DNA-baserad nanoteknik är utveckling och produktion av konstgjorda strukturer från nukleinsyror för tekniskt bruk . Inom detta vetenskapliga område används nukleinsyror inte som bärare av genetisk information i levande celler , utan som ett material för behoven av icke-biologisk konstruktion av nanomaterial .
Tekniken använder strikta basparningsregler för nukleinsyror, som endast tillåter delar av strängar med komplementära bassekvenser att länkas samman för att bilda en stark, stel dubbelhelixstruktur . Baserat på dessa regler är det möjligt att konstruera en sekvens av baser som selektivt sätts samman för att bilda komplexa målstrukturer med finjusterade former och egenskaper i nanoskala. I grund och botten används DNA för att skapa material , men strukturer med inkluderande av andra nukleinsyror, såsom RNA och peptidonukleinsyror (PNA), har också byggts, vilket gör att namnet " nukleotidbaserad nanoteknik" kan användas för att beskriv teknikområdet [1] [2] .
Grundkonceptet för DNA-baserad nanoteknik föreslogs först i början av 1980-talet av Nadrian Seaman , och i mitten av 2000-talet började detta forskningsfält att locka till sig ett brett intresse. Forskare som arbetar inom det nya framväxande teknikområdet har skapat statiska strukturer som två- och tredimensionella kristallgitter , nanorör, polyedrar och andra godtyckliga former, såväl som funktionella strukturer som molekylära maskiner och DNA-datorer .
En mängd olika metoder används för att montera dessa strukturer, inklusive kaklade strukturer där plattor sätts ihop från mindre strukturer, vikningsstrukturer skapade med DNA-origamimetoden och dynamiskt omarrangerande strukturer skapade med hjälp av strängrörelsemetoder. Forskningsfältet börjar användas som ett verktyg för att lösa grundläggande vetenskapliga problem inom områdena strukturbiologi och biofysik , inklusive tillämpade problem med kristallografi och spektroskopi för bestämning av proteinstruktur. Forskning pågår också för potentiella tillämpningar inom skalbar molekylär elektronik och nanomedicin .
Nanoteknik förstås ofta som studiet av material och enheter vars komponenter är mindre än 100 nm. DNA-baserad nanoteknik, i synnerhet, är ett exempel på nedifrån och upp självmontering av molekyler, där molekylära komponenter spontant organiserar sig i stabila strukturer; den specifika formen av dessa strukturer bestäms av de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos de komponenter som valts ut av konstruktörerna [5] . Inom DNA-baserad nanoteknik är byggstenarna strängar av nukleinsyror, såsom DNA, som är väl lämpade för konstruktion av föremål i nanoskala, eftersom dubbelspiralen av nukleinsyror har en diameter på 2 nm och en längd på en 360 ° varv på 3,5 nm.
En nyckelfunktion som gör nukleinsyror mer lämpade för att konstruera strukturer, som skiljer dem från andra material, är att bindningen mellan två nukleinsyror beror på enkla och väl studerade basparningsregler , samtidigt som den bildar en väldefinierad struktur, som tillsammans möjliggör enkel sammansättning av strukturer från nukleinsyror genom design av nukleinsyror. Denna egenskap saknas i andra nanoteknologiska material, inklusive proteiner , som är mycket svåra att designa, samt nanopartiklar , som inte har förmågan till kontrollerad självmontering [6] .
Strukturen hos en nukleinsyramolekyl består av en sekvens av nukleotider som skiljer sig åt i de kvävehaltiga baser de innehåller . Det finns fyra baser i DNA: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin (T). Nukleinsyror har egenskapen att molekyler, under bildandet av en dubbelspiral, binder till varandra endast om två sekvenser av kvävehaltiga baser är komplementära. Det vill säga det betyder att de bildar lämpliga basparsekvenser där A bara fäster till T och C bara fäster till G [6] [7] . Eftersom bildningen av korrekt matchade baspar är energetiskt gynnsam , förväntas nukleinsyror binda till varandra i de flesta fall i en konformation som maximerar antalet korrekt parade baser. Således tillåter bassekvenserna i strängsystemet att bindningsmönstret och objektets övergripande struktur kan bestämmas på ett lättkontrollerat sätt. Inom DNA-baserad nanoteknik bestäms bassekvenserna för strängarna av forskare så att parningsinteraktioner gör att strängarna sätts ihop till önskade konformationer [4] [6] .
DNA-baserad nanoteknik delas ibland in i två överlappande delområden: DNA-baserad strukturell nanoteknik och DNA-baserad variabel nanoteknik. DNA-baserad strukturell nanoteknik (ibland förkortad SDN ) fokuserar på syntes och karakterisering av nukleinmaterial och komplex som sätts samman till slutliga jämviktstillstånd beteende vars tillstånd [8] [9] .
Strukturer byggda inom ramen för DNA-baserad nanoteknologi använder topologiskt grenade strukturer av nukleinsyror som innehåller föreningar. (Till skillnad från de flesta biologiska DNA, som existerar som en ogrenad dubbelhelix). En av de enklaste grenade sammansättningarna är en fyrvägsknut, som består av fyra separata DNA-strängar, vars delar är komplementära i ett visst mönster. I motsats till den naturliga strukturen av Holiday , har varje riktning i en fast konstgjord knut en annan sekvens av baser, som ett resultat av vilket anslutningspunkterna är på en strikt definierad plats. Flera vior kan kombineras i en hopsättning, till exempel i den allmänt använda dubbelkorsningen ( DX ) som innehåller två parallella dubbelspiralregioner med regionsträngar som skär varandra vid två olika punkter. Varje skärningspunkt är topologiskt i sig en fyrvägsnod och är begränsad i en orientering. Så till skillnad från den flexibla enkla fyrvägsknuten ger dubbelkorsningen styvhet, vilket gör den till en lämplig byggsten för att öka DNA-sammansättningar [6] [4] .
Föränderlig DNA-baserad nanoteknik använder en mekanism som kallas "stödmedierad strängförskjutning " för att tillåta sammansättningen av nukleinsyror att omarrangeras (som svar på tillsatsen av en ny nukleinsyra) . I denna reaktion binder en inkommande sträng till den enkelsträngade ryggraden i en dubbelsträngad sammansättning och förskjuter sedan en av den ursprungliga sammansättningens bundna med hjälp av en "grenmigreringsprocess". Som ett resultat ersätts en av grenarna i församlingen av en annan [8] . Dessutom kan omarrangerbara sammansättningar och enheter skapas med hjälp av funktionella nukleinsyror som deoxiribozymer och ribozymer som kan producera kemiska reaktioner och aptamerer som kan binda till specifika proteiner eller små molekyler [10] .