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DNA纳米技术

Wikipedia · 2026-07-18 维基百科 👁 1 阅读

构建人工设计的结构，比如这个四面体。

DNA纳米技术概念的基础最先由纳德里安·西曼（Nadrian Seeman）在1980年代早期阐述，在2000年后开始引起广泛的关注。这一领域的研究者已经构建了静止结构如二维和三维晶体结构、毫微管、多面体和其他任意的造型；和功能结构如纳米机器和DNA運算。一些组建方法被用来构建拼装结构、折叠结构和动态可重构结构。现在，这种科技开始被用作解决在结构生物学和生物物理学中基础科学问题的工具；同时也被应用在结晶学和光谱学中来测定蛋白质结构。这项技术在分子电子学（molecular scale electronics）和纳米医学中的应用仍在研究中。

历史
DNA纳米技术概念的基础最先由纳德里安·西曼（Nadrian Seeman） 在八十年代早期阐述。西曼的最初目的是创建一个三维的DNA晶格为其他大分子确定方向，这将去除获得纯净晶体的复杂过程，简化晶体学研究。据说他在意识到莫里茨·科内利斯·埃舍尔（M. C. Escher）的木刻Depth与大批的六节点DNA间的共同点后，产生了这个想法。在当时，一些自然地有分支的DNA结构已被人们知晓包括复制叉和可移动的霍利迪交叉，但西曼认为不可动的核酸节点可以通过正确的碱基序列设计消除组合分子的对称性来制造。那样这些不可动节点在原则上可以组合成稳固的晶格。第一篇阐明这个体系的论文于1982年发表，第一份试验证明于次年刊出。

在1991年，西曼的实验室发布了一份对用DNA制成的立方体（第一个人工合成的三维核酸纳米结构）的分析报告。他因此获得1995年费曼纳米技术奖（Feynman Prize in Nanotechnology）。DNA截面八角体也随之诞生。然而，人们很快发现这些以可变节点作为顶点的多边形结构对构造伸展的三维晶格来说不够牢固。西曼发展了更为牢固的双交叉形（DX），在1998年与Erik Winfree的合作中发布了用DX拼接成的二维晶格。用DNA组列构建其他分子的模板（如纳米粒子、蛋白质等）的构想最早由Bruche Robinson 和西曼在1987年提出，在2006、2007年被Hao Yan、Peter Dervan和Thomas Labean验证。DNA折纸术在2006年3月15日登上了《自然》杂志的封面。

DNA纳米技术最初受到一些质疑，因为核酸被当作非生物的材料建造结构和进行计算，并且远离实际应用。西曼1991年关于DNA立方体分析的论文被科学杂志拒绝，在此之前，一个评论家称赞他的独创性而另一个批评论文与生物学相关性不大。然而，2010年代，这个领域在基础科学方面研究的应用开始被认识到，并且其在医学和其他领域的应用被认为是可行的。2001年还只有很少的实验室做这方面研究，到2010年至少有60个实验室，也提高了人才储备量。因此在这十年内这方面的研究取得了很大进步。

基础概念
核酸的特性
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。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）。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。

设计
DNA的纳米结构必须被合理设计，单条核酸链才会被组合成目标结构。这个过程通常需要对目标结构或功能的详述。然后确定目标合成物的二级结构即对结构内核酸链的安置和连接点位。最后是一级结构的设计即对每条核酸链碱基顺序的安排。
*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）。
*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。

序列设计
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。

结构DNA纳米技术
{{double image|right|Mao-DXarray-schematic-small.gif|175|DX DNA array.png|175|DX组列的组装。左边是原理图。每一块都代表DNA的双螺旋域，且含互补粘性末端。上面的DX合成物将与下面的DX合成物组合成一个二维组列。]]

{{double image|right|SierpinskiTriangle.svg|175|Rothemund-DNA-SierpinskiGasket.jpg|175|一个非周期二维晶格的例子。左边是谢尔宾斯基分形；右边是DNA组列在其表面展示的谢尔宾斯基三角形结构。

扩展晶格
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）。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。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。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。

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。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。

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。

离散结构
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。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。随后的工作使多面体的分析变得简单。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）

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。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。

模板组装
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。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。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。有一种非共价结合法用Dervan聚酰胺。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。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。

动态DNA纳米技术
的信号。]]

动态DNA纳米技术着重于建造具有动态功能（如计算和机械运动）的与整体结构相关的核酸系统。结构DNA纳米技术和动态DNA纳米技术有所重叠。因为结构可以通过退火和动态重构形成或者首先动态组合。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。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)）。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。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”。

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。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。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。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。

链置换级联反应
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。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）。

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。

DNA纳米技术在纳米机械方面也有潜在的应用。比如利用其以生物相容性的计算制药，使之能够靶向给药（targeted drug delivery）。一个现在正被研究的系统用了一个中空的DNA盒子，其中包着可以引发细胞凋亡或死亡的蛋白质，而只有靠近癌细胞时，盒子才会打开，释放出蛋白质。人们对在细胞中表达人工结构怀着极大兴趣，最有可能使用转录RNA进行组装，尽管仍不知道这些合成结构是否能有效地折叠或聚集在细胞质中。如果需要的话，链可以通过变性凝胶电泳纯化，精确的浓度可用紫外线吸收光谱来定量测定。

完全形成的目标结构可用非变性凝胶电泳检验，将会得到关于核酸合成物形态大小的信息。电泳迁移率变动分析可以评估一个结构是否包含所有的所需链。荧光标记和荧光共振能量转移（FRET）有时用一表示合成物结构的特性。

核酸结构可以直接用原子力显微镜看到，这很适合延伸的二维结构，但对三维结构没有多大用处，因为显微镜尖端会与脆弱的核酸结构相互作用；因此透射电子显微镜和低温电子显微镜常用以观察三维结构。延伸的三维晶格用X光晶体学分析。

參見
*DNA運算
*DNA的机械性质

参考文献
扩展阅读
General:

  • —An article written for laypeople by the founder of the field
  • —A review of results in the period 2001–2010
  • —A more comprehensive review including both old and new results in the field
  • and .—A news article focusing on the history of the field and development of new applications
  • —A very recent and comprehensive review in the field

Specific subfields:

  • —A review of nucleic acid nanomechanical devices
  • —A review coming from the viewpoint of secondary structure design
  • —A minireview specifically focusing on tile-based assembly
  • —A review of DNA systems making use of strand displacement mechanisms

外部链接

#DNA纳米技术

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