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DNAナノテクノロジー

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出典しゅってん: フリー百科ひゃっか事典じてん『ウィキペディア（Wikipedia）』
DNAナノテクノロジーでは人工じんこう的てきな核酸かくさんナノ構造こうぞうの設計せっけいと作製さくせいが行おこなわれる。図ずのDNA四よん面体めんていは一いち例れい[1]。四よん面体めんていの各かく辺あたりは20塩基えんき対たいからなるDNA二に重じゅうらせんであり、頂点ちょうてんは3アーム・ジャンクションとなっている。4つの面めんに対応たいおうする4本ほんのDNA鎖くさりは色分いろわけされている。

DNAナノテクノロジー（英えい: DNA nanotechnology）とは、有用ゆうような核酸かくさん構造こうぞうを人工じんこう的てきに設計せっけい・作製さくせいする技術ぎじゅつをいう。DNAの名なが冠かんされているが、他たの種類しゅるいの核酸かくさんも用もちいられるため「核酸かくさんナノテクノロジー」という別名べつめいがある。この分野ぶんやでは核酸かくさんを生なま細胞さいぼうの遺伝いでん情報じょうほうキャリアとしてではなく、非ひ生物せいぶつ学がく的てきなナノ材料ざいりょうとして用もちいる。これまでの研究けんきゅうで、DNAを用もちいた2次元じげん・3次元じげんの結晶けっしょう格子こうしやナノチューブ、多面体ためんたい、さらに任意にんい形状けいじょうの静的せいてき構造こうぞうが作製さくせいされており、分子ぶんし機械きかいやDNAコンピューターのような機能きのうデバイスも得えられている。X線せん構造こうぞう解析かいせきや核かく磁気じき共鳴きょうめいスペクトロスコピーによるタンパク質たんぱくしつの構造こうぞう同定どうていなど、構造こうぞう生物せいぶつ学がくや生物せいぶつ物理ぶつり学がくにおける基礎きそ的てきな問題もんだいを解決かいけつするツールとしても用もちいられ始はじめた。将来しょうらい的てきな分子ぶんしスケールエレクトロニクス（英語えいご版ばん）やナノ医療いりょうへの応用おうようも研究けんきゅうされている。

DNAナノテクノロジーの概念的がいねんてき基盤きばんは1980年代ねんだい初頭しょとうにネイドリアン・シーマン（英語えいご版ばん）によって築きずかれた。広ひろく関心かんしんを集あつめ始はじめたのは2000年代ねんだい半なかば以降いこうである。核酸かくさんを用もちいる利点りてんは、核酸かくさん鎖くさりのうち互たがいに相補そうほ的てきな塩基えんき配列はいれつを持もつ部分ぶぶんだけが結合けつごうして強固きょうこな二に重じゅうらせん構造こうぞうを形成けいせいするという厳きびしい塩基えんき対たい合ごう則そくの存在そんざいである。この規則きそくを利用りようして合理ごうり的てきな塩基えんき配列はいれつデザイン（英語えいご版ばん）を行おこなえば、ナノスケールの精密せいみつなパーツが自然しぜんに組くみあがって複雑ふくざつな標的ひょうてき構造こうぞうを形成けいせいすることが可能かのうになる。構造こうぞうのアセンブル方式ほうしきとしては、より小ちいさな構造こうぞう（DNAタイル）をアセンブルさせるタイルベース構造こうぞうや、核酸かくさんの折おりたたみによって望のぞみの形状けいじょうを得えるDNAオリガミ法ほう、鎖くさり置換ちかん法ほうによって動的どうてきな再さい配置はいちを行おこなう方式ほうしきなどがある。

基本きほん的てきなコンセプト

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核酸かくさんの特性とくせい

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ナノテクノロジーは多おおくの場合ばあい、100ナノメートルスケールより小ちいさい構造こうぞうを持もつ材料ざいりょうや素子そしを研究けんきゅうする分野ぶんやと定義ていぎされる。その中なかでもDNAナノテクノロジーは、分子ぶんし部品ぶひんが自発じはつ的てきに組織そしき化かして安定あんてい構造こうぞうを作つくるボトムアップ型かた自己じこ集合しゅうごうプロセス（英語えいご版ばん）の一いち例れいである。この種たねの構造こうぞうでは、設計せっけい者しゃが選えらんだ部品ぶひんの物理ぶつり的てき・化学かがく的てき特性とくせいが元もとになって特定とくていの形状けいじょうが発現はつげんする[2]。DNAナノテクノロジーで部品ぶひんとなるのはDNAなどの核酸かくさん鎖くさりである。核酸かくさん鎖くさりは多おおくの場合ばあい人工じんこう的てきに合成ごうせいされ、ほとんどのケースで生なま細胞さいぼう内ないの役割やくわりとは関係かんけいのないところで使用しようされる。DNAがナノスケール構造こうぞうの作製さくせいに適てきしている理由りゆうは、核酸かくさん鎖くさり間あいだの結合けつごうが既知きちの単純たんじゅんな塩基えんき対たい合ごう則のりに従したがっており、それによって特有とくゆうの二に重じゅうらせん型がたナノ構造こうぞうを形成けいせいする点てんである。この性質せいしつを利用りようすれば、核酸かくさん鎖くさりの設計せっけいを通つうじて構造こうぞうのアセンブリを制御せいぎょすることが容易よういになる。他たのナノテクノロジー材料ざいりょうはこのような特性とくせいを持もたない。たとえばタンパク質たんぱくしつは構成こうせい要素ようそであるアミノ酸あみのさんの種類しゅるいが多おおく設計せっけいが非常ひじょうに困難こんなんであり[3]、ナノ粒子りゅうしは自みずから特定とくていのアセンブリを行おこなう能力のうりょくがない[4]。

核酸かくさん分子ぶんしはヌクレオチドの配列はいれつからなり、ヌクレオチドはそれに含ふくまれる核酸かくさん塩基えんきによって区別くべつされる。DNAのヌクレオチドにはアデニン (A)、シトシン (C)、グアニン (G)、チミン (T) の四よん種しゅの塩基えんきが含ふくまれる。核酸かくさん分子ぶんしどうしが結合けつごうして二に重じゅうらせんを構成こうせいするのは、それらの塩基えんき配列はいれつが相補そうほ的てきである場合ばあいのみである。すなわち、出来上できあがった二に重じゅうらせんはA-TおよびC-Gという二に種類しゅるいの塩基えんき対たいの配列はいれつにならなければならない[4][5]。塩基えんきが正まさしく対たい合ごうするとエネルギー的てきに有利ゆうり（英語えいご版ばん）であるため、ほとんどのケースでは核酸かくさん鎖くさりどうしが正ただしい塩基えんき対たいの数かずが最大さいだいになるような立体りったい配はい座ざで結合けつごうすると予想よそうされる。このように核酸かくさん鎖くさり系けいで結合けつごうパターンと全体ぜんたい構造こうぞうを決定けっていするのは塩基えんき配列はいれつであり、それを利用りようすれば容易よういに制御せいぎょが行おこなえる。DNAナノテクノロジーの研究けんきゅう者しゃは、塩基えんき対たい形成けいせい作用さようによって望のぞましい立体りったい配はい座ざがアセンブルされるように、核酸かくさん鎖くさりの塩基えんき配列はいれつを合理ごうり的てきに設計せっけいする[4][6]。用もちいられる分子ぶんしはDNAが主流しゅりゅうだが、RNAやペプチド核酸かくさん (PNA) など他たの核酸かくさん分子ぶんしを組くみ込こんだ構造こうぞうも作製さくせいされている[7][8]。

下位かい分野ぶんや

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4本ほんの核酸かくさん鎖くさり (strand 1~4) が結合けつごうした4アームDNAジャンクション。この構造こうぞうを取とることで正ただしい塩基えんき対たい（A-TおよびC-G）の数かずが最大さいだいになるため、鎖くさりは自然しぜんにこの形かたちへと結合けつごうする[9][6]。
4アーム・ジャンクションの三さん次じ構造こうぞうをもう少すこしリアルに表あらわしたモデル。
「ダブルクロスオーバー (DX)」超ちょう分子ぶんし複ふく合体がったい。5本ほんのDNA一本いっぽん鎖くさりからなり、平行へいこうに並ならんだ二ふたつの二に重じゅうらせんドメインに分わけられる。二にか所しょのクロスオーバー点てんにおいて、青あおと黒くろの鎖くさりが交差こうさして上下じょうげのドメインをつないでいる[9]。

構造こうぞうDNAナノテクノロジーと動的どうてきDNAナノテクノロジーという二ふたつの下位かい分野ぶんやに分わけられる場合ばあいがある（これらには重複じゅうふくする部分ぶぶんもある）。構造こうぞうDNAナノテクノロジーの対象たいしょうは、静的せいてきな平衡へいこう形かたちへアセンブリを行おこなう核酸かくさん複ふく合体がったいの合成ごうせいや分析ぶんせきである。動的どうてきDNAナノテクノロジーが対象たいしょうとするのは、化学かがく的てき・物理ぶつり的てき刺激しげきに応おうじて再さい配列はいれつを行おこなう機能きのうなど、有用ゆうような非ひ平衡へいこう的てき挙動きょどうを持もつ複ふく合体がったいである。核酸かくさんナノメカニカル素子そしのようにこれら二に分野ぶんやの特色とくしょくを併あわせ持もつ複ふく合体がったいもある[10][11]。

構造こうぞうDNAナノテクノロジーで構築こうちくされる複ふく合体がったいはトポロジカルに分岐ぶんきした核酸かくさん構造こうぞうを取とっており、複数ふくすうのジャンクション部ぶを持もつ（生物せいぶつ学がく的てきなDNAはそれと対照たいしょう的てきに分岐ぶんきを持もたない二に重じゅうらせん構造こうぞうを取とるのがほとんどである）。最もっとも単純たんじゅんな分岐ぶんき構造こうぞうには、相補そうほ的てきパターンを持もつ部分ぶぶんどうしで結合けつごうしたDNA鎖くさり4本ほんからなる4アーム・ジャンクションがある（右みぎ図上ずじょう）。似にた形態けいたいを持もつ天然てんねんのホリデイ・ジャンクションとは異ことなり、人工じんこう的てきな固定こてい4アーム・ジャンクションはそれぞれのアームが異ことなる塩基えんき配列はいれつを持もっており、ジャンクション位置いちは特定とくていの場所ばしょからずれることができない。一ひとつの複ふく合体がったいが複数ふくすうのジャンクションを持もつこともある。例たとえば広ひろく用もちいられているダブルクロスオーバー (DX) モチーフでは（右みぎ図ず下か）、二ふたつの平行へいこうな二に重じゅうらせんドメインが二ふたつのジャンクションで結合けつごうしており、それらのジャンクションは核酸かくさん鎖くさりが交差こうさするクロスオーバー点てんとなっている。DXモチーフのクロスオーバー点てんはトポロジー的てきに4アーム・ジャンクションと同一どういつだが、独立どくりつした4アーム・ジャンクションが柔軟じゅうなん性せいを持もつのとは異ことなり、4本ほんのアームが一ひとつの軸じくに揃そろえられていて自由じゆうに動うごかすことができない。これにより、DXモチーフは堅固けんごなブロックとして大おおきなDNA複ふく合体がったいを組くみ上あげられるようになる[6][4]。

動的どうてきDNAナノテクノロジーでは、トーホールド配列はいれつを介かいした鎖くさり置換ちかん（英語えいご版ばん）と呼よばれるメカニズムを利用りようして、新あたらしい核酸かくさん鎖くさりを追加ついかすることで核酸かくさん複ふく合体がったいに再さい配列はいれつを行おこなわせる。この反応はんのうでは、新あらたな核酸かくさん鎖くさりは二に本ほん鎖くさり複ふく合体がったいの端はしに設もうけられた一本いっぽん鎖くさり領域りょういき（英語えいご版ばん）（「トーホールド（足あしがかり）」と呼よばれる）と結合けつごうし、さらに分岐ぶんき移動いどうプロセスによって元もとの複ふく合体がったいに含ふくまれる鎖くさりの1つと入いれ替かわる。これで全体ぜんたいとしては、元もとの複ふく合体がったいの核酸かくさん鎖くさりの1つが新あらたに加くわえた鎖くさりと置換ちかんされたことになる[10]。再さい配列はいれつを行おこなえる構造こうぞうや素子そしを作つくる別べつの方法ほうほうとしては、化学かがく反応はんのうを引ひき起おこすデオキシリボザイム（英語えいご版ばん）やリボザイム、あるいは特定とくていのタンパク質たんぱくしつや低てい分子ぶんしと選択せんたく的てきに結合けつごうできるアプタマーのような機能きのう性せい核酸かくさんを用もちいるものがある[12]。

構造こうぞうDNAナノテクノロジー

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構造こうぞうDNAナノテクノロジーでは、静的せいてきな平衡へいこう形かたちを作つくるための部品ぶひんとなる核酸かくさん複ふく合体がったいなどの物質ぶっしつの合成ごうせいと分析ぶんせきが中心ちゅうしんとなる。核酸かくさんの二に重じゅうらせん構造こうぞうは確定かくていしたロバストな3次元じげん形状けいじょうを持もつため、より複雑ふくざつな核酸かくさん複ふく合体がったいの構造こうぞうを予測よそくしたり設計せっけいしたりすることが可能かのうになる。実際じっさいに、2次元じげんや3次元じげんの構造こうぞう、もしくは周期しゅうき的てき、非ひ周期しゅうき的てき、離散りさん的てきな構造こうぞうなど、多おおくの複ふく合体がったい構造こうぞうが作製さくせいされている[11]。

拡張かくちょう格子こうし

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DXアレイのアセンブリ。（左ひだり）: 模も式しき図ず。一本いっぽんの棒ぼうが一ひとつのDNA二に重じゅうらせんドメインにあたる。棒ぼうの両りょう端はしの凸とつ部ぶと凹部はそれぞれ二に種類しゅるいあり、相補そうほ的てきな相手あいてとのみ結合けつごうする粘着ねんちゃく末まつ端はしを表あらわしている。上うえから来きたDX複ふく合体がったいが下方かほうに集あつまっているDX複ふく合体がったいに加くわわって2次元じげんアレイを作つくる[9]。（右みぎ）: 完成かんせいしたアレイの原子げんし間あいだ力りょく顕微鏡けんびきょう像ぞう。集合しゅうごう的てきな構造こうぞうに含ふくまれる個々ここのDXタイルが明確めいかくに見みえる。視野しやは一いち辺へん150 nm。
（左ひだり）上うえ図ずとは異ことなる種類しゅるいの2次元じげん周期しゅうき格子こうしを作つくるDNAタイルのモデル。（右みぎ）できあがった格子こうしの原子げんし間あいだ力りょく顕微鏡けんびきょう像ぞう[13][14]。
フラクタルパターンを持もつ非ひ周期しゅうき2次元じげん格子こうしの例れい。（左ひだり）: フラクタル図形ずけいの一ひとつ、シェルピンスキーのギャスケット。（右みぎ）: 表面ひょうめんに一種いっしゅのシェルピンスキー・ギャスケットが現あらわれたDNAアレイ[15]。

小ちいさい核酸かくさん複ふく合体がったいに粘着ねんちゃく末まつ端はしを持もたせて互たがいに結合けつごうさせると、分子ぶんしをタイルとした充填じゅうてんパターンを持もつ大おおきな2次元じげん周期しゅうき格子こうしが得えられる[11]。この種たねの構造こうぞうで最初さいしょのものは基本きほんタイルとしてDX複ふく合体がったいを使用しようしていた。DX複ふく合体がったいが持もつ四よっつの粘着ねんちゃく末まつ端はしの塩基えんき配列はいれつをデザインすることで、複ふく合体がったいがユニットとなって周期しゅうき的てきに配列はいれつし、剛性ごうせいを持もつ2次元じげんDNA結晶けっしょうとみなせる平坦へいたんな2次元じげんシートを構成こうせいする仕組しくみだった（右みぎ図上ずじょう）[16][17]。ほかのモチーフを用もちいた2次元じげん配列はいれつも作製さくせいされており、ホリデイ・ジャンクション菱形ひしがた格子こうしや[18]、double-cohesionスキームによる様々さまざまなDXベースアレイなどがある[19][20]。右みぎに示しめす画像がぞうの上うえから2つはタイルベース周期しゅうき格子こうしの例れいを示しめしている。

2次元じげんアレイには、そのアセンブリがある種しゅのアルゴリズムを内包ないほうするような非ひ周期しゅうき構造こうぞうを取とらせることも可能かのうである。これはDNAコンピューティングの1つの形かたちである[21]。粘着ねんちゃく末まつ端はしの塩基えんき配列はいれつの選えらび方かたによっては、DX複ふく合体がったいはワンのタイルとなって演算えんざん処理しょりを行おこなえるようになる。実際じっさいに、DXアレイのアセンブリにXOR演算えんざんをエンコードすることでDNAアレイをセル・オートマトンとし、シェルピンスキーのギャスケットと呼よばれるフラクタル構造こうぞうを生成せいせいさせた例れいがある（右みぎ図上ずじょうから3番目ばんめ）[15]。ほかにも、DNAアレイの構造こうぞうを2進数しんすうと対応たいおうさせ、アレイの成長せいちょうとともに数かずが増加ぞうかしていくバイナリカウンタシステムを作つくった例れいがある。これらの結果けっかはDNAアレイのアセンブリに計算けいさん処理しょりが組くみ込こめることを実証じっしょうしている[22]。

DXアレイから中空なかぞらのナノチューブを形成けいせいすることも行おこなわれている。チューブの直径ちょっけいは4–20 nmで、2次元じげん格子こうしが反そって丸まるまったものとみられる[23]。サイズと形状けいじょうはカーボンナノチューブ (CNT) に近ちかい。DNAナノチューブはCNTのように電気でんき伝導でんどう性せいは持もたない代かわりに、構造こうぞうを変更へんこうしたり他たの構造こうぞうと連結れんけつすることが容易よういである。DNAナノチューブの作製さくせいスキームはいくつもあり、曲きょく率りつを持もつDXタイルに格子こうしを組くませて丸まるまったチューブを作つくる方法ほうほうはその一ひとつである[24]。輪わを描えがいた一本いっぽん鎖くさりをタイルとすることでチューブの周しゅう長ちょうを固定こていする方法ほうほうもあり、そこではチューブの剛性ごうせいは創発そうはつ的てきに生しょうじる[25]。

DNAによって3次元じげん格子こうしを作つくることはDNAナノテクノロジーの初期しょきから目標もくひょうとされてきたが、実現じつげんは非常ひじょうに難むずかしかった。2009年ねんになってようやく、張力ちょうりょくと圧縮あっしゅく力りょくをバランスさせるテンセグリティの概念がいねんに基もとづくモチーフによって実現じつげんされたことが報告ほうこくされた[21][26]。

離散りさん構造こうぞう

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一ひとつ一ひとつが多面体ためんたいと同おなじ連結れんけつ性せいを持もつ3次元じげん複ふく合体がったいをDNAから合成ごうせいできることも実証じっしょうされている。そこではDNA二に重じゅう鎖くさりが多面体ためんたいの辺あたりとなり、DNAジャンクションが頂点ちょうてんとなる。多面体ためんたいの種類しゅるいは立方体りっぽうたいや八はち面体めんていなど数多かずおおい[27]。初期しょきの例れいでは、複数ふくすうのライゲーションと固かた相あい合成ごうせいステップを繰くり返かえして連環れんかんDNA多面体ためんたいを作つくり出だしており、大おおきな労力ろうりょくを要ようした[28]。研究けんきゅうが進すすむと合成ごうせいがはるかに容易よういな多面体ためんたい構造こうぞうが作つくり出だされた。例れいとしては、たった一本いっぽんのDNA鎖くさりが正まさしく折おりたたまれて形成けいせいされる八はち面体めんていや[29]、4本ほんのDNA鎖くさりから1ステップで生成せいせいする四よん面体めんてい（記事きじ冒頭ぼうとうの図ずに示しめされている）がある[1]。

不規則ふきそくな任意にんい形状けいじょうのナノ構造こうぞうを作つくる場合ばあい、通常つうじょうはDNAオリガミ法ほうが用もちいられる。「スキャフォールド（足場あしば）」と呼よばれる天然てんねんの長ながい一本いっぽん鎖くさりウィルスDNAを、コンピュータで設計せっけいされた多数たすうの短みじかい「ステープル（かすがい）」鎖くさりによって折おりたたんで望のぞみの形状けいじょうを作つくり出だす方法ほうほうである。その利点りてんは、塩基えんき配列はいれつが足場あしば鎖くさりによって事前じぜんに決定けっていされており、ほかのほとんどのDNAナノテクノロジー技術ぎじゅつと違ちがって核酸かくさん鎖くさりの純度じゅんどや化学かがく量りょう論ろん性せいを高たかく保たもつ必要ひつようがないため、設計せっけいが容易よういだというところにある。DNAオリガミ法ほうはまず2次元じげん形状けいじょうで実証じっしょうされた。最初さいしょに作つくられた形状けいじょうにはスマイリーフェイスや西半球にしはんきゅうの略りゃく地図ちず、モナリザの絵えなどがあった[27][30][31]。平行へいこうにした多おおくのDNA鎖くさりをハニカム状じょうに積つみ上あげて堅固けんごな3次元じげん構造こうぞうを作成さくせいしたり[32]、2次元じげん面めん構造こうぞうを折おりたたんで段だんボール箱ばこのような中空なかぞらの3次元じげん的てき形状けいじょうとすることもできる。箱はこ状じょう構造こうぞうは刺激しげきを受うけると蓋ぶたが開ひらいて分子ぶんし貨物かもつを露出ろしゅつないし放出ほうしゅつするようにプログラムできるため、プログラマブルな分子ぶんしケージ（英語えいご版ばん）としての応用おうようが見込みこまれる[33][34]。

テンプレートによるアセンブリ

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核酸かくさん構造こうぞうにはタンパク質たんぱくしつ、金属きんぞくナノ粒子りゅうし、量子りょうしドット、フラーレンなど核酸かくさん以外いがいの分子ぶんし（ヘテロエレメントとも呼よばれる）を組くみ込こむこともでき、それにより核酸かくさんだけではできなかったような幅広はばひろい機能きのうを持もつ材料ざいりょうや素子そしを構築こうちくすることが可能かのうになる。核酸かくさん構造こうぞうの自己じこアセンブリがテンプレートとなり、ホストしたナノ粒子りゅうしをアセンブリさせるとともに位置いちや時ときには方位ほういの制御せいぎょを行おこなう[27][35]。それらのスキームの多おおくでは共有きょうゆう付加ふかスキームが取とられ、化学かがく的てきハンドルとしてアミド基もとやチオール基もとを持もつオリゴヌクレオチドがヘテロエレメントと結合けつごうする。共有きょうゆう結合けつごうスキームにより、DXアレイ上じょうで金かねナノ粒子りゅうしを配列はいれつさせたり[36]ストレプトアビジンタンパク質たんぱくしつ分子ぶんしに特定とくていのパターンを取とらせることが行おこなわれている[37]。ストレプトアビジンの配列はいれつはDXアレイ上じょうのダーバン型がたポリアミドを利用りようした非ひ共有きょうゆう型がたのホスティングによっても行おこなわれている[38]。DNAアレイへのホスティングによってカーボンナノチューブのアセンブリを行おこない、分子ぶんしエレクトロニクス素子そし（CNT電界でんかい効果こうか型がたトランジスタ（英語えいご版ばん））として機能きのうするようなパターンを取とらせた研究けんきゅうもある[39]。そのほか、最初さいしょの核酸かくさん構造こうぞうの形かたちを保たもったまま金属きんぞくで核酸かくさんを置換ちかんする核酸かくさん金属きんぞく化か法ほうや[40]、核酸かくさんナノ構造こうぞうをフォトリソグラフィのマスクとして利用りようしてパターンを固体こたい表面ひょうめんに転写てんしゃするスキームがある[41]。

動的どうてきDNAナノテクノロジー

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動的どうてきDNAナノテクノロジーでは「トーホールド」と呼よばれる部位ぶいを利用りようした鎖くさり置換ちかん反応はんのうが行おこなわれる。図ず (a) では緑色みどりいろの鎖くさりの一本いっぽん鎖くさりとなった部分ぶぶん（領域りょういき1）がトーホールドである。そこに赤あかい鎖くさりが結合けつごうし (b)、領域りょういき2に沿そって分岐ぶんき点てんが進すすんでいく(c)。最終さいしゅう的てきに青あおい鎖くさりが赤あかい鎖くさりによって置換ちかんされ、複ふく合体がったいから切きり離はなされる (d)。このような反応はんのうによって核酸かくさんナノ構造こうぞうの動的どうてきな再さい配列はいれつもしくはアセンブリが行おこなわれる。赤あかと青あおの鎖くさりが分子ぶんし論理ろんりゲートの信号しんごうを表あらわすようにもできる。

動的どうてきDNAナノテクノロジーで中心ちゅうしんとなるのは、計算けいさんや機械きかい的てき運動うんどうなど、所定しょていの動的どうてき機能きのうを発現はつげんさせるような全体ぜんたい構造こうぞうを持もつ核酸かくさん系けいの構築こうちくである。アニーリングから動的どうてきな再さい配列はいれつを行おこなうことで構造こうぞうを得えたり、最初さいしょから動的どうてきに構造こうぞう形成けいせいを行おこなうこともできるため、構造こうぞう的てきDNAナノテクノロジーと重かさなる部分ぶぶんがある[27][42]。

ナノメカニカル素子そし

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ナノロボットの一ひとつの形かたちとして、何なんらかの刺激しげきによって立体りったい配はい座ざを変化へんかさせるDNA複ふく合体がったいが作製さくせいされている。作製さくせいには構造こうぞう的てきDNAナノテクノロジーにおいて静的せいてき構造こうぞうを作つくるのと同様どうような方法ほうほうがとられるが、アセンブリ後ごに動的どうてきな再さい配列はいれつが可能かのうなように設計せっけいされる[10][42]。この種たねの素子そしで最初さいしょのものはB-DNA（右みぎ巻まき）とZ-DNA（左巻ひだりまき）の間あいだの遷移せんいを利用りようしており、バッファー条件じょうけんの変化へんかに応おうじてねじれ運動うんどうを行おこなった[43]。バッファー条件じょうけんをトリガーとする系けいではすべての素子そしが同時どうじに状態じょうたい変化へんかを起おこしたが、後のちには制御せいぎょストランドが状態じょうたい変化へんかを起おこさせるような系けいを用もちいて溶液ようえき中ちゅうの各かく素子そしを独立どくりつして操作そうさできるようになった。その例れいとしては、開ひらき状態じょうたいと閉状態じょうたいを持もつ「分子ぶんしピンセット」の仕組しくみや[44]、パラネミック・クロスオーバー配はい位い (PX) とダブルジャンクション配はい位い (JX2) とを切きり替かえることで回転かいてん運動うんどうを生しょうじる素子そし[45]、制御せいぎょストランドと出会であうと動的どうてきに伸縮しんしゅくを行おこなう2次元じげんアレイがある[46]。動的どうてきに開閉かいへいを行おこなえるケージ構造こうぞうも作つくられており、機能きのう性せい分子ぶんし貨物かもつを自在じざいに露出ろしゅつないし放出ほうしゅつさせる分子ぶんしケージとして期待きたいされている[33][47][48]。

DNAウォーカー（英語えいご版ばん）は一いち次元じげん的てきなトラックに沿そって指向しこう性せい運動うんどうを行おこなう核酸かくさんナノマシンの一種いっしゅであり、多おおくのスキームが確立かくりつされている[42]。たとえば一連いちれんの順番じゅんばんで制御せいぎょストランドを添加てんかすることでトラックに沿そって一いち歩ほずつウォーカーを動うごかす戦略せんりゃくがある[49][50]。別べつのアプローチとして、制限せいげん酵素こうそまたはデオキシリボザイムを備そなえたウォーカーがトラックの核酸かくさん鎖くさりを切断せつだんしながら一方向いちほうこうに進すすむ自律じりつ的てきなシステムもある[51][52]。後のちには一いち次元じげん的てきなトラックの代かわりに2次元じげん面めんを歩あるきながら分子ぶんし貨物かもつを選択せんたく的てきに拾ひろい上あげて運はこぶウォーカーも実現じつげんされた[53]。また、トラックに沿そって進すすみながらDNAテンプレート合成ごうせい（英語えいご版ばん）を行おこなうことで自律じりつ的てきに多た段階だんかい化学かがく合成ごうせいを進すすめる一いち次元じげんウォーカーも実現じつげんしている[54]。化学かがく合成ごうせいDNAウォーカーの機能きのうは天然てんねんのタンパク質たんぱくしつダイニンとキネシンに通つうじる[55]。

鎖くさり置換ちかんカスケード

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鎖くさり置換ちかん反応はんのうのカスケードを利用りようして計算けいさんや構造こうぞう形成けいせいを行おこなうことができる。何なんらかのイニシエーター鎖くさりへの応答おうとうとして新あたらしい配列はいれつが露出ろしゅつするのが一ひとつの鎖くさり置換ちかん反応はんのうである。多数たすうの反応はんのうをつなげることで、ある反応はんのうで露出ろしゅつした配列はいれつが次つぎの反応はんのうのイニシエーターとなるような生化学せいかがくカスケード（英語えいご版ばん）を構築こうちくできる。さらにそれを組くみ合あわせて、多数たすうの要素ようそからなる化学かがく反応はんのうネットワークを構築こうちくすれば複雑ふくざつな計算けいさんや情報処理じょうほうしょりを行おこなわせられる。カスケード反応はんのうは新あたらしい塩基えんき対たいの形成けいせいによるエネルギー利得りとくと分解ぶんかい反応はんのうによるエントロピー増大ぞうだいによりエネルギー的てきに有利ゆうりとなる。鎖くさり置換ちかんカスケードを用もちいれば等温とうおん操作そうさによってアセンブリや計算けいさんプロセスを行おこなうことが可能かのうで、従来じゅうらいの核酸かくさんアセンブリにおいて加熱かねつ後ごにゆっくり冷却れいきゃくすることで目的もくてきの構造こうぞうを形成けいせいさせる熱ねつ的てきアニーリングステップが必要ひつようだったとは対照たいしょう的てきである。また鎖くさり置換ちかんカスケードのイニシエーター種しゅに触媒しょくばい機能きのうを持もたせて、1当とう量りょう未満みまんのイニシエーターによって反応はんのうを一方向いちほうこうに進すすめることもできる[10][56]。

鎖くさり置換ちかん複ふく合体がったいからは複雑ふくざつな計算けいさんを行おこなう分子ぶんし論理ろんりゲートを作成さくせいすることができる[57]。電流でんりゅうによって入出力にゅうしゅつりょくを行おこなう従来じゅうらいの電子でんし計算けいさん機きとは異ことなり、分子ぶんしコンピュータは特定とくていの化学かがく種しゅの濃度のうどを信号しんごうとする。核酸かくさん鎖くさり置換ちかん回路かいろでは、置換ちかん複ふく合体がったい上じょうのほかの鎖くさりと結合けつごうして消費しょうひされたり、また切断せつだんされて出現しゅつげんしたりする核酸かくさん鎖くさりの存在そんざいが信号しんごうとなる。このアプローチによってAND、OR、NOTゲートのような論理ろんりゲートが作製さくせいされている[58]。より近年きんねんでは、130本ほんのDNA鎖くさりからなるゲート系けいによって0〜15の整数せいすうの平方根へいほうこんを計算けいさんできる4ビット回路かいろが構成こうせいされている[59]。

RNAによるステム・ループ構造こうぞう（ヘアピン構造こうぞう）の例れい。

鎖くさり置換ちかんカスケードを動的どうてきな構造こうぞうアセンブリに用もちいた例れいもある。そこでは反応はんのう体たいとしてヘアピン構造こうぞうを用もちいており、入力にゅうりょく鎖くさりが結合けつごうしたときに鎖くさりが切きり離はなされるのではなく、ヘアピンが開ひらくことによって配列はいれつが新あたらしく露出ろしゅつするようになっている。開ひらいたヘアピンは成長せいちょう中ちゅうの複ふく合体がったいに追加ついかされる。このアプローチからは3～4アームのジャンクションやデンドリマーのような単純たんじゅんな構造こうぞうが作製さくせいされている[56]。

応用おうよう

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DNAナノテクノロジーは、正確せいかくに制御せいぎょされたナノスケールの構成こうせい部品ぶひんを持もつ複雑ふくざつな構造こうぞうを設計せっけい・構築こうちくする数少かずすくない方法ほうほうの1つである。構造こうぞう生物せいぶつ学がくと生物せいぶつ物理ぶつり学がくでは基礎きそ的てきな問題もんだいを解決かいけつするためにDNAナノテクノロジーが応用おうようされ始はじめている。最初さいしょに考かんがえられたのは結晶けっしょう学がくへの応用おうようで、単独たんどくでは結晶けっしょう化かが困難こんなんな分子ぶんしを3次元じげん核酸かくさん格子こうし内ないに周期しゅうき配置はいちすることで構造こうぞう同定どうていを行おこなうというものだったが、現在げんざいでも研究けんきゅうが進すすめられている。ほかにも、タンパク質たんぱくしつNMR分光ぶんこうで残留ざんりゅう双極そうきょく子こカップリング（英語えいご版ばん）を測定そくていする際さいに液晶えきしょうの代かわりとしてDNAオリガミロッドを使用しようすることがある。DNAオリガミロッドは膜まくタンパク質たんぱくしつを液えき中ちゅうに分散ぶんさんさせるのに必要ひつような界面かいめん活性かっせい剤ざいに耐たい性せいがある点てんで液晶えきしょうより優すぐれている。DNAウォーカーはナノ粒子りゅうしを運はこんで化学かがく合成ごうせいを進すすめるナノスケールの組くみ立たてラインとして応用おうようされている。さらに、酵素こうその機能きのうやタンパク質たんぱくしつの折おりたたみに関かんする生物せいぶつ物理ぶつり学がく的てきな研究けんきゅうでもDNAオリガミ構造こうぞうが役立やくだてられている[11][60]。

DNAナノテクノロジーは将来しょうらいの実用じつよう的てきな応用おうように向むけて発展はってんを続つづけている。核酸かくさんアレイには他たの分子ぶんしを配列はいれつさせる能力のうりょくがあるため分子ぶんしスケールエレクトロニクスへの応用おうようが期待きたいされる。核酸かくさん構造こうぞうのアセンブリをテンプレートとして分子ぶんしワイヤ（英語えいご版ばん）のような分子ぶんしエレクトロニクス素子そしのアセンブリを行おこなえば、ブレッドボードに相当そうとうする分子ぶんし素子そしのアーキテクチャやチップ上じょうの配置はいちをナノメートルの精度せいどで制御せいぎょできるようになる[11][27]。DNAナノテクノロジーは計算けいさん処理しょりを物質ぶっしつの特性とくせいと結むすび付つけた点てんでプログラマブルマターの概念がいねんと比くらべられてきた[61]。

オーフス大学だいがくiNANOセンターおよびCDNAセンターで行おこなわれた研究けんきゅうで、複ふく数すう回かいのスイッチングが可能かのうな3次元じげんボックス構造こうぞうがDNAオリガミによって構築こうちくされた。その性質せいしつは原子げんし間あいだ力りょく顕微鏡けんびきょう (AFM)、透過とうか型がた電子でんし顕微鏡けんびきょう (TEM)、および蛍光けいこう共鳴きょうめいエネルギー移動いどう (FRET) によって確たしかめられた。このボックスは蓋ぶたを閉とじ直なおす独自どくじの機構きこうを備そなえており、決きめられたDNAもしくはRNAの組くみを鍵かぎとして何なん度ども開閉かいへいを行おこなうことができる。この研究けんきゅうの著者ちょしゃは「DNAデバイスには、単一たんいつ分子ぶんしの機能きのう制御せいぎょ、ドラッグデリバリー制御せいぎょ、分子ぶんし計算けいさんなど幅広はばひろい応用おうようが考かんがえられる」と主張しゅちょうした[62]。

ナノ医療いりょうにおいても、生体せいたい適合てきごう性せいのあるDNAナノテクノロジーの計算けいさん方式ほうしきを利用りようして標的ひょうてき化かドラッグデリバリー用ようの「スマートドラッグ」を作成さくせいできる可能かのう性せいがある。研究けんきゅう中ちゅうのシステムには、アポトーシス（細胞さいぼう死し）を誘導ゆうどうするタンパク質たんぱくしつを中空ちゅうくうのDNAボックスに入いれて運はこび、癌がん細胞さいぼうの近傍きんぼうで放出ほうしゅつするというものがある[60][63]。またこのような人工じんこう的てきな構造こうぞうを生いきた細菌さいきんの細胞さいぼう中ちゅうで発現はつげんさせることにも関心かんしんが寄よせられている。そのアセンブリには転写てんしゃ産物さんぶつRNAが利用りようできると見みられているが、細胞さいぼう質しつ中ちゅうで複雑ふくざつな構造こうぞうを効率こうりつ的てきに折おりたたんだりアセンブリしたりできるかは分わかっていない。これが成功せいこうすれば、核酸かくさんナノ構造こうぞうに定てい向こう進化しんか（英語えいご版ばん）を行おこなわせることができるようになる[27]。オックスフォおっくすふぉード大学どだいがくの研究けんきゅう者しゃは、短みじかい合成ごうせいDNA鎖くさり4本ほんが自己じこ集積しゅうせきしたケージ構造こうぞうが細胞さいぼうに侵入しんにゅうしたまま少すくなくとも48時じ間あいだ生存せいぞんしたと報告ほうこくした。蛍光けいこう標識ひょうしきされたDNA四よん面体めんていケージは、実験じっけん室しつで培養ばいようされたヒト腎じん細胞さいぼうの中なかで細胞さいぼう酵素こうそによる攻撃こうげきを受うけながらも2日にち後ごまで損傷そんしょうしなかった。この実験じっけんによりDNAケージによる生なま細胞さいぼう中ちゅうでのドラッグデリバリーの可能かのう性せいが示しめされた[64][65]。DNA四よん面体めんていを用もちいてマウスモデルにRNA干渉かんしょう (RNAi) を起おこせることもMITのチームによって報告ほうこくされている。ポリマーや脂質ししつによって干渉かんしょうRNAをデリバリーする治療ちりょう法ほうはすでにある程度ていどの成功せいこうを収おさめていたが、血ち流りゅう中ちゅうでの寿命じゅみょうが短みじかく、安全あんぜん性せいや送達そうたつの正確せいかく性せいにも課題かだいがあった。MITで作成さくせいされたDNAナノ構造こうぞうは、6本ほんのDNA鎖くさりが四よん面体めんていを形成けいせいし、それぞれの辺あたりに1本ほんのRNA鎖くさりを付与ふよする構造こうぞうだった。四よん面体めんていにはそのほか標的ひょうてき化かのために葉酸ようさん分子ぶんしが3つ付与ふよされており、いくつかの腫瘍しゅようで豊富ほうふに見みられる葉酸ようさん受容じゅよう体たいにナノ粒子りゅうしを誘導ゆうどうする仕組しくみになっていた。その結果けっか、RNAiの標的ひょうてきであったルシフェラーゼの遺伝子いでんし発現はつげんが半分はんぶん以下いかに低下ていかすることが示しめされた。この研究けんきゅうにより、DNAナノテクノロジーが新あたらしいRNA干渉かんしょう技術ぎじゅつを通とおして有効ゆうこうな治療ちりょうツールを生うみ出だしうる見通みとおしが高たかまった[66][67]。DNA四よん面体めんてい構造こうぞうを用もちいて多た剤ざい耐たい性せい現象げんしょうを克服こくふくしようとする試こころみもある。P糖とうタンパク質たんぱくしつによる薬物やくぶつ排出はいしゅつポンプ機能きのうを有ゆうするMCF-7乳にゅうがん細胞さいぼうに対たいし、四よん面体めんていと複ふく合あわさせたドキソルビシン (DOX) を負荷ふかした結果けっか、DOXが排出はいしゅつされずにがん細胞さいぼうのアポトーシスが達成たっせいされた。生態せいたい適合てきごう性せいをテストするため、DOXを含ふくまない四よん面体めんていを細胞さいぼうに負荷ふかしたところ、四よん面体めんてい自身じしんは細胞さいぼう毒性どくせいを示しめさなかった[68]。

DNAナノテクノロジーの医療いりょう応用おうようとしては、天然てんねんの膜まくタンパク質たんぱくしつの構造こうぞうと機能きのうを模倣もほうするように設計せっけいされたDNAナノ構造こうぞうも注目ちゅうもくされている。2012年ねん、ランゲッカーら[69]は、茎くき状じょうのDNAオリガミ構造こうぞうが疎水そすい性せいコレステロール修飾しゅうしょくを利用りようして脂質ししつ膜まくに自己じこ挿入そうにゅうし、膜まくを通とおしてイオン電流でんりゅうを流ながす細ぼそ孔あなとして機能きのうしたと発表はっぴょうした。これは最初さいしょに実現じつげんされた合成ごうせいDNAイオンチャネルであり、後のちには単一たんいつのDNA二に重じゅう鎖くさりや[70]、小ちいさいタイルベース構造こうぞう[71][72][73][74][75]、あるいはDNAオリガミによる大おおきな膜まく貫通かんつうポリンなど、多おおくの方式ほうしきで細ぼそ孔あなが作つくられた[76]。天然てんねんのタンパク質たんぱくしつイオンチャネルと同おなじように、多様たような設計せっけいが可能かのうな合成ごうせいDNAチャネルはコンダクタンスに数すう桁けたの幅はばを持もたせることができる。単一たんいつのDNA二に重じゅう鎖くさりによって脂質ししつ二に重層じゅうそうにイオンチャネルを形成けいせいする研究けんきゅうでは、DNA鎖くさり自体じたいには内うち腔が存在そんざいせず、イオン電流でんりゅうはDNAと脂質ししつの界面かいめんを流ながれる。このチャネルの周辺しゅうへんで脂質ししつ頭あたま基もとはDNAの方ほうを向むくため、細ほそ孔あな形状けいじょうは単純たんじゅんな円筒えんとうではなくトロイダル型かたとなっている[70]。ケンブリッジ大けんぶりっじだいとイリノイ大だいアーバナ・シャンペーン校こうの研究けんきゅう者しゃは、そのようなDNA誘導ゆうどうトロイダル孔あなが脂質ししつ二に重層じゅうそうの層間そうかんで脂質ししつの高速こうそくな反転はんてんを引ひき起おこすことを示しめした。この効果こうかを利用りようして、スクランブラーゼ（英語えいご版ばん）と呼よばれる天然てんねんタンパク質たんぱくしつよりも桁違けたちがいに大おおきい速度そくどで生体せいたい膜まくの脂質ししつを反転はんてんさせる合成ごうせいDNA製せい酵素こうそが設計せっけいされている[77]。この研究けんきゅうは合成ごうせいDNAナノ構造こうぞうによるパーソナルドラッグや個別こべつ化か治療ちりょう法ほうの可能かのう性せいを指さししている。

設計せっけい

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DNAナノ構造こうぞうは個々ここの核酸かくさん鎖くさりが集合しゅうごうして目的もくてきの構造こうぞうを作つくるように合理ごうり的てきに設計せっけいする必要ひつようがある。通常つうじょう、まずは標的ひょうてきとする三さん次じ構造こうぞうまたは機能きのうを特定とくていしなければならない。次つぎに、標的ひょうてき複ふく合体がったい全体ぜんたいの二に次じ構造こうぞうが決きめられる。すなわち核酸かくさん鎖くさりの配置はいちと、それぞれの鎖くさりのどの部分ぶぶんを互たがいに結合けつごうするかを特定とくていする。最後さいごのステップは一いち次じ構造こうぞうの設計せっけい、つまり核酸かくさん鎖くさりの具体ぐたい的てきな塩基えんき配列はいれつの決定けっていである[23][78]。

構造こうぞう設計せっけい

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核酸かくさんナノ構造こうぞうを設計せっけいする最初さいしょのステップは、与あたえられた構造こうぞうをどうやって核酸かくさん鎖くさりの配列はいれつとして表あらわすかを決きめることである。このステップでは求もとめる形状けいじょうの中なかで鎖くさりをつなぐ塩基えんき対たいの位置いち（二に次じ構造こうぞう）が決きめられる[23]。これまでに複数ふくすうのアプローチが確立かくりつされている。

タイルベースの構造こうぞう
このアプローチではターゲット構造こうぞうを小ちいさなユニットに分割ぶんかつする。それぞれのユニットに含ふくまれる鎖くさりどうしは強つよく結合けつごうしているが、ユニット間あいだの相互そうご作用さようはそれより弱よわい。周期しゅうき格子こうしの作製さくせいに用もちいられることが多おおいが、アルゴリズミック・セルフアセンブリにも応用おうようできるためDNAコンピューティングのプラットフォームになりうる。1990年代ねんだい半なかばから2000年代ねんだい半なかばまで主要しゅような戦略せんりゃくだったが、DNAオリガミの方法ほうほう論ろんが発展はってんするとその地位ちいを失うしなった[23][79]。
折おりたたみ構造こうぞう
タイルベースのアプローチに代かわるもので、1本ほんの長ながい鎖くさりを折おりたたんでナノ構造こうぞうを作つくる。長ながい鎖くさりの各部かくぶが互たがいに結合けつごうするように設計せっけいすることで折おり畳たたみを行おこなうか、あるいは短みじかい「ステープル」鎖くさりが留とめ金がねの役割やくわりを果はたす。後者こうしゃの方法ほうほうはDNAオリガミと呼よばれており、2次元じげん・3次元じげんのナノスケール形状けいじょうを作製さくせいすることができる（離散りさん構造こうぞう節ふし参照さんしょう）[27][30]。
動的どうてきアセンブリ
最終さいしゅう的てきな生成せいせい物ぶつだけでなく、反応はんのう機構きこうの中間ちゅうかんステップすべてを設計せっけいすることでDNAセルフアセンブリの動力どうりょく学がくを直接ちょくせつ制御せいぎょするアプローチ。ヘアピン構造こうぞうを持もつ出発しゅっぱつ物質ぶっしつが決きまった順序じゅんじょでカスケード反応はんのう（英語えいご版ばん）を起おこして最終さいしゅう的てきな配はい座ざにアセンブルする（鎖くさり置換ちかんカスケード節ふし参照さんしょう）。このアプローチには一定いってい温度おんどで等温とうおん的てきに進行しんこうする利点りてんがあり、アセンブリをトリガーして正まさしく構造こうぞう形成けいせいを行おこなうために高温こうおんの熱ねつアニーリングステップを必要ひつようとする熱ねつ力学りきがく的てきアプローチとは対照たいしょう的てきである[27][56]。

塩基えんき配列はいれつの設計せっけい

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詳細しょうさいは「核酸かくさんの設計せっけい」を参照さんしょう

いずれかのアプローチによって標的ひょうてき複ふく合体がったいの二に次じ構造こうぞうを設計せっけいした後のちは、それを実現じつげんする具体ぐたい的てきなヌクレオチド配列はいれつを考かんがえなければならない。構成こうせい鎖くさりが結合けつごうして求もとめる立体りったい配はい座ざとなるように鎖くさりに対たいして核酸かくさん塩基えんき配列はいれつを割わり当あてるプロセスが核酸かくさん設計せっけいである。配列はいれつの設計せっけいでは、標的ひょうてき構造こうぞうがエネルギー的てきに最低さいていで熱ねつ力学りきがく的てきに最もっとも有利ゆうりになり、アセンブルに誤あやまりが生しょうじた場合ばあいはエネルギーが高たかく不利ふりになることを狙ねらうのがほとんどである。実際じっさいに設計せっけいを行おこなうには、sequence symmetry minimization 法ほうなどの単純たんじゅんで高速こうそくな発見はっけん的てき手法しゅほうのほか、計算けいさん量りょうが多おおく時間じかんがかかるが正確せいかくな方法ほうほうとして、最さい近接きんせつ塩基えんき対たいの熱ねつ力学りきがく的てきモデル（Nearest-neighbor法ほう）を正面しょうめんから扱あつかうやり方かたがある。幾何きか学がく的てきモデルを用もちいてナノ構造こうぞうの三さん次じ構造こうぞうを検査けんさし、複ふく合体がったいに過度かどのひずみが生しょうじていないか確たしかめることもある[78][80]。

核酸かくさん設計せっけいの戦略せんりゃくはタンパク質たんぱくしつの設計せっけいと似にている。いずれの場合ばあいも、求もとめる標的ひょうてき構造こうぞうが有利ゆうりとなり、ほかの構造こうぞうが不利ふりとなるようにモノマー配列はいれつの設計せっけいが行おこなわれる。核酸かくさん設計せっけいでは構造こうぞうのエネルギー的てきな有利ゆうり不利ふりを予測よそくするには単純たんじゅんな塩基えんき対たい合ごう則そくだけを考慮こうりょすれば十分じゅうぶんであり、構造こうぞう全体ぜんたいの3次元じげん的てきな折おりたたみについての細こまかい情報じょうほうは不要ふようであるため、計算けいさんの容易たやすさという点てんでタンパク質たんぱくしつの設計せっけいに勝かっている。このため単純たんじゅんな発見はっけん的てき手法しゅほうを用もちいてロバストなデザインを実験じっけん的てきに得えることが可能かのうになる。ただし、核酸かくさん構造こうぞうはタンパク質たんぱくしつと比くらべて機能きのうの多様たよう性せいでは劣おとる。タンパク質たんぱくしつは折おりたたみによって複雑ふくざつな構造こうぞうを作つくる能力のうりょくが高たかく、また核酸かくさんが4種しゅのヌクレオチドのみからなり化学かがく的てきな多様たよう性せいが低ひくいのに対たいしてタンパク質たんぱくしつでは20種しゅのタンパク質たんぱくしつ構成こうせいアミノ酸あみのさんを用もちいることができる[80]。

作製さくせい方法ほうほう

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DX複ふく合体がったいの形成けいせいアッセイ。このようなゲル電気でんき泳およげ動どう法ほうによって目的もくてきの構造こうぞうが正ただしく形成けいせいされたかどうかを確認かくにんする。各かくレーンに含ふくまれる一連いちれんのバンドはそれぞれ特定とくていの反応はんのう中ちゅう間あいだ体たいに対応たいおうする。

ターゲット構造こうぞうを作つくるためのDNA鎖くさりの配列はいれつ設計せっけいは分子ぶんしモデリングおよび熱ねつ力学りきがくモデリングソフトウェアによってコンピュータ上じょうで行おこなわれる[78][80]。次つぎに、標準ひょうじゅん的てきなオリゴヌクレオチド合成ごうせい（英語えいご版ばん）法ほうによって核酸かくさんそのものを合成ごうせいする。このステップは自動じどう化かされた合成ごうせい装置そうちによるのが普通ふつうである。特定とくてい用途ようと向むけに配列はいれつされた核酸かくさん鎖くさりは市販しはんもされている[81]。必要ひつように応おうじて変性へんせいゲル電気でんき泳およげ動どうによって核酸かくさん鎖くさりの精製せいせいを行おこない[82]、さらに紫外線しがいせん吸収きゅうしゅう分光ぶんこう法ほうを用もちいた核酸かくさん定量ていりょう（英語えいご版ばん）法ほうによって濃度のうどを正確せいかくに決定けっていする[83]。

標的ひょうてき構造こうぞうが完成かんせいしたかどうかは非ひ変性へんせいゲル電気でんき泳およげ動どうで検証けんしょうできる。この方法ほうほうからは核酸かくさん複ふく合体がったいのサイズと形状けいじょうに関かんする情報じょうほうが得えられる。ゲルシフトアッセイを行おこなえば構造こうぞうに必要ひつような鎖くさりがすべて組くみ込こまれたかを評価ひょうかできる[84]。蛍光けいこう標識ひょうしきとフェルスター共鳴きょうめいエネルギー移動いどう (FRET) による構造こうぞう評価ひょうかも行おこなわれることがある[85]。

核酸かくさん構造こうぞうを直接ちょくせつ観察かんさつするには原子げんし間あいだ力りょく顕微鏡けんびきょうがあり、これは拡張かくちょう2次元じげん格子こうしには有効ゆうこうだが、離散りさん3次元じげん構造こうぞうでは核酸かくさん構造こうぞうが脆もろく探さがせ針はりから影響えいきょうを受うけるため適てきしていない。その場合ばあい、代かわりに透過とうか型がた電子でんし顕微鏡けんびきょうと低温ていおん電子でんし顕微鏡けんびきょう法ほうが用もちいられることが多おおい。拡張かくちょう3次元じげん格子こうしではX線せん構造こうぞう解析かいせきが行おこなわれる[86][87]。

歴史れきし

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エッシャー作さく『深ふかみ』
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ネイドリアン・シーマンはDNA3次元じげん格子こうしを利用りようして結晶けっしょう化かしにくい分子ぶんしの配向はいこうを行おこなうアイディアをエッシャーの木版もくはん画が『深ふかみ』から得えたという。DNAナノテクノロジーの分野ぶんやはここから始はじまった。

DNAナノテクノロジーの概念的がいねんてき基盤きばんは1980年代ねんだい初頭しょとうにネイドリアン・シーマンによって築きずかれた[88]。シーマンの元々もともとの動機どうきは3次元じげんDNA格子こうしを利用りようして大分おおいた子この配向はいこうを行おこなうことだった。これにより、大分おおいた子こから高こう純度じゅんどの結晶けっしょうを作つくる困難こんなんなプロセスが省はぶかれて結晶けっしょう構造こうぞう解析かいせきが容易よういになるはずだった。シーマンは1980年ねんの末すえに、M・C・エッシャーによる木版もくはん画が『深ふかみ』がDNAの6アーム・ジャンクション・アレイと似にていると気きづいたことからこのアイディアを得えたという[6][89]。そのころすでにDNA複製ふくせいフォークや可動かどうホリデイジャンクションなど天然てんねんのDNA分岐ぶんき構造こうぞうはいくつか知しられていたが、シーマンは先見せんけんの明あかりを発揮はっきさせて、構成こうせい分子ぶんしの塩基えんき配列はいれつを適切てきせつに設計せっけいして核酸かくさんジャンクションの対称たいしょう性せいを失うしなわせればそれを固定こてい化かでき、さらに固定こてい化かしたジャンクションを結合けつごうさせて堅固けんごな結晶けっしょう格子こうしを作つくることが原理げんり的てきに可能かのうだと考かんがえた。このスキームは1982年ねんの理論りろん的てきな論文ろんぶんで最初さいしょに提案ていあんされ、翌年よくねんには固定こていDNAジャンクションが実験じっけん的てきに証明しょうめいされた[4][27]。

1991年ねん、DNAを用もちいて立方体りっぽうたい構造こうぞうを作製さくせいしたことがシーマンの研究けんきゅう室しつから報告ほうこくされた。これは初はじめて合成ごうせいされた3次元じげん核酸かくさんナノ構造こうぞうであり、シーマンは1995年ねんにナノテクノロジーに関かんする賞しょうであるファインマン賞しょうを受賞じゅしょうした。DNAによる切きり頂いただき八はち面体めんていも続つづいて報告ほうこくされた。しかし間あいだもなく、柔軟じゅうなんなジャンクションを頂点ちょうてんに持もつ多面体ためんたい構造こうぞうは拡張かくちょう3次元じげん格子こうしを作つくれるほどの剛性ごうせいを持もたないことが明あきらかになった。シーマンは剛性ごうせいの高たかいダブルクロスオーバー構造こうぞうモチーフ (DX) を開発かいはつし、1998年ねんにはエリック・ウィンフリー（英語えいご版ばん）と共同きょうどうでDXタイルからなる2次元じげん格子こうしの作製さくせいを報告ほうこくした[6][88][90]。この種たねのタイルベース構造こうぞうにはDNAコンピューティングの手段しゅだんとなりえる利点りてんがあり、ウィンフリーとポール・ロザムンド（英語えいご版ばん）による2004年ねんの論文ろんぶんでそれが実証じっしょうされた。この研究けんきゅうはアルゴリズミック・セルフアセンブリによるシェルピンスキー・ギャスケット構造こうぞうの形成けいせいに関かんするもので、2006年ねんのファインマン賞しょうを獲得かくとくした。ウィンフリーの慧眼けいがんは、DXタイルはワンのタイルとしても機能きのうし、すなわちそのアセンブリによって計算けいさんを行おこなえるという発想はっそうにあった[88]。3次元じげん格子こうしの合成ごうせいは、シーマンが最初さいしょに志こころざしてから30年ねん近ちかく後のちの2009年ねんになってようやく、彼かれ自身じしんによって報告ほうこくされた[60]。

2000年代ねんだいを通つうじてDNA人工じんこう構造こうぞうの新あたらしい機能きのうが発見はっけんされ続つづけた。最初さいしょのDNAナノマシン（英語えいご版ばん）（入力にゅうりょくに応おうじて構造こうぞうを変かえるモチーフ）は1999年ねんにシーマンによって実現じつげんした。翌年よくねん、バーナード・ユルケはより進すすんだシステムを作つくり出だした。これは「トーホールド」を介かいして鎖くさり置換ちかんを行おこなう最初さいしょの核酸かくさん素子そしだった。次つぎの進展しんてんは鎖くさり置換ちかんを機械きかい的てきな運動うんどうに変換へんかんすることであり、2004年ねんから2005年ねんにかけて、シーマンやナイルズ・ピアース、アンドルー・ターバーフィールド、チェンデ・マオらがそれぞれ率ひきいるグループによっていくつものDNAウォーカー系けいが作つくり出だされた[42]。ナノ粒子りゅうしやタンパク質たんぱくしつなど他たの分子ぶんしをアセンブリさせるテンプレートとしてDNAアレイを用もちいるアイディアは、1987年ねんにブリュッヘ・ロビンソンとシーマンによって最初さいしょに提案ていあんされ[91]、2002年ねんにシーマンとキール他たが実証じっしょうすると[92]、多おおくのグループが後のちに続つづいた。

2006年ねん、ロザムンドはDNAオリガミ法ほうによって任意にんいの形状けいじょうを持もつ堅固けんごなDNA折おりたたみ構造こうぞうが容易よういに作製さくせいできることを示しめした。ロザムンドはそのコンセプトを、多数たすうの短みじかい核酸かくさん鎖くさりを用もちいるシーマンのDX格子こうしと、主おもに一本いっぽんの長ながい鎖くさりからなるウィリアム・シーのDNA八はち面体めんていの中なか間あいだだと考かんがえていた。ロザムンドのDNAオリガミは一本いっぽんの長ながい鎖くさりが多数たすうの短みじかい鎖くさりの助たすけを借かりて折おりたたまれる仕組しくみだった。これにより、それまでの限界げんかいを超こえた大おおきさの構造こうぞうを形成けいせいすることができるようになった上うえに、設計せっけいや合成ごうせいにともなう技術ぎじゅつ的てきな困難こんなんが低減ていげんされた[90]。『ネイチャー』誌し2006年ねん3月がつ15日にち号ごうではDNAオリガミが表紙ひょうしを飾かざった[30]。2次元じげんのDNAオリガミ構造こうぞうを実証じっしょうしたロザムンドの研究けんきゅうに続つづいて、2009年ねんにはダグラスらによって密みつな3次元じげん構造こうぞうが[32]、Jørgen KjemsとYanの研究けんきゅう室しつでは2次元じげん面めんからなる中空なかぞらの3次元じげん構造こうぞうが作つくり出だされた[60]。

DNAナノテクノロジーは当初とうしょのうち懐疑かいぎ的てきな態度たいどで迎むかえられることもあった。核酸かくさんを構造こうぞう材料ざいりょうや計算けいさん処理しょりのような非ひ生物せいぶつ学がく的てきな用途ようとに用もちいる発想はっそうが異例いれいだったことや、分野ぶんやの可能かのう性せいを広ひろげる一方いっぽうで実際じっさいの応用おうようには程遠ほどとおい原理げんり実証じっしょう実験じっけんが多おおかったことがその理由りゆうである。シーマンが1991年ねんに書かいたDNA立方体りっぽうたいの合成ごうせいに関かんする論文ろんぶんは『サイエンス』誌しからリジェクトされた。査読さどく者しゃの一人ひとりはその独創どくそう性せいを賞賛しょうさんしたが、別べつの査読さどく者しゃは生物せいぶつ学がく的てきな重要じゅうよう性せいに欠かけるという批判ひはんを寄よせた（その論文ろんぶん[93]は結局けっきょく『ネイチャー』誌しに掲載けいさいされた）。2010年代ねんだいに入はいると、基礎きそ科学かがくへの応用おうようが現実げんじつ的てきになるほど分野ぶんやが発展はってんしたことが認みとめられ、医療いりょうなどの分野ぶんやで実用じつよう的てきな応用おうようが考かんがえられ始はじめた[60][94]。2001年ねんにはこの分野ぶんやで活動かつどうする研究けんきゅう室しつはわずかしかなかったが、2010年ねんには少すくなくとも60グループにまで拡大かくだいした。この10年間ねんかんは人材じんざいが増ふえたこともあって分野ぶんやの進歩しんぽも目覚めざましいものがあった[21]。

関連かんれん項目こうもく

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脚注きゃくちゅう

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関連かんれん文献ぶんけん

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外部がいぶリンク

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物質ぶっしつの技術ぎじゅつ的てき操作そうさのレベル
メガスケールエンジニアリング
マクロエンジニアリング（英語えいご版ばん）
マイクロテクノロジー（英語えいご版ばん）
ナノテクノロジー
ピコテクノロジー（英語えいご版ばん）
フェムトテクノロジー（英語えいご版ばん）
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