结构生物化学/结构 DNA 纳米技术

概述

结构 DNA 纳米技术专注于合成和构建核酸复合物与纳米颗粒和纳米材料的序列。结构 DNA 纳米技术的目的是在空间和时间上实现对 DNA 结构的完全控制。利用 SDN，科学家可以将 DNA 的结构操纵成任何形状。纳米技术和纳米科学是 DNA 构建的固有主题，因为结构和尺寸是在纳米尺度上测量的。

基本概念

这四条链结合成一个 DNA 四臂连接体，因为这种结构最大限度地增加了正确碱基对的数量，其中 A 与 T 配对，C 与 G 配对。 请参阅此图像，以了解四臂连接体的更真实模型，其中显示了其三级结构。

DNA 纳米技术利用核酸分子中碱基配对的特异性，从核酸构建复杂的结构。核酸分子的结构由一系列核苷酸组成，每个核苷酸都以其包含的核碱基（A、C、T、G）来区分。核酸具有这样的特性：两种分子仅当两个序列互补时才能相互结合形成双螺旋，这意味着它们形成匹配的碱基对序列，其中 A 仅与 T 结合，C 仅与 G 结合。由于正确匹配的碱基对的形成在能量上是有利的，因此在大多数情况下，核酸链有望以最大限度地增加正确配对碱基数量的构象相互结合。这种特性，即序列决定结合模式和整体结构，被 DNA 纳米技术领域所利用，其中人工设计序列以便有利于形成所需结构。

大多数（如果不是全部）DNA 纳米结构都利用 DNA 支链结构，其中最基本的结构看起来像一个 4 路交叉路口。这种简单的刚性支链结构由 4 种独立的互补 DNA 结构组成。尽管存在自然发生的支链结构，例如 Holliday 连接体，但那些结构与用于纳米技术的合成支链结构之间的区别在于，合成结构中每条臂的碱基序列是不同的，这意味着连接点固定在特定的位置，为结构提供了刚性和稳定性。

初始 DNA 纳米技术过程

基序设计和序列设计是结构 DNA 纳米技术初始过程所需的两个主要步骤。必须生成可以从现有的 DNA 链自组装的新 DNA 基序。基序设计依赖于两个 DNA 双螺旋链连接之间的“互换”，以形成新的 DNA 基序。与基序设计同时，需要序列设计来对单个链进行分类。序列设计非常重要，对先前设计的基序的自组装至关重要。

构建体和 DNA 折纸

利用基序设计、序列设计和纳米材料，可以（并且已经）将 DNA 形成为许多不同的构建体。支架链和辅助链用于 DNA 折纸的折叠和形成。Paul W.K. Rothemund 证明，通过链折叠，他能够创建一个 DNA 笑脸。这些构建体和折纸创作的重要发现之一是 DNA 可用表面积的增加。这可以在纳米机械装置的嵌入、三维物体的构建甚至潜在的治疗递送用途方面得到利用。

基于 DNA 的纳米机械装置

除了在空间中开发 DNA 纳米材料结构方面取得的胜利之外，人们还付出了相当大的努力，并且取得了相当大的成功，以开发这些结构在时间上的受控变化。这种基于 DNA 的结构属于纳米机械装置的研究范围。纳米机械运动可以通过利用 DNA 结构转变（如 B-Z 转变）以及 PX 结构向 JX₂ 结构的受控转化来实现。也可以使用 DNA 序列依赖性实现运动。几乎每个 DNA 序列依赖性装置都利用一种技术，即在装置的控制链中添加 8-nt “锚点”，以允许状态改变。最初，控制链中的这个锚点是未配对的，但当向该链添加完整的互补物时，锚点及其互补物会结合在一起，通过分支迁移有效地去除剩余的链。利用这种技术的装置示例包括由 Bernard Yurke 及其同事开发的一对分子镊子，以及旨在以受控方式在 DNA “人行道”上行走的纳米机械装置，这些装置既可以通过人为干预，也可以通过更近期的自主行动来实现。