DNA-baseret nanoteknologi er udvikling og produktion af kunstige strukturer fra nukleinsyrer til teknologisk brug . På dette videnskabelige område bruges nukleinsyrer ikke som bærere af genetisk information i levende celler , men som et materiale til behovene for ikke-biologisk konstruktion af nanomaterialer .
Teknologien bruger strenge baseparringsregler for nukleinsyrer, som kun tillader dele af strenge med komplementære basesekvenser at blive koblet sammen for at danne en stærk, stiv dobbelthelixstruktur . Baseret på disse regler er det muligt at konstruere en sekvens af baser, der selektivt samles for at danne komplekse målstrukturer med fint afstemte nanoskalaformer og egenskaber. Grundlæggende bruges DNA til at skabe materialer , men strukturer med inklusion af andre nukleinsyrer, såsom RNA og peptidonukleinsyrer (PNA), er også blevet bygget, hvilket gør det muligt at bruge navnet " nukleotidbaseret nanoteknologi" . beskriv teknologiområdet [1] [2] .
Det grundlæggende koncept for DNA-baseret nanoteknologi blev først foreslået i begyndelsen af 1980'erne af Nadrian Seaman , og i midten af 2000'erne begyndte dette forskningsfelt at tiltrække bred interesse. Forskere, der arbejder inden for det nye spirende teknologifelt, har skabt statiske strukturer såsom to- og tredimensionelle krystalgitre , nanorør, polyedre og andre vilkårlige former, såvel som funktionelle strukturer såsom molekylære maskiner og DNA-computere .
En række forskellige metoder bruges til at samle disse strukturer, herunder flisestrukturering, hvor fliser samles fra mindre strukturer, foldestrukturer skabt ved hjælp af DNA-origami- metoden og dynamisk omarrangering af strukturer skabt ved hjælp af strengbevægelsesmetoder. Forskningsfeltet begynder at blive brugt som et værktøj til at løse grundlæggende videnskabelige problemer inden for strukturel biologi og biofysik , herunder anvendte problemer med krystallografi og spektroskopi til proteinstrukturbestemmelse. Forskning er også i gang for potentielle anvendelser inden for skalerbar molekylær elektronik og nanomedicin .
Nanoteknologi forstås ofte som studiet af materialer og enheder, hvis komponenter er mindre end 100 nm. Især DNA-baseret nanoteknologi er et eksempel på bottom-up selvsamling af molekyler, hvor molekylære komponenter spontant organiserer sig i stabile strukturer; den specifikke form for disse strukturer er bestemt af de fysiske og kemiske egenskaber af komponenterne udvalgt af designerne [5] . I DNA-baseret nanoteknologi er byggestenene tråde af nukleinsyrer, såsom DNA, som er velegnede til konstruktion af objekter i nanoskala, da dobbelthelixen af nukleinsyrer har en diameter på 2 nm og en længde på en 360 ° drejning på 3,5 nm.
Et nøgletræk, der gør nukleinsyrer mere egnede til at konstruere strukturer, og adskiller dem fra andre materialer, er, at bindingen mellem to nukleinsyrer afhænger af simple og velundersøgte baseparringsregler , mens den danner en veldefineret struktur, som tilsammen tillader nem samling af strukturer fra nukleinsyrer gennem design af nukleinsyrer. Denne egenskab er fraværende i andre nanoteknologiske materialer, herunder proteiner , som er meget vanskelige at designe, samt nanopartikler , som ikke har evnen til kontrolleret selvsamling [6] .
Strukturen af et nukleinsyremolekyle består af en sekvens af nukleotider , der adskiller sig i de nitrogenholdige baser, de indeholder . Der er fire baser i DNA: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og thymin (T). Nukleinsyrer har den egenskab, at molekyler under dannelsen af en dobbelthelix kun binder til hinanden, hvis to sekvenser af nitrogenholdige baser er komplementære. Det vil sige, det betyder, at de danner passende baseparsekvenser, hvor A kun binder til T og C kun binder til G [6] [7] . Da dannelsen af korrekt matchede basepar er energetisk gunstig , forventes nukleinsyrer at binde til hinanden i de fleste tilfælde i en konformation, der maksimerer antallet af korrekt parrede baser. Således tillader basesekvenserne i strengsystemet, at bindingsmønsteret og den overordnede struktur af objektet bestemmes på en let styret måde. I DNA-baseret nanoteknologi bestemmes strengenes basesekvenser af forskere, således at parringsinteraktioner får strengene til at samle sig i ønskede konformationer [4] [6] .
DNA-baserede nanoteknologier er nogle gange opdelt i to overlappende underområder: DNA-baserede strukturelle nanoteknologier og DNA-baserede variable nanoteknologier. DNA-baserede strukturelle nanoteknologier (nogle gange forkortet SDN ) fokuserer på syntese og karakterisering af nukleinmaterialer og komplekser, der samles til endelige ligevægtstilstande , [8] [9] .
Strukturer bygget inden for rammerne af DNA-baseret nanoteknologi bruger topologisk forgrenede strukturer af nukleinsyreholdige forbindelser. (I modsætning til de fleste biologiske DNA, som eksisterer som en uforgrenet dobbelthelix). En af de enkleste forgrenede samlinger er en fire-vejs knude, som består af fire separate DNA-strenge, hvis dele er komplementære i et bestemt mønster. I modsætning til den naturlige struktur af Holiday , har hver retning i en fast kunstig knude en anden sekvens af baser, som et resultat af hvilken forbindelsespunkterne er på et strengt defineret sted. Flere vias kan kombineres i en samling, for eksempel i den meget anvendte dobbeltkrydsning ( DX ), som indeholder to parallelle dobbeltspiralregioner med regionstrenge, der skærer hinanden i to forskellige punkter. Hvert skæringspunkt er topologisk i sig selv en firevejsknude og er begrænset i én orientering. Så i modsætning til den fleksible enkelt fire-vejs knude giver dobbeltkrydsningen stivhed, hvilket gør den til en velegnet byggesten til at øge DNA-samlinger [6] [4] .
Udskiftelige DNA-baserede nanoteknologier bruger en mekanisme kaldet "støttemedieret strengforskydning " for at tillade samlingen af nukleinsyrer at blive omarrangeret (som svar på tilføjelsen af en ny nukleinsyre) . I denne reaktion binder en indkommende streng til den enkeltstrengede rygrad i en dobbeltstrenget samling og fortrænger derefter en af den oprindelige samlings bundne ved hjælp af en "grenmigreringsproces". Som følge heraf erstattes en af forsamlingens grene af en anden [8] . Derudover kan omarrangerbare samlinger og enheder skabes ved hjælp af funktionelle nukleinsyrer såsom deoxyribozymer og ribozymer , der er i stand til at producere kemiske reaktioner og aptamerer , der kan binde til specifikke proteiner eller små molekyler [10] .