Войти
ДНК-нанотехнология предполагает создание искусственных, разработанных наноструктуры из нуклеиновых кислот, такие как этот тетраэдр ДНК. Каждое ребро тетраэдра представляет собой двойную спираль из 20 пар оснований ДНК , каждая вершина представляет собой трехлепестковое соединение. 4 нити ДНК, которые образуют 4 тетраэдрических грани, имеют цветовую кодировку. Нанотехнология ДНК - это разработка и производство искусственных структур нуклеиновых кислот для технологических целей. В этой области нуклеиновых клеток используются материалы небиологической инженерии нанотехнологии, а не как носители генетической информации в живых ках. Исследователи в этой области статические структуры, такие как двумерные и трехмерные кристаллические решетки, нанотрубки, многогранники и произвольной формы, а также функциональные устройства, такие как молекулярные машины и ДНК-компьютеры. Эта область науки начальник института в решении проблемы фундаментальной в структурной биологии и биофизики, включая приложения в рентгеновской кристаллографии и для определения структур.>ядерного магнитного резонанса спектроскопии белков. Возможные применения в электронике молекулярного масштаба и наномедицине также исследуются.
Концептуальные основы нанотехнологии ДНК были впервые заложены Надрианом Симаном в начале 1980-х, и эта область начала привлекать всеобщий интерес в середине 2000-х. Такое использование нуклеиновых кислот обеспечивается их строгими предписаниями, обеспечивающими спаривания части цепей с комплементарными последовательностями оснований, связывающихся вместе с образованием, жесткими структурами с двойной спиралью. Это обеспечивает рациональный выбор базовых последовательностей, которые будут формироваться с помощью сложных целевых структур с точно управляемыми функциями наноразмеров. Используемые структуры используются несколько методов сборки, включая структуры на структурные структурные структуры, складывающиеся из структурных схем ДНК-оригами и динамически реконфигурируемые структуры с цепей. Название поляному конкретно относится на ДНК, но те же принципы использовались и с другими типами нуклеиновых, что привело название к случай использования альтернативного нанотехнологии нуклеиновых кислот.
Эти четыре нити соединяются в четырехлепестковое соединение ДНК, поскольку эта структура увеличивает количество правильных пар оснований, причем A соответствует T и C соответствует G. См. на этом изображении более реалистичную модель соединения с четырьмя ветвями, показывающую его третичную способность.
Этот супрамолекный комплекс сным двойным кроссовером (DX) состоит из пяти Однонити ДНК, которые образуют два двухспиральных домена, вверху и внизу на этом изображении. Есть две точки пересечения, где цепи переходят из одного домена в другой. Нанотехнология ниже как исследование и устройств с характеристиками по шкале 100 нанометров. Нанотехнология ДНК, в частности, является примером снизу вверх молекулярной самосборки, в которой молекулярные компоненты спонтанно организуются в стабильные структуры; особая форма обусловлена физическими и химическими свойствами компонентов, выбранных проектировщиками. В нанотехнологии ДНК материалы компонентов включают нити нуклеиновых кислот, таких как ДНК; эти нити часто используются синтетическими и почти всегда используются вне контекста живые клетки. ДНК хорошо подходит для построения наноразмеров, поскольку связывание между цепями нуклеиновых кислот зависит от простых правил спаривания основ , которые хорошо понятны и образуют специфическую наноразмерную структуру двойной спирали нуклеиновой кислоты . Эти качества позволяют легко контролировать сборку структур нуклеиновых кислот с помощью нуклеиновых кислот. Это свойство отсутствует в других материалах, используемых в нанотехнологии, включая белки, для которых дизайн белка очень затруднен, и наночастицы, которые не обладают способностью к специфической сборке.
Структура молекулы нуклеиновой кислоты содержит следующие нуклеотидов, различающиеся по нуклеотидным основаниям, которые они содержат. В ДНК присутствуют четыре основания: аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (Т). Нуклеиновые кислоты обладают тем самым, что молекулы связаны друг с другом с двойной спирали, если две , что означает, что они образуют соответствующие парные основы, при этом A связывается только с T, И Только от C Город до G. Образование друг друга правильно подобранных пар оснований энергетически выгодно ожидается, что в большинстве случаев нуклеиновые кислоты будут связываться с другом в конформации, которая максимизирует количество правильно спаренных оснований. Последовательности оснований в системе цепей таким образом определяют характер связывания и общую легко управляемым способом. В нанотехнологии ДНК, так что взаимодействие спаривания оснований ДНК собираются в желаемой конформации. Хотя ДНК является доминирующим используемым материалом, также сконструированы структуры, включающие другие нуклеиновые кислоты, такие как РНК и пептидная нуклеиновая кислота (PNA).
ДНК-нанотехнология иногда делится на две перекрывающиеся части: структурная ДНК-нанотехнология и динамическая ДНК-нанотехнология. Структурная нанотехнология ДНК, иногда сокращенно SDN, фокусируется на синтезе и характеристике комплексов нуклеиновых кислот и материалов, которые собираются в статическое, равновесное конечное состояние. Другая, динамическая нанотехнология ДНК фокусируется на неправильное поведение, например, способ использования химического или стимула. Некоторые комплексы, такие как наномеханические устройства нуклеиновых кислот, сочетают в себе свойства структурных, так и динамических подполей.
Компоненты, построенные в структурной нанотехнологии ДНК, используют топологически разветвленные структуры нуклеиновых кислот, содержащие соединения. (Напротив, большая часть биологической ДНК существует в виде неразветвленной двойной спирали.) Одна из простейших разветвленных структур - это соединение с четырьмя ветвями, состоящими из отдельных четырех цепей ДНК, составляющих комплементарны в определенном порядке.. В отличие от естественных соединений Холлидея, каждое плечо в искусственном неподвижном соединении с четырьмявями ветями различную базовую последовательность, в результате чего точка соединения фиксируется в определенном положении. Множественные соединения могут быть объединены в один и тот же комплекс, например, в широко используемом структурном мотиве двойного кроссовера (DX) , который содержит два параллельных двойных спиральных домена с отдельными цепями, пересекающимися между доменами в двух точках кроссовера. Точка пересечения является топологически четырехлепестковым соединением, но ограничена одной ориентацией, в отличие от гибкого одиночного четырехлепесткового соединения, которая делает DX подходящим в качестве структурного строительного блока для более сложной комплексов ДНК.
Динамическая нанотехнология ДНК использует механизм, называемое опосредованное опосредованное нарушение цепи, чтобы вызвать комплексам нуклеиновой кислоты реконфигурироваться в ответ на добавление новой цепи нуклеиновой кислоты. В этой реакции входящая цепь связывается с однонитевой областью двухцепочечного комплекса, а смещает одну из нитей, связанных в исходном комплексе, посредством ветви ветви процесс. Общий эффект заключается в том, что одна из нитей в комплекс заменяется другим. Используемые реконфигурируемые структуры и устройства, которые могут быть изготовлены из функциональных нуклеиновых кислот, таких как дезоксирибозимы и рибозимы, которые могут выполнять химические реакции, и аптамеры, которые могут выполнять выполнять обязанности конкретным белкам или маленьким молекулам.
Структурная нанотехнология ДНК, иногда сокращенно SDN, фокусируется на синтезе и характеристике комплексов нуклеиновых кислот и материалов, в которых сборка имеет статическую, равновесную конечную точку. Двойная спираль нуклеиновой кислоты имеет надежную заданную трехмерную геометрию, которая позволяет прогнозировать и конструировать структуры более сложных комплексов нуклеиновых кислот. Было создано много таких структур, включая двух- и трехмерные структуры, а также периодические, апериодические и дискретные структуры.
Сборка массива DX. Слева принципиальная схема. Каждая полоса представляет собой двухспиральный домен ДНК, формы которого обеспечивает дополнительные липкие концы. Комплекс DX наверху объединяется с другими комплексами DX в двумерный массив, показанный внизу. Справа: изображение собранного массива с помощью атомно-силовой микроскопии. В собранной конструкции отчетливо видны отдельные плитки DX. Поле составляет 150 нм в поперечнике. 
Слева, модель плитки ДНК, используемая для создания другой двумерной периодической решетки. Справа, микрофотография атомной силы собранной решетки. 
Пример апериодической двумерной решетки, которая собирается во фрактальный узор. Слева: прокладка Серпинского фрактал. Справа: массивы ДНК, которые отображают на своей поверхности изображения прокладки Серпинского Небольшие комплексы нуклеиновых кислот могут быть снабжены липкими концами и объединены в более крупные двумерные периодические решетки, конкретный мозаичный узор отдельных молекулярных плиток. Самый ранний пример этого использует комплексы двойного кроссовера (DX) в качестве основных элементов, разработанных каждый из блоков, состоящих из четырех липких конечных последовательностей, которые включают блоки DX, объединяющиеся в периодические двумерные плоские листы, которые представляют собой двумерные кристаллами ДНК.. Двумерные массивы также сделаны из других массивов, включая решетку Холлидея, ромб и различные массивы на основе DX, используемые двойные схемыного сцепления. Два верхних изображения справа показывают примеры периодических решеток на основе плиток.
Двумерные массивы могут быть представлены для демонстрации апериодических структур, реализует алгоритм, демонстрируя одну форму вычислений ДНК. Для плиток DX можно выбрать липкие конечные продукты, чтобы они действовали как плитки Ванга, позволяя им выполнять вычисления. Был использован массив DX, сборка которого кодирует операцию XOR ; это позволяет массиву ДНК реализовать клеточный автомат, который генерирует фрактал, известный как прокладка Серпинского. На третьем изображении справа показан этот тип массива. Другая система имеет функцию двоичного счетчика , отображающего представление увеличивающихся двоичных чисел по мере их роста. Эти результаты показывают, что вычисления могут быть включены в сборку массивов ДНК.
Массивы DX были созданы для создания полых нанотрубок диаметром 4–20 нм, по существу, двумерных решеток, изгибающихся на себя. Эти ДНК-нанотрубки несколько похожи по размеру и форме на углеродные нанотрубки, хотя им не хватает электропроводности углеродных нанотрубок, ДНК-нанотрубки легче модифицировать и соединять с другими структурами. В одной из ДНК-ДНК-схем используется решетка изогнутых плиток DX, которая изгибается вокруг себя и закрывается в трубку. Формирование трехмерных решеток ДНК было самой ранней целью ДНК-нанотехнологии, но это оказалось одним из самых сложных для реализации. Альтернативный метод который позволяет создать единое модульное средство с использованием одноцепочечных плиток, жесткость трубки расширяющим свойством.
. В 2009 году наконец было сообщено об успешном использовании баланса, основанного на концепции тенсегрити, между силами растяжения и сжатия.
Исследователи синтезаторов многих три -мерных систем ДНК, каждый из которых имеет связность , такого как куб или октаэдр, что означает, что дуплексы ДНК проходят по краям многогранника с стыком ДНК в каждой вершине. Первые демонстрации многогранников ДНК были очень трудоемкими, требовали нескольких этапов лигирования и твердофазного синтеза для создания сцепленных многогранников. Последующая работа привела к появлению многогранников, синтез которых был намного проще. К ним относится октаэдр ДНК, сделанный из длинной одиночной цепи, предназначенный для складывания в правильную конформацию, который может быть получен из четырех нитей ДНК за один этап, изображенный в верхней части статьи.
Наноструктуры произвольные, неправильные формы обычно используются с использованием метода ДНК оригами. Эти структуры состоят из длинной естественной вирусной цепи в качестве «каркаса», которые заставляют складываться в желаемую форму с помощью компьютерноанных коротких «штапельных» цепей. Этот метод имеет преимущества простоты разработки, так как последовательность оснований предопределена последовательностью цепи каркаса и не требует высокой чистоты цепи и точной стехиометрии, как большинство других нанотехнологий ДНК. методы делать. ДНК-оригами было применимо для двухмерных форм, таких как смайлик, грубая карта Западного полушария и картина Моны Лизы. Твердые трехмерные структуры могут быть созданы с помощью параллельных спиралей ДНК, в виде системы с двумерными сотами, встроенными в общую трехмерную форму, подобную картонной коробке. Можно запрограммировать открытие и выявить или высвободить молекулярные клетки в программируемых молекулярных.
Структуры нуклеиновых кислот быть созданными для молекул нуклеиновых кислот, называемых гетероэлементами, включая белки, металлические наночастицы, квантовые точки и фуллерены. Это позволяет создавать материалы и устройства с диапазоном функциональных возможностей, превосходящим возможности одних только нуклеиновых кислот. Цель состоит в том, чтобы использовать самосборку нуклеиновых кислот для создания шаблона сборки наночастиц, размещенных на них, контролирующих их положение и в некоторых случаях ориентации. Во многих из этих схем используется схема ковалентного присоединения с использованием олигонуклеотидов с функциональными группами амид или тиол в качестве хим рычага для связывания гетероэлементов. Эта схема упорядочения наночастиц золота на матрице на основе DX и для упорядочения молекул белка стрептавидина в структуре структуры на матрице DX. Схема нековалентного хостинга с использованием полиамидов Dervan на массиве DX была для упорядочения стрептавидиновых белков в существующем режиме на массиве DX. Углеродные нанотрубки размещены на ДНК в виде узора, позволяющего сборке действовать как молекулярное электронное устройство, полевой транзистор с углеродными нанотрубками. Кроме того, существуют методы металлизации нуклеиновой кислоты, в которой нуклеиновая кислота заменяется металлом, который принимает общую исходную структуру нуклеиновой кислоты, и использует схемы наноструктур нуклеиновых кислот в качестве литографии масок, переносящих их узор в твердую поверхность.
Динамическая нанотехнология ДНК часто использует опосредованные пальцами реакции с ущербом цепи. В этом примере красная прядь связывается с одноцепочечной области опоры на зеленую нити (область 1), а затем в ветвь перемещения Процесс по 2, голубой нити смещается и освобождает от комплекса. Модель реакции для динамической реконструкции или сборки наноструктур нуклеиновых кислот. Кроме того, красные и синие нити люди в качестве сигналов в <молекулярном логенте..Нанотехнология динамической ДНК фокусируется на формировании систем нуклеиновых кислот со спроектированными динамическими функциями, связанными с их общими структурами, такими как вычисления и механическое движение. Существует совпадение между структурной и динамической нанотехнологией ДНК, как структуры могут формироваться посредством отжига и динамически изменяющейся последовательности.
ДНК Созданные комплексы, изменяющие свою конформацию при воздействии некоторого раздражителя, что делает их одной из форм >. Эти структуры изначально формируются так же, как статические структуры, созданные в структурной нанотехнологии ДНК, но спроектированы так, что после начальной сборки возможна динамическая реконфигурация. Самое раннее такое устройство использовало переход между формами B-ДНК и Z-ДНК, чтобы реагировать на изменение условий буфера, подвергаясь скручивающему движению.. Эта зависимость от условий буфера заставляла все устройства менять состояние одновременно. Последующие системы управления состояниями в зависимости от наличия цепей управления, что позволяет устройствам независимо работать в решении. Некоторыми примерами таких систем является конструкция «молекулярного пинцета», которая имеет открытое и закрытое состояние, устройство, которое может переключаться с конформации двойным открывающимся переходом (PX) на конформацию двойным открывающимся переходом (JX2), совершающим вращающее движение в процессе и двумерный массив, который может динамически расширяться и сжиматься в ответ на управляющие нити. Также были созданы структуры, которые динамически открываются или закрываются.
ДНК-ходунки - это класс наномашин с нуклеиновыми кислотами, которые демонстрируют движение по линейному пути. Было установлено большое количество схем. Одна из стратегий состоит в том, чтобы управлять движением пешехода по дорожке с помощью контрольных прядей, которые выполнить вручную. Другой подход заключается в использовании рестрикционных ферментов или дезоксирибозимов, чтобы расщепить нити и заставить ходунка двигаться вперед, что дает преимущество автономного бега. Более поздняя система по двумерной поверхности. Был установлен линейный ходунок, который выполняет ДНК-шаблонный синтезатор по мере того, как шагающий продвигается по дорожке, автономный многоступенчатый химический синтез, управляемый ходоком. Функция синтетических ДНК-ходоков аналогична функциям белков динеина и кинезина.
Каскады за ущерб цепей могут либо вычислительные ресурсы, либо для структурных целей. Реакция новой цепи инициатора включает выявление реакции в ответ на некоторой цепи инициатора. Многие такие могут быть связаны в каскад, где вновь обнаруженная реакция одной реакции может вызвать реакцию за цепь в другом месте. Это, в свою очередь, позволяет создать сеть множеством компонентов, демонстрирующих сложные вычислительные возможности и возможности обработки информации. Эти каскады становятся энергетически выгодными за счет образования новых пар оснований и увеличения энтропии за счет параметров разборки. Соответствует требованиям сборки нуклеиновых для стадии желательного отжига, когда повышается, а медленно понижается, чтобы правильное формирование желательной структуры структуры. Они могут поддерживать каталитическую также функцию частиц инициатора, когда менее одного эквивалента инициатора может привести к завершению реакции.
Комплексы со смещением цепи 1, поставка молекулярные логические вентили, способные выполнить сложные вычисления. В отличие от использования электронных компьютеров, которые используют электрический ток в качестве входов и выходов, используются электронные компьютеры, используемые в качестве источников энергии в химических веществах. В случае возникновения цепей цепей цепей нуклеиновой кислоты цепочка цепей цепей нуклеиновой кислоты, которые высвобождаются или потребляются посредством событий связывания и развязывания других цепей. Этот подход был использован для создания логических элементов , таких как элементы И, ИЛИ и НЕ. Совсем недавно была использована четырехбитная схема, которая может вычислять квадратный корень из целых чисел 0–15, используя систему вентилей, содержащую 130 ДНК.
Использование с ущербом цепи каскадом - создание динамически собираемые конструкции. Они используют эту шпильки для реагентов, так что, когда входная цепь связывается, вновь обнаруженная последовательность находится на той же молекуле, а не разбирается. Это позволяет новые открытые шпильки к растущему комплексу. Этот подход был использован для создания простых структур, таких как трех- и четырехлепестковые соединения и дендримеры.
ДНК-нанотехнология обеспечивает один из немногих способов создания спроектированных сложных структур с точным контролем. над наноразмерными функциями. Область начинает находить применение для решений фундаментальных научных задач в структурной биологии и биофизике. Самое раннее такое применение, предусмотренное для данной области, и одно все еще находящееся в стадии разработки, - это кристаллография, где молекулы, которые трудно кристаллизовать изолированно, могут быть расположены в трехмерной решетке нуклеиновых кислот, что позволяет определять их состав. Другое применение - использование стержней -оригами для замены жидких кристаллов в экспериментах по остаточному диполярному соединению в ЯМР-спектроскопии белка ; ДНК-оригами является преимуществом использования, поскольку в отличие от жидких кристаллов, они толерантны к детергентам, нужны для суспендирования мембранных белков в растворе. ДНК-ходунки использовались в качестве сборочных линий наноразмеров для перемещения наночастиц и прямого химического синтеза. Кроме структуры ДНК-оригами помогли в биофизических исследованиях функций фермента и сворачивания белка.
Нанотехнология ДНК приближается к потенциальным приложениям в реальном мире. Способность массивов нуклеиновых кислот упорядочивать другие молекулы на их потенциальные применения в электронике молекулярного масштаба. Сборка устройства структуры нуклеиновой может быть использована для создания шаблона сборки молекулярных электронных элементов, таких как молекулярные провода, метод нанометрового контроля размещения и общей архитектуры, аналогичный молекулярная макетная. Нанотехнологию ДНК сравнивают с концепцией программируемой материи из-за связи вычислений со свойствами ее материала.
В исследовании, проведенном исследователями из iNANO и Центры CDNA в Орхусском университете, исследователи смогли сконструировать небольшой мульти-переключаемый трехмерный блок ДНК- оригами.. Предлагаемая наночастица была охарактеризована с помощью атомно-силовой микроскопии (AFM), просвечивающей электронной микроскопии (TEM) и резонансного переноса энергии Фёрстера (FRET). Было показано, что сконструированный ящик имеет уникальный механизм повторного включения, который позволяет ему многократно открываться и закрываться в ответ на уникальный набор ключей ДНК или РНК. Авторы предположили, что это «устройство ДНК может быть использовано для широкого круга приложений, таких как управление отдельными молекулами, контролируемая доставка лекарств и молекулярные вычисления».
Возможные возможности применения нанотехнологий ДНК в наномедицина, используя ее способность выполнять вычисления в биосовместимом формате для создания «умных лекарств» для адресной доставки лекарств, а также для диагностических приложений. Одна из таких исследуемых систем использует полый блок ДНК, вызывает белки, вызывающие апоптоз или гибель клетки, который открывается только в непосредственной близости от раковой клетки. Наиболее вероятно использование транскрибированной РНК для сборки, хотя неизвестно, возможно ли эти сложные структуры эффективно складываться или собираться в клетках. цитоплазма. В случае успеха это может быть направленную эволюцию наноструктур нуклеиновых кислот. Ученые из Оксфордского университета сообщили о самосборке четырех коротких цепей синтетической ДНК в клетку, которая может проникать в клетки и выживать не 48 часов. Было обнаружено, что флуоресцентно меченая ДНК тетраэдров остается нетронутой в лабораторных культивированных клетках почек человека, несмотря на атаку клеточными ферментами через два дня. Этот эксперимент показал возможность доставки лекарств внутрь живых клеток с помощью «клетки» ДНК. ДНК тетраэдр была использована для доставки РНК-интерференции (РНКи) в мышиной модели, сообщила группа исследователей из МИТ. Доставка мешающей РНК для лечения показала некоторый успех с использованием полимера или липида, но существуют пределы безопасности и неточное нацеливание, помимо короткого срока хранения в кровотоке. Наноструктура ДНК, созданная команда, состоящая из шести нитей ДНК, образующих тетраэдр, прикрепленной к каждой из шести краев. Тетраэд практически снабжен целевым белком, молекулами фолиевой кислоты, которые вызывают наночастицы ДНК многочисленным рецепторам фолиевой кислоты, обнаруживаемым в некоторых опухолях. Результат показал, что экспрессия гена, на которую нацелена РНКи, люциферазы, снизилась более чем наполовину. Это исследование показывает многообещающие возможности использования ДНК-нанотехнологий в качестве эффективного инструмента для лечения с использованием новой технологии интерференции РНК. Тетраэдр ДНК также использовался для преодоления множественной лекарственной устойчивости. Доксорубицин (DOX) конъюгировали с тетраэдром и загружали в клетки молочной железы MCF-7, обеспечивающий насос для оттока лекарственного средства Р-гликопротеин. Результаты эксперимента показали, что DOX не откачивается, и апоптоз раковых клеток был достигнут. Тетраэдр без DOX загружает в клетки для проверки его биосовместимости, и сама структура не показала цитотоксичность. Тетраэдр ДНК также использовался в качестве штрих-кода для профилирования субклеточной экспрессии и распределения белков в клетках в диагностических целях. Тетраэдрическая наноструктура показала усиленный сигнал благодаря более высокой эффективности и стабильности мечения.
Применение нанотехнологий ДНК в наномедицине также определено на имитации структуры и функции встречающихся в природе мембранных белков с помощью разработанных наноструктур ДНК. В 2012 году Langecker et al. представили структуру ДНК-оригами в форме пор, которая может самовстраиваться в липидные мембраны посредством гидрофобных модификаций холестерина и индуцировать ионные токи через мембрану. За этой первой демонстрацией синтетического ионного канала ДНК последовали разнообразные конструкции, индуцирующие поры, одиночные дуплекса ДНК до небольших структур на основе плиток и больших трансмембранных поринов ДНК-оригами. Подобно природным белковым ионным каналам, набор синтетических аналогов, созданных ДНК, таким образом, охватывает несколько порядков по проводимости. Исследование одиночного ДНК-дуплекса, встраивающего мембрану, показало, что ток должен также течь по границе раздела ДНК-липид, поскольку в конструкции отсутствует центральный канал, который позволяет ионам проходить через липидный бислой. Это указывает на то, что ДНК-индуцированная липидная пора имеет тороидальную форму, а не цилиндрическую, поскольку головные липидные группы переориентируются, чтобы быть обращенными к части ДНК, встроенной в мембрану. Исследователи из Кембриджского университета и института Иллинойса в Урбана-Шампейн проверяли, что такая ДНК-индуцированная тороидальная пора может быстрому липидному флип-флопу листочками липидного бислоя. Используя этот эффект, они разработали синтетический ДНК-построенный фермент, который быстрее переворачивает липиды в биологических мембранах на порядки, чем природные белки, называемые скрамблазами. Эта разработка подчеркивает потенциал синтетических наноструктур ДНК для персонализированных лекарств и терапевтических средств.
Наноструктуры ДНК должны быть рационально спроектированы так, чтобы отдельные цепи нуклеиновых кислот собирались в желаемые структуры. Этот процесс обычно начинается с определения желаемой целевой структуры или функции. Затем определенная общая вторичная структура целевого комплекса с указанием расположения цепей нуклеиновых кислот внутри структуры и того, какие части этих цепей связаны друг с другом. Последним шагом является проектирование первичной структуры, которое представляет собой спецификацию фактических последовательностей оснований каждой цепи нуклеиновой кислоты.
Первый шаг в разработке Наноструктура нуклеиновой кислоты должна решить, как структура должна быть представлена определенным расположением цепей нуклеиновой кислоты. На этом этапе проектирования создаются вторичные структуры или положения паролей, которые удерживают отдельные пряди вместе в желаемой форме. Было продемонстрировано несколько подходов:
После того, как любой из вышеперечисленных подходов будет использован для создания вторичной структуры целевого комплекса, необходимо разработать фактическую последовательность нуклеотидов, которая сформирует желаемую структуру. Конструкция нуклеиновой кислоты - это процесс использования последовательности оснований нуклеиновой кислоты каждой из составляющих цепей структуры, чтобы они ассоциировались в желаемую конформацию. Большинство имеют цель установить так, чтобы целевая структура имела самую низкую структуру методов и, таким образом, была наиболее термодинамически благоприятной, в то время как неправильно собранные структуры имели более высокие энергии и таким образом, не имели преимущества. Это делается либо с помощью простых, более быстрых эвристических методов, таких как, либо с помощью полной термодинамической модели ближайшего соседа, которая более точна, но медленнее и требует больших вычислений. Геометрические модели используются для исследования третичной структуры наноструктур и для гарантии того, что комплексы не слишком деформированы.
. Дизайн нуклеиновой кислоты преследует те же цели, что и дизайн белка. В обоих случаях последовательного мономеров предусмотрены варианты использования желаемой структуры и неблагоприятного для других структур. Дизайн нуклеиновой кислоты имеет преимущество в том, что он намного проще в вычислительном отношении, чем дизайн белка, потому что простые правила спаривания на основе достаточно для прогнозирования энергетической предпочтительности структуры, и не требуется подробная информация об общем трехмерном складывании структуры. Это позволяет использовать простые эвристические методы, дающие экспериментально устойчивые конструкции. Структура нуклеиновых кислот менее универсальны по своим функциям, чем белки, из-за повышенной способности белков складываются сложные структуры и ограниченного химического разнообразия четырех нуклеотидов по сравнению с двадцатью протеиногенными аминокислотами.
Последовательности цепей ДНК, составляющих целевую структуру, рассчитываются вычислительным методом с использованием молекулярного моделирования и программа термодинамического моделирования. Сами нуклеиновые кислоты затем синтезируются с использованием стандартных методов синтеза олигонуклеотидов, обычно автоматизированных в синтезаторе олигонуклеотидов, и цепи пользовательских последовательностей являются коммерческими Ля доступны. Нити могут быть очищены денатурирующим гель-электрофорезом, если необходимо точными методами, определенными с помощью любого из нескольких методов количественного определения нуклеиновых кислот с использованием спектроскопии ультрафиолетового поглощения.
Полностью сформированные структуры-мишени можно проверить с помощью нативного гель-электрофореза, который дает информацию о форме и форме нуклеиновых кислот. Анализ сдвига электрофоретической подвижности может оценить, включает ли структуру все желаемые нити. Флуоресцентная маркировка и резонансный перенос энергии Фёрстера (FRET) иногда используются для характеристик структуры
Структуры нуклеиновых кислот могут быть непосредственно отображены с помощью атомно-силовой микроскопии, которая хорошо подходит для протяженных двумерных структур, но менее полезна для дискретных трехмерных структур из-за взаимодействия наконечника микроскопа с хрупкой структурой нуклеиновой кислоты; В этом случае часто используются просвечивающая электронная микроскопия и криоэлектронная микроскопия. Расширенные трехмерные решетки анализируются с помощью рентгеновской кристаллографии.
Глубина гравюры на дереве (на фото) М. Сообщается, что К. Эшер вдохновил Надриана Симана рассмотреть возможности трехмерных решеток ДНК для ориентации кристаллизующихся молекул. Это привело к возникновению области нанотехнологии ДНК. Концептуальные основы нанотехнологии ДНК были впервые заложены Надрианом Симаном в начале 1980-х годов. Первоначальной мотивацией Симана было создание трехмерной решетки ДНК для ориентации других больших молекул, что упростило бы их кристаллографическое исследование, устранив сложный процесс получения чистых кристаллов. Эта идея, как сообщается, пришла ему в голову в конце 1980 года, после того, как он осознал сходство гравюры на дереве «Глубина» М. К. Эшер и массив шестиплечей ДНК. В то время было известно несколько естественных разветвленных структур ДНК, в том числе репликационная вилка и мобильное соединение Холлидея, но идея Симана заключалась в том, что неподвижные соединения нуклеиновых кислот могут быть созданы. правильного проектирования цепей, чтобы удалить симметрию в собранной молекуле, и что эти неподвижные в принципе могут быть объединены в жесткие кристаллические решетки. Первая теоретическая статья, предлагающая эту схему, была опубликована в 1982 году, первая экспериментальная демонстрация неподвижного соединения ДНК была опубликована в следующем году.
В 1991 году лаборатория Симана опубликовала отчет о синтезе куба, состоящем из ДНК, первая синтетическая трехмерная наноструктура нуклеиновой кислоты, полученной в 1995 году премию Фейнмана в области нанотехнологий. За ним последовал усеченный октаэдр ДНК. Вскоре стало ясно, что эти структуры, многоугольные формы с гибкими стыками в их вершин, были недостаточно жесткими, чтобы образовывать протяженные трехмерные решетки. Симан разработал более жесткий двойной кроссовер (DX) структурный мотив, в 1998 году в сотрудничестве с Эриком Винфри опубликовал создание двумерных решеток из плиток DX. Эти структуры на основе плиток имеют то преимущество, что они были реализованы Уинфри и Полом Ротемундом в их статье 2004 года об алгоритмической самосборке конструкции прокладки Серпинского, а также для них разделили с премией Фейнмана 2006 года в области нанотехнологий. Ключевой вывод Winfree заключен в том, что плитки DX можно использовать как плитки Ванга, что означает, что их сборка может выполнять вычисления. Синтезной трехмерной метки наконец опубликован Симаном в 2009 году, почти через тридцать лет после того, как он намеревался его достичь.
На протяжении 2000-х годов для созданных структур ДНК продолжали открываться новые возможности. Первая ДНК-наномашина - мотив, изменяющий свою структуру в ответ на ввод - была изменана в 1999 году Симаном. Усовершенствованная система, которая была первым на основе нуклеиновой кислоты, использовалась опосредованное зацеплением зацепление смещение цепи, которая была использована Бернардом Юрке в следующем году. Следующим шагом вперед было преобразование этого в механическое движение, и в 2004 и 2005 годах группы Симана, Найлза Пирса, Эндрю Турберфилда и. Идея использования массивов ДНК для создания сборки других молекул, таких как наночастицы и белки, впервые предложенная Bruche Robinson и Seeman в 1987 году, была использована в 2002 году Seeman, Kiehl et al. и активно другими.
В 2006 году Ротемунд впервые применил метод ДНК-оригами для простого и надежного формирования сложных структур ДНК произвольной формы. Ротемунд задумал этот метод как концептуально промежуточное звено между DX-решетками Симана, в котором использовалось много коротких цепей, и октаэдром ДНК России, который состоял в основном из одной очень длинной цепи. ДНК-оригами Ротемунда содержит длинную нить, сворачиванию дает несколько коротких нитей. Этот метод позволил сформировать структуру намного большего размера, чем это было возможно ранее, и это технически менее требовательно для проектирования и синтеза. ДНК-оригами было прикрытием Природа 15 марта 2006 года. За исследованием Ротемунда, демонстрирующим двумерные структуры ДНК-оригами, последовала демонстрация твердого трехмерного ДНК-оригами Дугласом и др. в 2009 году, в то время как лаборатории и Янали полые трехмерные конструкции, состоящие из двухмерных граней.
используются методы использования различных скептицизмов с использованием других скептицизмов из-за необычного небиологического использования нуклеиновых кислот в качестве материалов для построения конструкций и выполнения вычислений, а также преобладание принципов этой области экспериментов, которые расширили возможности этой области., но были далеки от реальных приложений. Статья Симана 1991 года о синтезе куба ДНК была отклонена журналом Наука после того, как один рецензент похвалил ее оригинальность, другой раскритиковал ее за отсутствие биологической значимости. К началу 2010-х годов стало считаться возможным применение приложений для фундаментальных научных исследований, практических приложений в медицине и других областях. Область выросла с очень небольшого числа работающих лабораторий в 2001 году до не менее 60 в 2010 году, что увеличило кадровый резерв и, следовательно, количество достижений в этой области за это десятилетие.
Научный портал 
Технологический портал Общие:
Конкретные подполя:
 | На Викискладе есть материалы, связанные с нанотехнологиями ДНК. |
