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DNA纳米技わざ术

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DNA纳米技わざ术包括ほうかつ用よう核酸かくさん构建人工じんこう设计的てき结构，比ひ如这个四面体めんてい。[1] 四面体的每个边都是20碱基对的てき脫だつ氧核糖とう核酸かくさん双そう螺旋らせん；每ごと个顶点てん都と是ぜ一いち个3支ささえ节点。组成四よん面体めんてい的てき4条じょう脫だつ氧核糖とう核酸かくさん链用不同ふどう的てき颜色加か以分辨べん。

DNA纳米技わざ术專門せんもん研究けんきゅう利用りよう脫だつ氧核糖とう核酸かくさん或ある其他核酸かくさん的てき分子ぶんし性質せいしつ（如自じ組くみ裝そう的てき特性とくせい），來らい建けん構出可か操みさお控ひかえ的てき新型しんがた纳米尺度しゃくど結構けっこう或ある機械きかい。在ざい这个领域，核酸かくさん被ひ用作ようさく非ひ生物せいぶつ的てき材料ざいりょう而不是ぜ在ざい活かつ细胞中ちゅう那な样作为遗传信息いき的てき载体。严格的てき核酸かくさん碱基配はい对法ほう则（使つかい链上特定とくてい的てき碱基列れつ相互そうご连接以形成けいせい牢固ろうこ的てき双そう螺旋らせん结构）使つかい这一技术成为可能。这一技术允许合理的碱基链设计，从而严格地ち组合形成けいせい具有ぐゆう精密せいみつ控ひかえ制せい的てき纳米级特性せい的てき复杂的てき目め标结构。脫だつ氧核糖とう核酸かくさん是ぜ常つね使用しよう的てき优势材料ざいりょう，但ただし包括ほうかつ其他核酸かくさん如核かく糖とう核酸かくさん和わ肽核酸かくさん也被用よう来らい构造结构，所以ゆえん偶尔也用“核酸かくさん纳米技わざ术”来らい概括がいかつ这个领域。[2][3]

DNA纳米技わざ术概念的がいねんてき基もと础最先さき由ゆかり纳德里さと安やす·西にし曼（Nadrian Seeman）在ざい1980年代ねんだい早期そうき阐述，在ざい2000年ねん后きさき开始引起广泛的てき关注。这一领域的研究者已经构建了静止结构如二维和三维晶あきら体からだ结构、毫微管かん、多面体ためんたい和かず其他任意にんい的てき造型ぞうけい；和かず功いさお能のう结构如纳米まい机つくえ器き和わDNA運算うんざん。一些组建方法被用来构建拼装结构、折おり叠结构和动态可か重じゅう构结构。现在，这种科技かぎ开始被ひ用作ようさく解かい决在结构生物せいぶつ学がく和わ生物せいぶつ物理ぶつり学がく中ちゅう基もと础科学かがく问题的てき工具こうぐ；同どう时也被ひ应用在ざい结晶学がく和わ光ひかり谱学中ちゅう来らい测定蛋白たんぱく质结构。这项技わざ术在分子ぶんし电子学がく（molecular scale electronics）和わ纳米医学いがく中なか的てき应用仍在研究けんきゅう中ちゅう。

历史

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DNA纳米技わざ术概念的がいねんてき基もと础最先さき由よし纳德里さと安やす·西にし曼（Nadrian Seeman） 在ざい八はち十じゅう年代ねんだい早期そうき阐述。[4]西にし曼的最初さいしょ目的もくてき是ぜ创建一いち个三さん维的DNA晶あきら格かく为其他た大分おおいた子こ确定方向ほうこう，这将去さ除じょ获得纯净晶あきら体からだ的てき复杂过程，简化晶あきら体からだ学がく研究けんきゅう。据すえ说他在ざい意い识到莫里茨いばら·科か内ない利り斯·埃ほこり舍しゃ尔（M. C. Escher）的てき木き刻こくDepth与あずか大だい批的六ろく节点DNA间的共同きょうどう点てん后きさき，产生了りょう这个想そう法ほう。[5][6]在ざい当とう时，一些自然地有分支的DNA结构已やめ被ひ人ひと们知晓包括ほうかつ复制叉また和わ可か移うつり动的霍利迪すすむ交叉こうさ，但ただし西にし曼认为不可ふか动的核酸かくさん节点可か以通过正确的碱基序列じょれつ设计消しょう除じょ组合分子ぶんし的てき对称性せい来き制せい造づくり。那な样这些不可ふか动节点在てんざい原げん则上可か以组合成ごうせい稳固的てき晶あきら格かく。第だい一篇阐明这个体系的论文于1982年ねん发表，第だい一份试验证明于次年刊出。[7][8]

在ざい1991年ねん，西にし曼的实验室しつ发布了りょう一いち份对用ようDNA制せい成なり的てき立方体りっぽうたい（第だい一个人工合成的三维核酸纳米结构）的てき分析ぶんせき报告。他た因いん此获得とく1995年ねん费曼纳米技わざ术奖（Feynman Prize in Nanotechnology）。DNA截面八角体也随之诞生。然しか而，人にん们很快かい发现这些以可变节点てん作さく为顶点てん的てき多た边形结构对构造づくり伸展しんてん的てき三维晶格来说不够牢固。西にし曼发展てん了りょう更さら为牢固ろうこ的てき双そう交叉こうさ形がた（DX），在ざい1998年ねん与あずかErik Winfree的てき合作がっさく中ちゅう发布了りょう用ようDX拼接成なり的てき二に维晶格かく。[5][4][9]这些拼接结构具有ぐゆう实施DNA计算（DNA computing）的てき能力のうりょく。这一いち点てん已やめ由ゆかりWinfree和わPaul Rothemund在ざい他た们2004年ねん关于謝しゃ爾しか賓まろうど斯基三角形さんかっけい结构（Sierpinski gasket）的てき论文中ちゅう证明，他た们因此分享とおる了りょう2006年ねん费曼纳米技わざ术奖。Winfree的てき主要しゅよう观点是ぜDX砖可以当做王おう氏し砖（Wang tiles）使用しよう，也就是ぜ说他们的组合可か进行计算。[4]对三维晶格的分析最终由西曼在2009年ねん发表，为完成かんせい它西曼花了りょう大だい约30年ねん。[10]

在ざい2000年代ねんだい设计的てきDNA结构的てき新しん功こう能のう陆续被ひ发现。第だい一いち个DNA纳米机つくえ器き—会かい对输入にゅう做出反はん应而改あらため变其形がた态-在ざい1999年ねん由ゆかり西にし曼验证。次つぎ年ねん，Bernard Yurke验证了りょう一个有提升的核酸机器。更さら进一いち步ほ的てき，这被翻こぼし译成机つくえ械运动，并在2004和わ2005年ねん一いち些DNA行ぎょう走はし器うつわ件けん被ひ西にし曼、Niles Pierce、 Andrew Turberfield和わChengde Mao所しょ验证。[11]用ようDNA组列构建其他分子ぶんし的てき模も板ばん（如纳米まい粒子りゅうし、蛋白たんぱく质等）的てき构想最早もはや由ゆかりBruche Robinson 和わ西にし曼在1987年ねん提出ていしゅつ，在ざい2006、2007年ねん被ひHao Yan、Peter Dervan和わThomas Labean验证。[12][8][13]

在ざい2006年ねん，Rothemund第だい一いち次じ验证了りょうDNA折おり纸技术可以简单地构建出で稳固的てき具有ぐゆう任意にんい造型ぞうけい的てき结构。Rothemund设想这种用よう多た条じょう短たん链的方法ほうほう是ぜ介かい于西曼晶格かく（用もちい多た条じょう短たん链）和かずWilliam Shih的てきDNA八はち面体めんてい（主要しゅよう用よう一いち条じょう长链）的てき概念がいねん性せい中ちゅう产物。Rothemund的てきDNA折おり纸法是ぜ用よう一条长链和许多短链配合折叠。这种方法ほうほう使し构建更さら大だい的てき结构变得可か行ぎょう并降低てい了りょう对设计和分析ぶんせき的てき技わざ术要求ようきゅう。[9]DNA折おり纸术在ざい2006年ねん3月がつ15日にち登のぼり上うえ了りょう《自然しぜん》杂志的てき封ふう面めん。[14]随ずい着ぎRothemund完成かんせい验二に维DNA折おり纸结构，Douglas等とう人じん在ざい2009年ねん固かた性せい三さん维DNA折おり纸术。[15] 同どう时，Jørgen Kjems的てき实验室しつ用よう二维平面制成了三维结构。[10]

DNA纳米技わざ术最初はつ受到一いち些质疑，因いん为核酸かくさん被ひ当とう作さく非ひ生物せいぶつ的てき材料ざいりょう建造けんぞう结构和わ进行计算，并且远离实际应用。西にし曼1991年ねん关于DNA立方体りっぽうたい分析ぶんせき的てき论文被ひ科学かがく杂志拒こばめ绝，在ざい此之前まえ，一いち个评论家称しょう赞他的てき独どく创性而另一个批评论文与生物学相关性不大。然しか而，2010年代ねんだい，这个领域在ざい基もと础科学かがく方面ほうめん研究けんきゅう的てき应用开始被ひ认识到，并且其在医学いがく和わ其他领域的てき应用被ひ认为是ぜ可か行ぎょう的てき。[10][16]2001年ねん还只有ゆう很少的てき实验室しつ做这方面ほうめん研究けんきゅう，到いた2010年ねん至いたり少しょう有ゆう60个实验室，也提高だか了りょう人才じんさい储备量りょう。因よし此在这十年内这方面的研究取得了很大进步。[17]

基もと础概念がいねん

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这4条じょう链组成なり了りょう一いち个4支ささえ节点，这样可か以使正せい确的碱基配はい对最大さいだい化か。[18][5] 这个四支节点的图片中ちゅう展示てんじ了りょう其3级结构。
这个双そう交叉こうさ（DX）超ちょう分子ぶんし合成ごうせい物ぶつ包含ほうがん5条じょう脫だつ氧核糖とう核酸かくさん单链，在ざい这张图的上面うわつら和わ下面かめん形成けいせい两个双そう螺旋らせん域いき；在ざい链从一个域穿插到另一个域的地方有两个，即そく两个交叉こうさ点てん位い。[18]

核酸かくさん的てき特性とくせい

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纳米技わざ术常つね被ひ限定げんてい为在小しょう于100纳米的てき尺度しゃくど下か对材料りょう和物あえもの体たい的てき研究けんきゅう。DNA纳米技わざ术是自じ下した而上分子ぶんし自じ组装的てき一いち个例子こ，即そく分子ぶんし成分せいぶん自じ发地组成稳定结构；这些结构的てき特殊とくしゅ形がた态是由よし设计者しゃ所しょ挑选的てき成分せいぶん的てき物もの化か特性とくせい所しょ引发的てき。[19]在ざいDNA纳米技わざ术中，构建成分せいぶん是ぜ核酸かくさん链，如脫氧核糖とう核酸かくさん。脫だつ氧核糖とう核酸かくさん很适合あい纳米级的构造，因いん为一条脫氧核糖核酸双そう螺旋らせん直径ちょっけい为2nm，螺旋らせん重じゅう复长度ど为3.5nm。核酸かくさん比ひ其他材料ざいりょう更さら适合构造结构的てき主要しゅよう特性とくせい是ぜ两条核酸かくさん链间简单的てき碱基配はい对法ほう则，通つう过碱基もと连接可か以形成けいせい一个具体明确的结构。这使核酸かくさん结构的てき组合容易ようい通どおり过核酸かくさん设计得え到いた控ひかえ制せい。这种特性とくせい在ざい其他被ひ用よう于纳米まい技わざ术的材料ざいりょう中ちゅう并不存在そんざい（包括ほうかつ蛋白たんぱく质和かず纳米颗粒）。[8]

核酸かくさん分子ぶんし的てき结构由よし含不同どう碱基的てき核かく苷酸的てき排列はいれつ顺序决定。在ざい脫だつ氧核糖とう核酸かくさん中ちゅう，四个碱基为腺せん嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和わ胸腺きょうせん嘧啶。如果核酸かくさん的てき两条链是互补的てき，它们将はた相互そうご连接形成けいせい双そう螺旋らせん结构（A-T，C-G）。[8][20]因いん为正确的碱基配はい对是积极有利ゆうり的てき，在ざい大だい多数たすう情じょう况下，核酸かくさん链相互そうご连接时，都と要よう使つかい正せい确配对的碱基数すう目もく最大さいだい化か。链中碱基的てき排列はいれつ决定了りょう连接的てき方式ほうしき和わ整体せいたい结构，这简单可控ひかえ。在ざいDNA纳米技わざ术中，研究けんきゅう者しゃ设计合理ごうり的てき碱基序列じょれつ，从而使し得とく整せい条じょう链按照あきら研究けんきゅう者しゃ希望きぼう的てき那な样组合あい起おこり来らい。[5][8]

分ぶん支ささえ

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DNA纳米技わざ术有时被分ぶん为两个有所しょ重じゅう叠的领域：结构DNA纳米技わざ术（structural DNA nanotechnology）和かず动态DNA纳米技わざ术（dynamic DNA nanotechnology）。结构DNA纳米技わざ术（有ゆう时缩略りゃく为SDN）主要しゅよう方向ほうこう是ぜ合成ごうせい核酸かくさん材料ざいりょう等とう合成ごうせい物ぶつ并组合成ごうせい稳定平衡へいこう的てき最さい终形态。[21][22]

而动态DNA纳米技わざ术的主要しゅよう方向ほうこう是ぜ研究けんきゅう具有ぐゆう不ふ平衡へいこう性状せいじょう（如在物ぶつ化か条件じょうけん的てき诱导下か具有ぐゆう重じゅう组能力りょく）的てき合成ごうせい物ぶつ。一些合成物如核酸纳米机械（nucleic acid nanomechanical devices）同どう时具有ぐゆう这两个分支ささえ的てき特性とくせい。在ざい结构DNA纳米技わざ术中构建的てき合成ごうせい物ぶつ会かい有ゆう拓ひらけ扑分支ささえ的てき核酸かくさん结构。（大だい多数たすう生物せいぶつDNA是ぜ不ふ含分支ささえ的てき双そう螺旋らせん结构。）一个最简单的分支结构是在一个节点上产生四条分支，这包含ほうがん四股しこ独立どくりつ的てきDNA链。不ふ像ぞう自然しぜん的てき霍利迪すすむ交叉こうさ，在ざい这个人工じんこう节点上じょう每まい条じょう分ぶん支ささえ都みやこ有ゆう不同ふどう的てき碱基序列じょれつ，因いん此这个节点てん被ひ固定こてい在ざい某ぼう个位置いち。多た个节点てん可か以在同どう一个合成物中被组合起来，如广泛使用しよう的てき双そう交叉こうさ砖（double-crossover （DX）motif），它由两条平行へいこう的てき双そう螺旋らせん链和独立どくりつ的てき在ざい其间交叉こうさ的てき链组成なり。其交叉こうさ于两个点，每まい个点都と是ぜ一个四支节点，但ただし是ぜ与あずか一个可变的四支节点不同，它被约束到いた单一的てき方向ほうこう，使つかいDX砖作为对更さら大だい的てきDNA合成ごうせい物ぶつ的てき结构障碍しょうがい。[8][5]

动态DNA纳米技わざ术运用よう了りょう一いち种叫做toehold-mediated strand displacement的てき机つくえ制せい使し核酸かくさん合成ごうせい物ぶつ对新核酸かくさん链的添加てんか做出反はん应进行重ゆきしげ组。在ざい这个反はん应中，移入いにゅう的てき链与双そう链合成ごうせい物ぶつ中ちゅう一条链上的点位进行连接，并在分ぶん支ささえ迁移过程中置ちゅうち换掉初はつ始はじめ合成ごうせい物ぶつ中ちゅう的てき一いち条じょう链。也就是ぜ合成ごうせい物ぶつ中ちゅう的てき一条链被另外的链所替换。[21]重じゅう组结构与机つくえ械也可用かよう功こう能のう核酸かくさん制せい造づくり，如脱だつ氧核酶、核かく酶或ある核酸かくさん适体。[23]

设计

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DNA的てき纳米结构必须被ひ合理ごうり设计，单条核酸かくさん链才会かい被ひ组合成ごうせい目め标结构。这个过程通常つうじょう需要じゅよう对目标结构或功こう能のう的てき详述。然しか后きさき确定目め标合成ごうせい物的ぶってき二级结构即对结构内核酸链的安置和连接点位。最さい后きさき是ぜ一级结构的设计即对每条核酸链碱基顺序的安排。[24][25]

结构设计

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设计核酸かくさん纳米结构的てき第だい一步是决定如何用核酸链构建目标结构。这一步决定了其二级结构和连接点位。[24]有ゆう如下一いち些方法ほう：

  • 拼接结构：这种方法ほうほう打破だは部分ぶぶん化学かがく键将しょう目め标结构分解ぶんかい成なり小しょう单元。这常被ひ用もちい来らい做点阵，但ただし也被用よう来らい实施系けい统的自じ组，使つかい之の成なり为DNA计算的てき平台ひらだい。这是从90年代ねんだい中期ちゅうきDNA折おり纸法发展以来いらい十多年的主导设计策略。[24][26]
  • 折おり叠结构：折おり叠法是ぜ用よう一条长链构造纳米结构。这条长链可か以有设计好このみ的てき碱基序列じょれつ而自身じしん折おり叠或者しゃ用よう短たん一いち些的链“订”在ざい一起かずき，折おり叠成目め标结构。这后一种方法叫做DNA折おり纸（DNA origami）。通つう过这种方法ほう，构建纳米级的二维或三维形态也得以实现（见下面めん的てき非ひ连续结构）。[7][14]
  • 动态组合：这种方法ほうほう直接ちょくせつ控ひかえ制せいDNA自じ组的动力，除じょ了りょう中ちゅう产物外がい要よう分析ぶんせき反はん应中所有しょゆう的中てきちゅう间步骤。用よう采さい用よう了りょう发夹结构的てき原始げんし材料ざいりょう；这些发生级联反はん应以一个特定的顺序形成最终构造。这种方法ほうほう有ゆう在ざい恒つね定てい温度おんど下か进行的てき优势。这不同どう于热力学りきがく方法ほうほう，它不需要じゅよう热退火ひ步ふ骤来使し之の形成けいせい目め标结构。[7][27]

序列じょれつ设计

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在ざい用よう上述じょうじゅつ方法ほうほう设计了りょう目め标合成ごうせい物的ぶってき二に级结构后，核かく苷酸的てき序列じょれつ必须要よう确定出で。许多方法ほうほう都と以目标结构具有ぐゆう最低さいてい能のう量りょう为目的もくてき设计序列じょれつ，因いん为这在ざい热力学がく上うえ是ただし最さい有利ゆうり的てき，而拆卸おろし的てき结构具有ぐゆう更さら高だか的てき能のう量りょう，因いん此不有利ゆうり。这样做是可か以通过更快かい的てき、简单的てき、启发性せい的てき方法ほうほう如序列じょれつ对称最小さいしょう化か，或ある使用しよう一个完整的最邻近（nearest-neighbor）热力学がく模型もけい,这更精せい确但更さら慢并且需要じゅよう更さら密集みっしゅう的てき计算。几何模型もけい用よう来らい测定纳米结构的てき三级结构以保证合成物不会过度紧密。[25][28]

核酸かくさん设计与蛋白たんぱく质设计有相似そうじ的てき目め标。在ざい两者中ちゅう，单体的てき序列じょれつ被ひ设计成なり有利ゆうり于目标结构而不利ふり于其他た结构。核酸かくさん设计比ひ蛋白たんぱく质设计的计算要よう更さら简单，因いん为简单的碱基配はい对法则足够预测结构的能のう量りょう支持しじ（energetic favorability），并且关于总体上じょう结构的てき三维折叠的细节信息是不需要的。这允许使用しよう简单的てき启发式しき方法ほうほう产生稳固的てき实验性せい设计。然しか而，核酸かくさん结构在ざい功こう能のう上じょう多た样性比ひ蛋白たんぱく质弱，因いん为有更さら强的ごうてき折おり叠成合成ごうせい结构，并且与20种氨基もと酸さん相しょう比ひ，四种碱基缺少化学多样性。[28]

结构DNA纳米技わざ术

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DX组列的てき组装。左ひだり边是原理げんり图。每まい一いち块都代表だいひょうDNA的てき双そう螺旋らせん域いき，且含互补粘性ねんせい末まつ端はし。上面うわつら的てきDX合成ごうせい物ぶつ将はた与あずか下面かめん的てきDX合成ごうせい物ぶつ组合成ごうせい一个二维组列。[18] 右みぎ边是在ざい原子力げんしりょく显微镜下的てき组列图片。DX砖可以被清楚せいそ地ち看み到いた。它有150纳米宽。
左ひだり边, 是ぜ用よう来らい做二维周期性晶格的DNA砖. 右みぎ边, 是ぜ组合晶あきら格かく在ざい原子力げんしりょく显微镜下的てき图片.[29][30]
一个非周期二维晶格的例子。左ひだり边是谢尔宾斯基もと分ぶん形かたち；右みぎ边是DNA组列在ざい其表面めん展示てんじ的てき谢尔宾斯基もと三角形さんかっけい结构。[31]

结构DNA纳米技わざ术（有ゆう时缩写うつし为SDN），着き重じゅう于对核酸かくさん合成ごうせい物的ぶってき分ぶん析与描述。核酸かくさん的てき双そう螺旋らせん是ぜ一个稳固的三维几何结构，这使得とく预测和わ设计更さら为复杂的核酸かくさん合成ごうせい物ぶつ成なり为可能かのう。许多这样的てき结构已やめ经被创造出来でき包括ほうかつ二に维、三さん维结构，周期しゅうき性せい的てき、非ひ周期しゅうき性せい的てき和わ离散结构。[22]

扩展晶あきら格かく

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小しょう的てき核酸かくさん合成ごうせい物ぶつ可か以配上じょう粘性ねんせい末まつ端はし，合成ごうせい更さら大だい的てき二に维周期き性せい晶あきら格かく（含由个体砖组建けん的てき特殊とくしゅ的てき密みつ铺型）。[22]最早もはや的てき一いち个例子こ是ぜ用ようDX砖作为基础砖，每まい个砖都と包含ほうがん四个设计好的粘性末端，以使DX砖可以合成ごうせい二に维平面めん结构。这基本上ほんじょう是ただし刚性的てきDNA二に维晶格かく。[32][33]二维组列也可以用其他形制造如霍利迪すすむ交叉こうさ菱形ひしがた晶あきら格和かくわ各かく种以DX砖为基もと础的组列。[34][35]上面うわつら两幅图便是ぜ周期しゅうき性せい晶あきら格かく的てき例れい子こ。

二维组列可以表现出非周期性结构，它们的てき组合能のう够执行ぎょう运算，展示てんじ出でDNA计算的てき一いち种形式しき。[17]DX砖可以通过选择带粘性ねんせい末まつ端はし的てき序列じょれつ充当じゅうとう王おう氏し砖，并执行ぎょう运算DX组列。能のう够编码逻辑异或ある程ほど序じょ的てきDX组列已やめ被ひ验证；这使DNA组列可か以实施ほどこせ一いち个细胞自じ动机，生成せいせい一个不规则分形（謝しゃ爾しか賓まろうど斯基三角形さんかっけい结构）。右みぎ边第三个图片展现了这个组列的形式。[31]另一个系统有二に进制计数功こう能のう，它的增ぞう长意味いみ着ぎ二に进制数すう的てき增加ぞうか。[36]

DX组列已やめ经能被ひ做出直径ちょっけい4-20nm的てき中空なかぞら纳米管かん，这主要よう是ぜ二维晶格自身卷起。[24]这些DNA纳米管かん在ざい形状けいじょう大小だいしょう上じょう和わ碳纳米まい管かん有ゆう一いち点てん相似そうじ，但ただし缺かけ少しょう碳纳米まい管かん的てき电导。DNA纳米管かん更さら容易たやす被ひ修おさむ改あらため、被ひ连接到いた其他结构。构建DNA纳米碳管的てき其中一个方案是用一个DX砖晶格かく，它自身じしん卷まき起おこり成なり管かん。[37]另一种方法ほう是ぜ用よう单链砖使圆周被ひ指定してい在ざい一个简单的模块化的形式，这个管かん的てき刚性是ぜ一いち个新生せい特性とくせい。[38]

用ようDNA创建三さん维晶格かく是ぜDNA纳米技わざ术最早はや的てき目め标，但ただし这很难实现。最さい终在2009年ねん，报道称しょう成功せいこう地ち使用しよう建立こんりゅう在ざい无尺寸しゃくすん限げん制せい结构的てき概念がいねん上じょう的てき图形创建出で三维结构并在紧张压缩间达到平衡。[17][39]

离散结构

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研究けんきゅう者しゃ已やめ经分析ぶんせき了りょう一些与多面体相关的三维DNA合成ごうせい物ぶつ，每まい个都与あずか多面体ためんたい有ゆう联通性せい，比ひ如立方体りっぽうたい或ある八はち面体めんてい，这意味いみ着ぎDNA双そう链是多面体ためんたい的てき棱而每ごと个顶点てん都と是ぜ一いち个DNA节点。[7]早期そうき对DNA多面体ためんたい的てき验证工作こうさく量りょう很大，需要じゅよう复杂的てき结扎和わ固かた相あい结合的てき步ふ骤来建造けんぞう连续的てき多面体ためんたい。[40]随ずい后きさき的てき工作こうさく使し多面体ためんたい的てき分析ぶんせき变得简单。[41]这些包括ほうかつ一个用一条长链制造DNA八はち面体めんてい，和わ一いち步ほ用よう四よん条じょうDNA链制成なり一いち个四よん面体めんてい。（见上图）[1]

任意にんい的てき纳米结构、不ふ规则的てき形状けいじょう通どおり常用じょうようDNA折おり纸法制せい成なり。这些结构有ゆう一条病毒链作为支架，这被用よう计算设计的てき短たん链订成なり目め标形状じょう。这种方法ほうほう有ゆう容易ようい设计的てき优势，因いん为碱基もと序列じょれつ是ぜ被ひ支ささえ架か碱基序列じょれつ所しょ预先确定的てき，并且不ふ需要じゅよう高だか的てき链纯度ど和かず精きよし确的化学かがく计量。DNA折おり纸法首くび先さき在ざい二に维形中ちゅう使用しよう，比ひ如表情ひょうじょう符号ふごう和わ粗略そりゃく的てき北美きたみ地ち图。[7][14]刚性的てき三维结构可以通过使用安排成蜂窝状的DNA双そう螺旋らせん制せい造づくり；[15]二维平面可以被折叠成中空的三维形状，类似于一个箱子こ。这些可か以被编码为对于刺激しげき做出反はん应，使つかい它们作さく为分子ぶんし笼。[42][43]

模も板ばん组装

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核酸かくさん分子ぶんし可か以吸收きゅうしゅう其他分子ぶんし如蛋白しろ质金属きんぞく纳米离子、量子りょうし点てん（quantum dots）、富とみ勒烯。这使得とく构建具有ぐゆう多た种功能のう的てき机つくえ械变得とく易えき行ぎょう。用よう核酸かくさん结构的てき自じ组来作さく为附加ふか粒子りゅうし自じ组的样板，控ひかえ制せい它们的てき位置いち，并在一いち些情况下定位ていい。[7][13]许多方案ほうあん使用しよう共ども价结合あい的てき办法，用よう酰胺或ある硫醇为官能かんのう团的てき寡核酸かくさん链绑定てい异质粒子りゅうし。[44]这种共ども价结合あい的てき办法已やめ经被用よう来らい把わ金きん纳米粒子りゅうし和わ链霉亲和素もと分子ぶんし固定こてい在ざいDX砖组列れつ上じょう。[45]有ゆう一种非共价结合法用Dervan聚酰胺。[46]碳纳米まい管かん以某种形状じょう被ひ连接到いたDNA组列上じょう充当じゅうとう分子ぶんし电子机つくえ器き——碳纳米まい管かん场效应晶体からだ管かん。[47]另外，还有核酸かくさん金属きんぞく化か法ほう即そく用よう金属きんぞく代替だいたい核酸かくさん呈てい现最初さいしょ的てき核酸かくさん结构。——用よう核酸かくさん纳米结构作さく为模具ぐ，将はた形状けいじょう转化为固体型たいけい。[48][49]

动态DNA纳米技わざ术

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动态DNA纳米技わざ术常利用りよう点てん促进链置换反应。上うえ图中，红链与绿链的てき头部连接，然しか后きさき在ざい分ぶん支ささえ置おけ换过程ほど中通なかとおり过2区域くいき，蓝链就被替がえ代だい并从合成ごうせい物ぶつ中ちゅう释放。像ぞう这样的てき反はん应被用よう来らい动态重じゅう组或组合成ごうせい核酸かくさん纳米结构。另外，红链和わ蓝链可か以用作さく分子ぶんし逻辑门的てき信号しんごう。

动态DNA纳米技わざ术着重じゅう于建造けんぞう具有ぐゆう动态功こう能のう（如计算さん和わ机つくえ械运动）的てき与あずか整体せいたい结构相しょう关的核酸かくさん系けい统。结构DNA纳米技わざ术和动态DNA纳米技わざ术有所しょ重じゅう叠。因よし为结构可以通过退火ひ和わ动态重じゅう构形成けいせい或ある者もの首くび先さき动态组合。[7][11]

纳米机つくえ械装置そうち

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人ひと们已经制造づくり出で随ずい着ぎ一些外界刺激改变造型的DNA合成ごうせい物ぶつ——这是纳米机つくえ器き人じん的てき一いち种形式しき。这些结构最初さいしょ都と是ぜ以与构建静止せいし结构相しょう同どう的てき方式ほうしき形成けいせい的てき；但ただし经过设计，于是在ざい最初さいしょ的てき形成けいせい后きさき能のう够动态重构。[21][11]最早もはや的てき这样的てき机つくえ械利用よう了りょうB-DNA与あずかZ-DNA间的转变来らい对在缓冲环境下通しもとおり过扭转运动做出で反はん应。[50]然しか而，这倚赖于缓冲液えき的てき条件じょうけん使し所有しょゆう的てき机つくえ械在同どう一时间改变状态。后きさき续的系けい统可以根据すえ控ひかえ制せい链的存在そんざい改あらため变状态，使つかい多た种机械可在ざい溶液ようえき中ちゅう独立どくりつ地ち运转。这样系けい统的一いち个例子こ是ぜ“分子ぶんし镊”设计。[51]它有开和闭的形式けいしき，在ざい旋转运动过程中ちゅう从平行へいこう交叉こうさ构造（paranemic-crossover (PX)）转为双そう节构造づくり（double-junction (JX2)）。[52]另有一种二维组列可以动态地响应控制连进行扩张或收缩。[53]人ひと们已造づくり出で可か以动态开关，能のう作さく为“分子ぶんし笼”在ざい打だ开时释放功こう能のう“货物”。[42][54][55]

DNA行ぎょう走者そうしゃ（DNA walkers）是ぜ一类沿直线轨道运动的核酸纳米机器。大量たいりょう的てき方案ほうあん已やめ被ひ验证。[11]其中一いち个方案あん是ぜ用よう需人工じんこう添加てんか序列じょれつ的てき控ひかえ制せい链控制せい行ぎょう走者そうしゃ沿轨迹的移うつり动。[56][57]另一个方案あん是ぜ利用りよう限きり制せい酶或ある脱だつ氧核酶解かい开链，使つかい行ぎょう走者そうしゃ前ぜん移うつり，这种方法ほうほう的てき优点是ぜ自じ动运行ぎょう。[58][59]后きさき来らい一种系统可以在二维平面而不是一条直线上运动，并且被ひ证实有ゆう选择性せい地ち获取和わ移うつり动分子ぶんし货物的てき功こう能のう。[60]另外，一个直线行走者被证实在其移动的过程中会进行DNA合成ごうせい。[61]

链置换级联反应

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不ふ论计算ざん或ある结构目的もくてき链置换级联反应都可か以使用しよう。单独的てき链链置おけ换反应包括ほうかつ对一些引发链的存在做出反应产生新序列。许多这样的てき反はん应被连到级联上じょう，一个反应新产生的序列可以引起另一个链置换级联反应。这反过来又また促进了りょう化学かがく反はん应网络的建けん设，表おもて现出复杂的てき计算和信かずのぶ息いき处理能力のうりょく。通つう过新键的形成けいせい和わ从分解ぶんかい反はん应中获得的てき熵，级联变得积极有利ゆうり。链置换级联反应允许组合あい与あずか计算过程中ちゅう的てき等温とうおん操作そうさ（这与传统核酸かくさん组合要求ようきゅう热退火ひ工こう序じょ相反あいはん）。它们也支持しじ催化功こう能のう，小しょう于一当量的引发剂就可以使反应完成。[21][27]

链置换合成ごうせい物ぶつ可か以用来らい制せい造づくり能のう执行复杂运算的てき分子ぶんし逻辑门。不ふ像ぞう用よう电流作さく为输入にゅう和わ输出的てき传统的てき电子计算机つくえ，分子ぶんし计算机つくえ用よう特定とくてい化学かがく物ぶつ质的浓度作さく为信号ごう。在ざい核酸かくさん链置换电路ろ中ちゅう，信号しんごう是ぜ核酸かくさん与あずか其他链的连接与あずか断だん开释放ひ或ある吸收きゅうしゅう的てき核酸かくさん。这种方法ほうほう已やめ被ひ用もちい来らい做与あずか、或ある、非ひ门。[62]最近さいきん，一个四位电路被验证可以做0-15整数せいすう平方根へいほうこん的てき计算（用よう包含ほうがん130条じょうDNA的てき逻辑门）。[63]

链置换级联反应的另一个作用是制造动态组合结构。这些用よう发夹结构作さく为反应物，当とう输入的てき链连接せっ时，新しん序列じょれつ会かい在ざい同どう一分子上而不是分解。这使新しん打だ开的发夹添加てんか到いた合成ごうせい物ぶつ中ちゅう。这种方法ほうほう已やめ被ひ用もちい来らい做简单的结构如三或四支节点和树状物。[27]

应用

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DNA纳米技わざ术提供ていきょう了りょう设计构建复杂结构并精确控制せい纳米特性とくせい的てき一いち种方法ほう。这个领域开始应用在ざい结构生物せいぶつ学がく与あずか生物せいぶつ物理ぶつり学がく中ちゅう解かい决基础科学かがく问题。最初さいしょ，DNA纳米技わざ术设想そう应用于晶あきら体からだ学がく研究けんきゅう上じょう：难以在ざい隔へだた离状态下结晶的てき分子ぶんし可か被ひ置おけ于立体りったい核酸かくさん晶あきら格かく中ちゅう从而测定其的结构。另一种应用是在蛋白质核かく磁共振きょうしん波は谱学中なか的てき残ざん基もと偶极耦合（RDC）实验中ちゅう用ようDNA折おり纸棒来らい代替だいたい液晶えきしょう。用ようDNA折おり纸术是非ぜひ常つね有ゆう好こう处的，因いん为不像ぞう液晶えきしょう，DNA折おり纸棒可か以承受使膜まく蛋白たんぱく悬浮的てき洗あらい涤剂。DNA 行ぎょう走者そうしゃ（DNA walkers）被ひ用作ようさく纳米组合线来移うつり动纳米まい粒子りゅうし，指ゆび导化学がく合成ごうせい。不ふ仅如此，DNA折おり纸结构也促进了りょう酶功こう能のう和わ蛋白たんぱく质折おり叠方面ほうめん的てき研究けんきゅう。[22][10]

DNA纳米技わざ术正朝あさ潜在せんざい的てき实际应用迈步。核酸かくさん组列安置あんち其他分子ぶんし的てき能力のうりょく暗示あんじ了りょう其在分子ぶんし电子学がく上じょう的てき应用前景ぜんけい。核酸かくさん结构可か以被用作ようさく分子ぶんし电子单位（如分子ぶんし导线(molecular wires)）组合的てき模も板ばん，提供ていきょう对安置あんち进行控ひかえ制せい的てき方法ほうほう，类似于一个电路实验板。[22][7]DNA纳米技わざ术被比作ひっつくり可か程ほど式しき化か材料ざいりょう（英えい语：programmable matter），因いん为其材料ざいりょう的てき耦合计算。[64]

DNA纳米技わざ术在纳米机つくえ械方面めん也有やゆう潜在せんざい的てき应用。比ひ如利用りよう其以生物せいぶつ相しょう容よう性せい的てき计算制せい药，使つかい之の能のう够靶向こう给药（targeted drug delivery）。一个现在正被研究的系统用了一个中空的DNA盒子，其中包つつみ着ぎ可か以引发细胞凋亡ほろび或ある死亡しぼう的てき蛋白たんぱく质，而只有ゆう靠もたれ近ちか癌がん细胞时，盒子才ざい会かい打だ开，释放出ほうしゅつ蛋白たんぱく质。[10][65]人ひと们对在ざい细胞中表なかおもて达人工じんこう结构怀着极大兴趣，最さい有ゆう可能かのう使用しよう转录RNA进行组装，尽つき管かん仍不知道ともみち这些合成ごうせい结构是ぜ否ひ能のう有效ゆうこう地ち折おり叠或聚集在ざい细胞质中。[7]

材料ざいりょう与あずか方法ほうほう

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凝しこり胶电泳およげ。像ぞう这样对DX合成ごうせい物ぶつ的てき结构分析ぶんせき用よう来らい确定目め标结构是否いや正せい确地形成けいせい。每まい个垂直ちょく线包含ほうがん一系列的反映中间产物特性的谱带。

DNA链是用よう分子ぶんし建けん模も和わ热力学がく建けん模も软件计算设计的てき。[25][28]核酸かくさん用よう标准的てき寡核苷酸合成ごうせい法ほう合成ごうせい，通常つうじょう用よう寡核苷酸合成ごうせい器き自じ动进行ぎょう合成ごうせい，自じ定てい义序列じょれつ的てき链是市し售的。[66]如果需要じゅよう的てき话，链可以通过变性せい凝しこり胶电泳およげ纯化，精せい确的浓度可用かよう紫むらさき外がい线吸收きゅうしゅう光こう谱来定量ていりょう测定。[67][68]

完全かんぜん形成けいせい的てき目め标结构可用よう非ひ变性凝しこり胶电泳およげ检验，将はた会得えとく到いた关于核酸かくさん合成ごうせい物ぶつ形がた态大小しょう的てき信しん息いき。电泳迁移率りつ变动分析ぶんせき可か以评估一个结构是否包含所有的所需链。[69]荧光标记和わ荧光共振きょうしん能のう量りょう转移（FRET）有ゆう时用一表示合成物结构的特性。[70]

核酸かくさん结构可か以直接ちょくせつ用よう原子力げんしりょく显微镜看み到いた，这很适合延伸えんしん的てき二に维结构，但ただし对三维结构没有多大用处，因いん为显微ほろ镜尖端はし会かい与あずか脆弱ぜいじゃく的てき核酸かくさん结构相互そうご作用さよう；因いん此透射しゃ电子显微镜和低温ていおん电子显微镜常用じょうよう以观察三さん维结构。延伸えんしん的てき三さん维晶格かく用ようX光ひかり晶あきら体からだ学がく分析ぶんせき。[71][72]

參まいり見み

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参考さんこう文献ぶんけん

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扩展阅读

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General:

Specific subfields:

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  • Feldkamp, Udo; Niemeyer, Christof M. Rational design of DNA nanoarchitectures. Angewandte Chemie International Edition. 13 March 2006, 45 (12): 1856–76. PMID 16470892. doi:10.1002/anie.200502358. —A review coming from the viewpoint of secondary structure design
  • Lin, Chenxiang; Liu, Yan; Rinker, Sherri; Yan, Hao. DNA tile based self-assembly: building complex nanoarchitectures. ChemPhysChem. 11 August 2006, 7 (8): 1641–1647. PMID 16832805. doi:10.1002/cphc.200600260. —A minireview specifically focusing on tile-based assembly
  • Zhang, David Yu; Seelig, Georg. Dynamic DNA nanotechnology using strand-displacement reactions. Nature Chemistry. February 2011, 3 (2): 103–113. Bibcode:2011NatCh...3..103Z. PMID 21258382. doi:10.1038/nchem.957. —A review of DNA systems making use of strand displacement mechanisms

外部がいぶ链接

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