，例如：同聚物片段、多嘧啶片段、交替嘌呤-嘧啶片段或多嘌呤片段。
在某些情況下，之前的提示不一定適用，例如在12臂連線處。在這裡，不可能用不同的鹼基對來側翼分支點。因此，我們不嘗試消除連線中心周圍的對稱性，而是採用相同的核苷酸對，並在連線周圍以四步間隔間隔它們。
在一些情況下，科學家完全忽略了序列對稱性，併成功設計了結構，例如DNA摺紙。科學家使用長的單鏈病毒DNA作為支架，構建了幾百條較短的鏈，以產生二維或三維形狀。他們能夠創造出的兩個令人驚歎的DNA摺紙作品包括笑臉和西半球地圖。
DNA具有各種驚人的用途，這種微小分子的一個用途是可以用來製造本身非常獨特的奈米機械裝置。此類奈米機械裝置包括自組裝、改變自身形狀和沿著DNA人行道行走的分子。DNA還可以用於組織其他細胞物種，DNA可以幫助組織或移動蛋白質、酶和奈米電子元件。這種對這種動態分子的非凡用途促使其他人開始研究在DNA中程式設計資訊的可能性，超越僅僅使用其遺傳密碼的用途。
DNA物種不僅用於組織，還可以與基於DNA的系統一起使用。其中一些系統包括週期性組裝、使用DNA組織蛋白質和奈米電子元件、演算法組裝（源自基於DNA的計算）和半天然元件。
DNA可用於組織蛋白質結構。可以使用結構DNA奈米技術將蛋白質與蛋白質結合。例如，生物素基團可以連線到DNA陣列，然後將其與鏈黴親和素結合。結構DNA奈米技術的另一個重點是組織奈米電子和奈米光子元件。多個元件可用於組織金屬奈米粒子，例如金。
結構DNA奈米技術可用於組織非週期性物質，儘管它並不簡單，但可以使用演算法組裝。演算法組裝的一個優點是它能夠僅使用少量瓦片生成複雜的演算法模式。然而，其缺點是演算法組裝對錯誤極其敏感，並且比周期性組裝更容易出錯。
還可以將其他化學物質與DNA結合在奈米結構中。金屬有機配合物放置在連線位點，這導致在存在或不存在金屬的情況下具有不同的特性。也可以透過使用方形有機金屬分子來刺激G四聯體形成。
由於DNA可以與其他分子合成物質結合，因此它非常有價值。因此，人們也在質疑這種排列是否可以隨時間變化。結構DNA奈米技術中使用了第四維。
裝置可以基於結構轉變。然而，該系統僅限於兩種狀態，因為它們忽略了DNA的可程式設計性。還有一些轉變是序列依賴性的，因此許多單獨定址的裝置可以存在於同一溶液中。
Seeman, Nadrian C. “基於DNA的奈米材料”。生物化學年度回顧 2010年。第79卷：65-87。2010年3月11日。DOI：10.1146/annurev-biochem-060308-102244
Abu-Salah，Khalid M.，Ansari，Anees A.，Alrokayan，Salman A。“奈米生物技術中基於DNA的應用”。生物醫學與生物技術雜誌 2010年。2010：15。2001年12月1日