DNA纳米技术

纳米技术常被限定为在小于100纳米的尺度下对材料和物体的研究。DNA纳米技术是自下而上分子自组装的一个例子，即分子成分自发地组成稳定结构；这些结构的特殊形态是由设计者所挑选的成分的物化特性所引发的。[19]在DNA纳米技术中，构建成分是核酸链，如脫氧核糖核酸。脫氧核糖核酸很适合纳米级的构造，因为一条脫氧核糖核酸双螺旋直径为2nm，螺旋重复长度为3.5nm。核酸比其他材料更适合构造结构的主要特性是两条核酸链间简单的碱基配对法则，通过碱基连接可以形成一个具体明确的结构。这使核酸结构的组合容易通过核酸设计得到控制。这种特性在其他被用于纳米技术的材料中并不存在（包括蛋白质和纳米颗粒）。[8]

核酸分子的结构由含不同碱基的核苷酸的排列顺序决定。在脫氧核糖核酸中，四个碱基为腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶。如果核酸的两条链是互补的，它们将相互连接形成双螺旋结构（A-T，C-G）。[8][20]因为正确的碱基配对是积极有利的，在大多数情况下，核酸链相互连接时，都要使正确配对的碱基数目最大化。链中碱基的排列决定了连接的方式和整体结构，这简单可控。在DNA纳米技术中，研究者设计合理的碱基序列，从而使得整条链按照研究者希望的那样组合起来。[5][8]

DNA纳米技术有时被分为两个有所重叠的领域：结构DNA纳米技术（structural DNA nanotechnology）和动态DNA纳米技术（dynamic DNA nanotechnology）。结构DNA纳米技术（有时缩略为SDN）主要方向是合成核酸材料等合成物并组合成稳定平衡的最终形态。[21][22]

而动态DNA纳米技术的主要方向是研究具有不平衡性状（如在物化条件的诱导下具有重组能力）的合成物。一些合成物如核酸纳米机械（nucleic acid nanomechanical devices）同时具有这两个分支的特性。在结构DNA纳米技术中构建的合成物会有拓扑分支的核酸结构。（大多数生物DNA是不含分支的双螺旋结构。）一个最简单的分支结构是在一个节点上产生四条分支，这包含四股独立的DNA链。不像自然的霍利迪交叉，在这个人工节点上每条分支都有不同的碱基序列，因此这个节点被固定在某个位置。多个节点可以在同一个合成物中被组合起来，如广泛使用的双交叉砖（double-crossover （DX）motif），它由两条平行的双螺旋链和独立的在其间交叉的链组成。其交叉于两个点，每个点都是一个四支节点，但是与一个可变的四支节点不同，它被约束到单一的方向，使DX砖作为对更大的DNA合成物的结构障碍。[8][5]

动态DNA纳米技术运用了一种叫做toehold-mediated strand displacement的机制使核酸合成物对新核酸链的添加做出反应进行重组。在这个反应中，移入的链与双链合成物中一条链上的点位进行连接，并在分支迁移过程中置换掉初始合成物中的一条链。也就是合成物中的一条链被另外的链所替换。[21]重组结构与机械也可用功能核酸制造，如脱氧核酶、核酶或核酸适体。[23]

设计核酸纳米结构的第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]有如下一些方法：

• 拼接结构：这种方法打破部分化学键将目标结构分解成小单元。这常被用来做点阵，但也被用来实施系统的自组，使之成为DNA计算的平台。这是从90年代中期DNA折纸法发展以来十多年的主导设计策略。[24][26]
• 折叠结构：折叠法是用一条长链构造纳米结构。这条长链可以有设计好的碱基序列而自身折叠或者用短一些的链“订”在一起，折叠成目标结构。这后一种方法叫做DNA折纸（DNA origami）。通过这种方法，构建纳米级的二维或三维形态也得以实现（见下面的非连续结构）。[7][14]
• 动态组合：这种方法直接控制DNA自组的动力，除了中产物外要分析反应中所有的中间步骤。用采用了发夹结构的原始材料；这些发生级联反应以一个特定的顺序形成最终构造。这种方法有在恒定温度下进行的优势。这不同于热力学方法，它不需要热退火步骤来使之形成目标结构。[7][27]

在用上述方法设计了目标合成物的二级结构后，核苷酸的序列必须要确定出。许多方法都以目标结构具有最低能量为目的设计序列，因为这在热力学上是最有利的，而拆卸的结构具有更高的能量，因此不有利。这样做是可以通过更快的、简单的、启发性的方法如序列对称最小化，或使用一个完整的最邻近（nearest-neighbor）热力学模型,这更精确但更慢并且需要更密集的计算。几何模型用来测定纳米结构的三级结构以保证合成物不会过度紧密。[25][28]

核酸设计与蛋白质设计有相似的目标。在两者中，单体的序列被设计成有利于目标结构而不利于其他结构。核酸设计比蛋白质设计的计算要更简单，因为简单的碱基配对法则足够预测结构的能量支持（energetic favorability），并且关于总体上结构的三维折叠的细节信息是不需要的。这允许使用简单的启发式方法产生稳固的实验性设计。然而，核酸结构在功能上多样性比蛋白质弱，因为有更强的折叠成合成结构，并且与20种氨基酸相比，四种碱基缺少化学多样性。[28]

小的核酸合成物可以配上粘性末端，合成更大的二维周期性晶格（含由个体砖组建的特殊的密铺型）。[22]最早的一个例子是用DX砖作为基础砖，每个砖都包含四个设计好的粘性末端，以使DX砖可以合成二维平面结构。这基本上是刚性的DNA二维晶格。[32][33]二维组列也可以用其他形制造如霍利迪交叉菱形晶格和各种以DX砖为基础的组列。[34][35]上面两幅图便是周期性晶格的例子。

二维组列可以表现出非周期性结构，它们的组合能够执行运算，展示出DNA计算的一种形式。[17]DX砖可以通过选择带粘性末端的序列充当王氏砖，并执行运算DX组列。能够编码逻辑异或程序的DX组列已被验证；这使DNA组列可以实施一个细胞自动机，生成一个不规则分形（謝爾賓斯基三角形结构）。右边第三个图片展现了这个组列的形式。[31]另一个系统有二进制计数功能，它的增长意味着二进制数的增加。[36]

DX组列已经能被做出直径4-20nm的中空纳米管，这主要是二维晶格自身卷起。[24]这些DNA纳米管在形状大小上和碳纳米管有一点相似，但缺少碳纳米管的电导。DNA纳米管更容易被修改、被连接到其他结构。构建DNA纳米碳管的其中一个方案是用一个DX砖晶格，它自身卷起成管。[37]另一种方法是用单链砖使圆周被指定在一个简单的模块化的形式，这个管的刚性是一个新生特性。[38]

用DNA创建三维晶格是DNA纳米技术最早的目标，但这很难实现。最终在2009年，报道称成功地使用建立在无尺寸限制结构的概念上的图形创建出三维结构并在紧张压缩间达到平衡。[17][39]

研究者已经分析了一些与多面体相关的三维DNA合成物，每个都与多面体有联通性，比如立方体或八面体，这意味着DNA双链是多面体的棱而每个顶点都是一个DNA节点。[7]早期对DNA多面体的验证工作量很大，需要复杂的结扎和固相结合的步骤来建造连续的多面体。[40]随后的工作使多面体的分析变得简单。[41]这些包括一个用一条长链制造DNA八面体，和一步用四条DNA链制成一个四面体。（见上图）[1]

任意的纳米结构、不规则的形状通常用DNA折纸法制成。这些结构有一条病毒链作为支架，这被用计算设计的短链订成目标形状。这种方法有容易设计的优势，因为碱基序列是被支架碱基序列所预先确定的，并且不需要高的链纯度和精确的化学计量。DNA折纸法首先在二维形中使用，比如表情符号和粗略的北美地图。[7][14]刚性的三维结构可以通过使用安排成蜂窝状的DNA双螺旋制造；[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。这些可以被编码为对于刺激做出反应，使它们作为分子笼。[42][43]

核酸分子可以吸收其他分子如蛋白质金属纳米离子、量子点（quantum dots）、富勒烯。这使得构建具有多种功能的机械变得易行。用核酸结构的自组来作为附加粒子自组的样板，控制它们的位置，并在一些情况下定位。[7][13]许多方案使用共价结合的办法，用酰胺或硫醇为官能团的寡核酸链绑定异质粒子。[44]这种共价结合的办法已经被用来把金纳米粒子和链霉亲和素分子固定在DX砖组列上。[45]有一种非共价结合法用Dervan聚酰胺。[46]碳纳米管以某种形状被连接到DNA组列上充当分子电子机器——碳纳米管场效应晶体管。[47]另外，还有核酸金属化法即用金属代替核酸呈现最初的核酸结构。——用核酸纳米结构作为模具，将形状转化为固体型。[48][49]

人们已经制造出随着一些外界刺激改变造型的DNA合成物——这是纳米机器人的一种形式。这些结构最初都是以与构建静止结构相同的方式形成的；但经过设计，于是在最初的形成后能够动态重构。[21][11]最早的这样的机械利用了B-DNA与Z-DNA间的转变来对在缓冲环境下通过扭转运动做出反应。[50]然而，这倚赖于缓冲液的条件使所有的机械在同一时间改变状态。后续的系统可以根据控制链的存在改变状态，使多种机械可在溶液中独立地运转。这样系统的一个例子是“分子镊”设计。[51]它有开和闭的形式，在旋转运动过程中从平行交叉构造（paranemic-crossover (PX)）转为双节构造（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]人们已造出可以动态开关，能作为“分子笼”在打开时释放功能“货物”。[42][54][55]

DNA行走者（DNA walkers）是一类沿直线轨道运动的核酸纳米机器。大量的方案已被验证。[11]其中一个方案是用需人工添加序列的控制链控制行走者沿轨迹的移动。[56][57]另一个方案是利用限制酶或脱氧核酶解开链，使行走者前移，这种方法的优点是自动运行。[58][59]后来一种系统可以在二维平面而不是一条直线上运动，并且被证实有选择性地获取和移动分子货物的功能。[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。[61]

不论计算或结构目的链置换级联反应都可以使用。单独的链链置换反应包括对一些引发链的存在做出反应产生新序列。许多这样的反应被连到级联上，一个反应新产生的序列可以引起另一个链置换级联反应。这反过来又促进了化学反应网络的建设，表现出复杂的计算和信息处理能力。通过新键的形成和从分解反应中获得的熵，级联变得积极有利。链置换级联反应允许组合与计算过程中的等温操作（这与传统核酸组合要求热退火工序相反）。它们也支持催化功能，小于一当量的引发剂就可以使反应完成。[21][27]

链置换合成物可以用来制造能执行复杂运算的分子逻辑门。不像用电流作为输入和输出的传统的电子计算机，分子计算机用特定化学物质的浓度作为信号。在核酸链置换电路中，信号是核酸与其他链的连接与断开释放或吸收的核酸。这种方法已被用来做与、或、非门。[62]最近，一个四位电路被验证可以做0-15整数平方根的计算（用包含130条DNA的逻辑门）。[63]

链置换级联反应的另一个作用是制造动态组合结构。这些用发夹结构作为反应物，当输入的链连接时，新序列会在同一分子上而不是分解。这使新打开的发夹添加到合成物中。这种方法已被用来做简单的结构如三或四支节点和树状物。[27]