结构生物化学/DNA作为纳米材料
DNA的许多特性，如微小的尺寸、信息元素和扩增，为DNA产生独特的材料提供了可能性。事实上，DNA分子可以说是迄今为止最有前途的功能性纳米材料之一。DNA的自组装和分子识别特性使其成为自下而上构建纳米技术的关键角色。DNA作为非材料的关键因素在于分子的粘性末端。粘性末端是指从双链DNA分子末端突出的短单链悬垂。这些粘性末端与其互补的对应物配对时，将粘合形成各种各样的分子复合物。在实验室条件下，这些粘性末端序列是可编程的，因此可以控制分子间相互作用，并在粘合点实现可预测的几何形状。这种形成控制允许构建人工DNA结构。多年来，DNA在纳米结构中的应用已扩展到三个主要方向。
- 利用DNA合成人工网络。
- 将DNA整合到表面上。
- 沿着DNA形成金属或半导体纳米粒子组装体。
由于DNA双螺旋沿单个轴线延伸，因此该分子是非分支的。这为使用DNA制造纳米材料带来了问题，因为通过粘性末端连接DNA分子只能允许沿单个线性方向进行构建。然而，分支DNA确实天然存在于自然界中，作为染色体在减数分裂过程中交换信息时形成的中间体。这种结构正式被称为霍利迪结构。多年来，科学家们已经能够设计出导致霍利迪连接的稳定合成变体的序列。这允许构建由天然DNA组成的人造网络。
DNA技术的首要步骤是将分子连接到目标表面。有三种不同的方法可用于此类连接。
- DNA与基底之间的静电相互作用。
- 连接到DNA末端的化学基团的共价结合。
- 连接到DNA末端的蛋白质与固定在表面的相应抗体的结合。
由于增强的表面积和高表面自由能，纳米粒子可以强烈吸收生物分子并促进连接。通常，生物分子在块状材料裸露表面上的吸收会导致其变性和生物活性丧失。但是，由于纳米粒子能够减少DNA的氧化还原位点与工作电极表面之间的距离，因此生物分子能够保持其生物活性。这是因为电子转移速率与两个分子之间距离的指数成反比。
金属纳米粒子由于其电学特性，有可能彻底改变传统技术和实验医学产业。在利用DNA组装金属或半导体纳米粒子方面，已经出现了三种主要方法。
- 带负电的DNA与带正电的胶体的静电结合
- 胶体与DNA的化学结合
- 沿着DNA分子形成成核位点，然后沉积金属或半导体，以允许沿着DNA直接生长纳米粒子。
在DNA可以作为纳米材料使用之前，必须将其构建成正确的形式，这可以通过三个主要思想来实现
- 杂交
- 稳定的分支DNA
- 设计序列的合成。
杂交主要涉及使用粘性末端粘合，通过氢键将线性双链DNA片段连接在一起。粘性末端粘合非常有用，因为我们可以根据亲和力预测粘性末端将如何彼此粘合。最终形成的结构将是双螺旋结构，这有助于我们消除首先建立晶体结构的需要。
稳定的分支DNA与杂交相结合，使DNA成为构建材料成为可能。具有分支结构的DNA分子自组装形成更大的排列。因此，在DNA形成连接的地方，粘性末端以互补的方式结合在一起。但是，DNA将留下多余的粘性末端，它将利用这些粘性末端与其他连接结合，从而“自组装”成二维或三维晶格。
但是，连接存在一个主要问题，那就是由于其序列对称性而导致的不稳定性。所表现出的对称性允许一种称为分支迁移的特定类型的异构化。分支迁移允许分支点重新定位，这使得我们的整个结构高度不稳定。为了使DNA成为稳定的结构，我们必须最大限度地减少序列对称性。然而，自然界非常对称，因此我们必须合成任意序列的DNA分子。幸运的是，自20世纪80年代以来，我们已经有实验室在做这件事，现在可以订购称为“香草”DNA的DNA分子，因为它们缺乏复杂性。因此，这些DNA分子很容易合成，这使得DNA能够以一种结构形式存在，这种形式将有助于我们将其用作纳米材料。
此步骤涉及DNA链之间连接的切换，它与重组DNA非常相似，因为我们通过切换两个不同DNA双螺旋之间的连接来做一些类似于交叉的事情，这最终为我们提供了新的连接性。需要注意的是，此步骤纯粹是理论上的，它是一种类似于后期序列设计蓝图的绘图阶段。基序设计是通过称为互换交换的操作进行的，如果只执行一次互换交换，则刚刚制作了一个构象异构体，并且没有区别。必须执行至少两个操作才能产生不同拓扑结构的结果。已经生成了一些关键的基序
- DX基序：在相反极性链之间进行交换，并以其长度闻名，长度是传统线性双链DNA的两倍。
- DX + J基序：具有一个额外的结构域，该结构域通常垂直于两个螺旋轴的平面，这使得该结构域成为一个地形标记，可以通过原子力显微镜轻松区分。
- TX基序：具有三个结构域，以一种称为1-3方式的特定模式连接（其中一个结构域的顶部螺旋结构域连接到另一个结构域的底部结构域）。这三个结构域很有用，因为在创建的二维阵列中将会有有用的空腔。
- PX基序：发生在两个双螺旋可以并置的任何地方。
- JX2基序：是PX基序的拓扑异构体，缺少PX具有的两个交换。
此步骤是我们使用之前设计的基序，然后进入实验室进行实际设计。主要目标是使我们正在处理的分子成为激发态。实现此目标的一种有效方法是基于序列对称性的最小化，这当然在分支分子的设计中非常有效。
有一些有用的指导方针可以遵循，以避免获得不稳定的分子。
- 防止鸟嘌呤的长片段，因为这些片段可能在交叉点附近形成其他结构。
- 避免某些看起来可能对称的片段，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。
在某些情况下，之前的提示不一定适用，例如在12臂连接处。在这里，不可能用不同的碱基对来侧翼分支点。因此，我们不尝试消除连接中心周围的对称性，而是采用相同的核苷酸对，并在连接周围以四步间隔间隔它们。
在一些情况下，科学家完全忽略了序列对称性，并成功设计了结构，例如DNA折纸。科学家使用长的单链病毒DNA作为支架，构建了几百条较短的链，以产生二维或三维形状。他们能够创造出的两个令人惊叹的DNA折纸作品包括笑脸和西半球地图。
DNA具有各种惊人的用途，这种微小分子的一个用途是可以用来制造本身非常独特的纳米机械装置。此类纳米机械装置包括自组装、改变自身形状和沿着DNA人行道行走的分子。DNA还可以用于组织其他细胞物种，DNA可以帮助组织或移动蛋白质、酶和纳米电子组件。这种对这种动态分子的非凡用途促使其他人开始研究在DNA中编程信息的可能性，超越仅仅使用其遗传密码的用途。
DNA物种不仅用于组织，还可以与基于DNA的系统一起使用。其中一些系统包括周期性组装、使用DNA组织蛋白质和纳米电子组件、算法组装（源自基于DNA的计算）和半天然组件。
DNA可用于组织蛋白质结构。可以使用结构DNA纳米技术将蛋白质与蛋白质结合。例如，生物素基团可以连接到DNA阵列，然后将其与链霉亲和素结合。结构DNA纳米技术的另一个重点是组织纳米电子和纳米光子组件。多个组件可用于组织金属纳米粒子，例如金。
结构DNA纳米技术可用于组织非周期性物质，尽管它并不简单，但可以使用算法组装。算法组装的一个优点是它能够仅使用少量瓦片生成复杂的算法模式。然而，其缺点是算法组装对错误极其敏感，并且比周期性组装更容易出错。
还可以将其他化学物质与DNA结合在纳米结构中。金属有机配合物放置在连接位点，这导致在存在或不存在金属的情况下具有不同的特性。也可以通过使用方形有机金属分子来刺激G四联体形成。
由于DNA可以与其他分子合成物质结合，因此它非常有价值。因此，人们也在质疑这种排列是否可以随时间变化。结构DNA纳米技术中使用了第四维。
设备可以基于结构转变。然而，该系统仅限于两种状态，因为它们忽略了DNA的可编程性。还有一些转变是序列依赖性的，因此许多单独寻址的设备可以存在于同一溶液中。
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