3D-DNA 纳米结构

折叠 DNA 类似于折纸的 DNA 纳米技术是大约 30 年前开发的。 2006 年，加州理工学院的 Paul Rothemund 展示了将长链 DNA 折叠成各种预定形状的方法。由此产生的纳米结构可以用作脚手架或微型电路板，用于精确组装碳纳米管和纳米线等组件。 但要制作数倍的 DNA 结构，必须在单条 DNA 链周围的区域添加数百个“钉书钉”，为了制造新的纳米结构，需要一套新的主食。此外，DNA 结构往往会随机排列在基板表面上，因此很难随后将它们集成到电子电路中。 DNA 砖 为了克服上述困难，美国哈佛大学的研究人员开发了一种技术，通过将合成 DNA“砖块”组装在一起来制造高度复杂的 3D 纳米结构。这些积木就像乐高的小块，可以组装成各种形状和配置，以构建精心设计的纳米结构。研究人员通过自组装技术制造 DNA 砖，从长 DNA 链开始，通过将短的合成 DNA 链互锁在一起，通过适当控制链之间的局部相互作用来制造更大的结构。该技术依赖于 DNA 自组装方法，使用 DNA 中的四个碱基对——腺苷、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鸟嘌呤，它们可以以特定方式自然连接以制造一系列 2D 结构。 技术 制造 3D 结构的技术始于一条只有 32 个碱基的较小 DNA 砖链，该链有四个区域与四个相邻的 DNA 砖链结合，这些 DNA 砖链通过 90° 连接并在空间中构建以创建包含数百个 DNA 分子立方体的 DNA 分子立方体。砖块。每个 DNA 结构都自组装成一块用单独序列编码的砖块，该序列确定其在纳米结构中的最终位置。每个序列只会被一个互补序列吸引，因此可以通过选择不同的序列来创建特定的形状。 应用程序 使用 DNA 砖技术，只需选择特定 DNA 砖的子集，就可以从同一个主立方体中轻松制作任意数量的结构。可以制造出许多复杂的形状，其中包含比迄今为止构建的任何 3D DNA 结构都更复杂的复杂腔体、表面特征和通道。也可以通过添加或移除 DNA 砖而不改变主要结构来进行修改。研究人员声称，许多合适的技术相关客体分子可以结合到功能器件中，这些器件可以用作可编程分子探针、生物成像仪器和药物输送载体，并制造用于电子和光子学应用的高通量复杂无机器件。他们进一步声称，通过使用合成聚合物而不是天然形式的 DNA，有可能创建在更广泛的不同环境中稳定的功能结构。研究人员表示，使用 DNA-brick 技术制造的结构可能会用于多种应用，例如用于体内靶向药物输送的智能医疗设备、可编程成像探针，甚至用于制造速度更快、功能更强大的计算机——芯片电路。DNA 微芯片 微芯片用于计算机、手机和其他电子设备。 IBM 正在使用 DNA 纳米结构构建 DNA 微芯片。这是使用生物分子来帮助半导体行业处理的一种努力，因为像 DNA 这样的生物结构实际上提供了一些非常可重复的重复模式。这将是下一代的结构，芯片制造商正在竞相以更便宜的价格开发最小的芯片。 基因检测 已经使用 100 万亿个反应性和功能性 DNA 成分制成了由自组装 DNA 纳米结构制成的基因检测平台。通过扫描质量上附着的不同标记，可以获得溶液分子组成的清晰读数。这种方法将允许对单个分子进行条形码编码，以便于识别和分析。生物传感 美国研究人员的调查发现了完全由石墨烯和 DNA 制成的纳米结构。当使用荧光蛋白追踪这两种成分之间的相互作用时，发现单链 DNA 与碳化合物的相互作用比其双链同胞强得多。当互补 DNA 被添加到石墨烯上已有的链时，标记蛋白开始以新的强度发光，表明新的 DNA 分子形成，因为第一条链与其石墨烯基质分离。据研究人员称，这种特性可以为创建新型生物传感器铺平道路。石墨烯-DNA 纳米结构将在医院中用于检测癌症、腐烂和变质食物中的毒素等疾病，还可以扫描怀疑携带生物武器的包裹对于任何病原体的痕迹。 DNA 机器 牛津软和生物物质中心报告说，沃森-克里克碱基配对的优雅选择性使 DNA 成为构建纳米级物体和机器的极其有用的工具。通过精心选择碱基序列，可以将稳定的结构和机械循环编程为单链系统。DNA 纳米结构支架 亚利桑那州立大学的研究人员开发了各种形状和大小的 DNA 纳米结构，可以携带分子来触发体内的免疫反应。他们已经开发出可用作支架材料的 DNA 纳米结构，并创建了类似于不含疾病成分的天然病毒的合成疫苗复合物。然后将合成疫苗复合物连接到金字塔形状和分支状结构的 DNA 纳米结构上。这对于开发靶向疗法具有巨大潜力。DNA 晶体 纽约大学的化学家创造了 3D DNA 结构，这些结构具有一系列潜在的工业和制药应用，例如纳米电子元件的创造和药物受体靶标的组织以使其 3D 结构发光。研究人员通过以下方式创造了 DNA 晶体制作能够自组装成一系列 3D 三角形状图案的 DNA 合成序列。晶体的产生依赖于放置“粘性末端”——基序每一端的小内聚序列——附着在其他分子上，并将它们按设定的顺序和方向放置。这些粘性末端的构成允许图案以程序化的方式相互连接。通过基因工程技术，多个螺旋通过单链粘性末端连接在一起，形成向六个不同方向延伸的晶格状结构，从而产生3D晶体。