結構生物化學/結構 DNA 奈米技術

概述

結構 DNA 奈米技術專注於合成和構建核酸複合物與奈米顆粒和奈米材料的序列。結構 DNA 奈米技術的目的是在空間和時間上實現對 DNA 結構的完全控制。利用 SDN，科學家可以將 DNA 的結構操縱成任何形狀。奈米技術和奈米科學是 DNA 構建的固有主題，因為結構和尺寸是在奈米尺度上測量的。

基本概念

這四條鏈結合成一個 DNA 四臂連線體，因為這種結構最大限度地增加了正確鹼基對的數量，其中 A 與 T 配對，C 與 G 配對。 請參閱此影像，以瞭解四臂連線體的更真實模型，其中顯示了其三級結構。

DNA 奈米技術利用核酸分子中鹼基配對的特異性，從核酸構建複雜的結構。核酸分子的結構由一系列核苷酸組成，每個核苷酸都以其包含的核鹼基（A、C、T、G）來區分。核酸具有這樣的特性：兩種分子僅當兩個序列互補時才能相互結合形成雙螺旋，這意味著它們形成匹配的鹼基對序列，其中 A 僅與 T 結合，C 僅與 G 結合。由於正確匹配的鹼基對的形成在能量上是有利的，因此在大多數情況下，核酸鏈有望以最大限度地增加正確配對鹼基數量的構象相互結合。這種特性，即序列決定結合模式和整體結構，被 DNA 奈米技術領域所利用，其中人工設計序列以便有利於形成所需結構。

大多數（如果不是全部）DNA 奈米結構都利用 DNA 支鏈結構，其中最基本的結構看起來像一個 4 路交叉路口。這種簡單的剛性支鏈結構由 4 種獨立的互補 DNA 結構組成。儘管存在自然發生的支鏈結構，例如 Holliday 連線體，但那些結構與用於奈米技術的合成支鏈結構之間的區別在於，合成結構中每條臂的鹼基序列是不同的，這意味著連線點固定在特定的位置，為結構提供了剛性和穩定性。

初始 DNA 奈米技術過程

基序設計和序列設計是結構 DNA 奈米技術初始過程所需的兩個主要步驟。必須生成可以從現有的 DNA 鏈自組裝的新 DNA 基序。基序設計依賴於兩個 DNA 雙螺旋鏈連線之間的“互換”，以形成新的 DNA 基序。與基序設計同時，需要序列設計來對單個鏈進行分類。序列設計非常重要，對先前設計的基序的自組裝至關重要。

構建體和 DNA 摺紙

利用基序設計、序列設計和奈米材料，可以（並且已經）將 DNA 形成為許多不同的構建體。支架鏈和輔助鏈用於 DNA 摺紙的摺疊和形成。Paul W.K. Rothemund 證明，透過鏈摺疊，他能夠建立一個 DNA 笑臉。這些構建體和摺紙創作的重要發現之一是 DNA 可用表面積的增加。這可以在奈米機械裝置的嵌入、三維物體的構建甚至潛在的治療遞送用途方面得到利用。

基於 DNA 的奈米機械裝置

除了在空間中開發 DNA 奈米材料結構方面取得的勝利之外，人們還付出了相當大的努力，並且取得了相當大的成功，以開發這些結構在時間上的受控變化。這種基於 DNA 的結構屬於奈米機械裝置的研究範圍。奈米機械運動可以透過利用 DNA 結構轉變（如 B-Z 轉變）以及 PX 結構向 JX₂ 結構的受控轉化來實現。也可以使用 DNA 序列依賴性實現運動。幾乎每個 DNA 序列依賴性裝置都利用一種技術，即在裝置的控制鏈中新增 8-nt “錨點”，以允許狀態改變。最初，控制鏈中的這個錨點是未配對的，但當向該鏈新增完整的互補物時，錨點及其互補物會結合在一起，透過分支遷移有效地去除剩餘的鏈。利用這種技術的裝置示例包括由 Bernard Yurke 及其同事開發的一對分子鑷子，以及旨在以受控方式在 DNA “人行道”上行走的奈米機械裝置，這些裝置既可以透過人為干預，也可以透過更近期的自主行動來實現。