檢視 DNA納米技術的原始碼

'''DNA 奈米技術'''專門研究利用去氧核糖核酸抑是其他核酸的分子性質（如自組裝的特性）， 來建構出可操控的新型奈米尺度結構抑是機械。佇這个領域，核酸予人用做非生物的材料毋是佇活細胞中彼款做為遺傳信息的載體。嚴格的核酸鹼基配對法則（使鏈上特定的鹼基列相連接以形成牢固的雙螺旋結構）使這項技術成做可能。這一技術允准合理的鹼基鏈設計，對嚴格來組合形成具有精密控制的奈米級特性的複雜的目標結構。去氧核糖核酸是定咧用的優勢材料，毋過包括核酸如核糖核酸佮鴻核酸嘛予人用來構造結構，所以有當時仔嘛用「核酸奈米技術」來概念這个領域。

DNA 奈米技術概念的基礎代先是由納德里安 ・ 西曼（Nadrian Seeman）佇一九八空年代早期闡述，佇二空空年後開始引起廣泛的關注。這一領域的研究者已經起了靜止結構如二維和三維晶體結構、攏微微來、多面體和其他任意的造型；佮功能結構如奈米機器佮 DNA 運算。一寡組建方法被用來構建拼裝結構、拗疊結構佮動態會當重構結構。這馬乎，這款科技開始予人用做解決佇結構生物學佮生物物理學中基礎科學問題的工具；仝時陣也被應用佇結晶學佮光譜學中來測定卵白質結構。這項技術咧分子電子學（molecular scale electronics）佮奈米醫學中的應用猶閣佇咧研究中。

==歷史==

DNA 奈米技術概念的基礎代先是由納德里安 ・ 西曼（Nadrian Seeman）佇八十年代早期闡述。西曼的上初目的是創建一个三維的 DNA 晶格為其他大分子確定方向，這將去除了得著純淨晶體的複雜過程，簡化晶體學研究。講伊佇意識到莫里茨 ・ 科內利斯 ・ 埃舍爾（M . C . Escher）的木刻 Depth 佮大批的六節點 DNA 間的共同點後，產生這款想法。佇咧彼陣，一寡自然有分支的 DNA 結構已經予人知影包括複製叉佮會當徙振動的霍利迪交叉，但西曼認為講袂當動的核酸節點會當通過正確的鹼基序列設計消除組合分子的對稱性來製造。按呢遮的袂當動節點佇原則上會當組合成穩固的晶格。第一篇闡明這个體系的論文佇一九八二年發表，第一份試驗證明佇次年刊出。

佇咧一九九一年，西曼的實驗室發布了一份從用 DNA 製成的立方體（頭一个人工合成的三維核酸奈米結構）的分析報告。伊得著一九九五年費曼奈米技術獎（Feynman Prize in Nanotechnology）。 DNA 截面八角體嘛綴咧生。毋過，人足緊發現遮的以可變節點做上點的多邊形結構對構造伸展的三維晶格來講無夠勇。西曼發展了閣較牢咧雙交叉形（DX）， 佇一九九八年佮 Erik Winfree 彼个合作內底發布矣用 DX 鬥起來的二維晶格。遮的結構具結構具有實施 DNA 計算（DNA computing）的能力。這點已經由 Winfree 和 Paul Rothemund 佇𪜶二空空四年關於謝爾賓斯基三角形結構（Sierpinski gasket）的論文中證明，𪜶因此分享了二空空六年費曼奈米技術獎。Winfree 的主要觀點是 DX 磚仔會當做王氏磚（Wang tiles）使用，也就是講𪜶的組合會當進行計算。對三維晶格的分析最後由西曼佇咧二空空九年發表，為完成伊西曼花了大約三零年。

佇二空空年代設計的 DNA 結構的新功能陸續被發現。第一啦 DNA 奈米機器—會對輸入做出顛倒改變其形態-佇一九九九年由西曼驗證。次年，Bernard Yurke 驗證一个有提升的核酸機器。較精傱的，這个機械運動，並佇咧二千空四佮二空空五年一寡 DNA 行走器件予西曼、Niles Pierce、Andrew Turberfield 和 Chengde Mao 所驗證。用 DNA 組列構建其他分子的模板（如奈米粒子、卵白質等等）的想上早由 Bruche Robinson 跟西曼在一九八七年提出，佇咧兩千空六、二空空七年被 Hao Yan、Peter Dervan 和 Thomas Labean 驗證。

佇二空空六年，Rothemund 頭一擺驗證矣 DNA 拗紙的技術會當簡單來建出穩固的有任意造型的結構。Rothemund 設想這種用多條短鏈的方法是介於西曼晶格（用幾條短鏈）和 William Shih 的 DNA 八面體（主要用一條長鏈）的概念性中產物。Rothemund 的 DNA 拗紙法是用一條長鏈佮真濟短鏈配合拗折。這種方法使構建閣較大的結構變甲可行閣降低著設計佮分析的技術要求。DNA 拗紙術佇二空空六年三月十五登上矣《自然》雜誌的封面。隨著 Rothemund 完成驗二維 DNA 拗紙結構，Douglas 等人佇二空空九年固性三維 DNA 拗紙術。同時，Jørgen Kjems 的實驗室用二維平面製作了三維結構。

DNA 奈米技術上蓋初受著一寡質疑，因為核酸予人當做是一个生物的材料建造結構佮進行計算，並且遠離實際應用。西曼一九九一年關於 DNA 立方體分析的論文予科學雜誌拒絕，佇咧這進前，一个評論家呵咾伊的獨創性啊若另外一个批評論文佮生物學相關性無大。毋過，二空一空年代，這个領域佇咧基礎科學方面研究的應用開始予人熟似著，並且其他的醫學佮其他的領域的應用被認為是會用得的。二空空一年猶閣只有真少的實驗室做這方面研究，到二空一空年至少有六十个實驗室，嘛提懸人才有儲備量。所以佇這十冬內這方面的研究乎號了真大進步。

==基礎概念==

===核酸的特性===

奈米技術定定予人限定做是佇小於一百奈米的尺度下對材料佮物體的研究。DNA 奈米技術是自下而上分子自組裝的一个例，即分子成分自發地組成穩定結構；遮的結構的特殊形態是由設計者所揀的成份的物化特性所引發的。佇咧 DNA 奈米技術中，構建成分是核酸鏈，如去氧核糖核酸。去氧核糖核酸足適合奈米級的構造，因為一條去氧核糖核酸雙螺旋伊的直徑為二 nm，車旋重複長度為三鋪五 nm。核酸比其他材料閣較適合構造結構的主要特性是兩條核酸鏈間簡單的鹼基配對法則，通過鹼基連接會當形成一个具體明確的結構。這使核酸結構的組合容易通過核酸設計得著控制。這種刁工佇咧其他的用佇奈米技術的材料中並無存在（包括卵白質和奈米粒仔）。

核酸分子的結構有含無仝鹼基的核扣酸的排列順序決定。佇咧去氧核糖核酸內底，四个鹼基為腺抹粉、鋪排、鳥仔孵佮胸腺交趾。若核酸的兩條鏈是互補的，𪜶共互相連接形成雙螺旋結構（A-T，C-G）。 因為正確的鹼基配對是積極有利的，佇大多數的情形之下，核酸鏈互相連接的時陣，攏提入正確配對的鹼基數目上大化。鏈中鹼基的排列決定矣連接的方式佮整體結構，這簡單會當控。佇咧 DNA 奈米技術中，研究者設計合理的鹼基序列，自按呢予規條鏈照研究者希望的按呢組合起來。

===分支===

DNA 奈米技術有當仔予人分做兩个有所重疊的領域：結構 DNA 奈米技術（structural DNA nanotechnology）佮動態 DNA 奈米技術（dynamic DNA nanotechnology）。 結構 DNA 奈米技術（有時縮略為 SDN）主要方向是合成核酸材料等合成物並組合成穩定平衡的最終形態。

啊若動態 DNA 奈米技術的主要方向是研究具有不平衡性狀（欲佇物件的條件唌落來有重組能力）的合成物。一寡合成物如核酸奈米機械（nucleic acid nanomechanical devices）仝時陣有這兩个分支的特性。佇咧結構 DNA 奈米技術中構建的合成物會有拓撲分支的核酸結構。（大多數的生物 DNA 是無含分支的雙爿旋結構。）一个上簡單的分支結構是佇一个節點頂懸產生四條分支，這包含四股獨立的 DNA 鏈。無像自然的霍利迪交叉，佇咧這个人工節點頂懸每一條分支攏有無仝的鹼基序列，毋才會這个節點予人固定佇某一位。濟節點會當佇仝一个合成物中去予人組合起來，遮爾仔廣泛使用的雙交叉磚（double-crossover（DX）motif）， 伊由兩條平行的雙螺旋鏈佮獨立的佇其間交叉的鏈組成。其實交叉著兩个點，每一个點攏是一个四枝點，但是佮一个會當變的四枝點無仝，伊去予約束到單一的方向，使 DX 磚仔做對閣較大的 DNA 合成物的結構障礙。

動態 DNA 奈米技術運用矣一種叫做 toehold-mediated strand displacement 的機制使核酸合成物對新核酸鏈的添加做出反應進行重組。佇咧這个反應中，一个徙入去的鏈佮雙鏈合成物中一條鏈頂懸點位來進行連接，而且咧分支遷徙過程中置換掉初初合成物中的一條鍊。也就是合成物中的一條鏈予另外一條鏈所替換。重組結構佮機械嘛可用功能核酸製造，如脫氧核核、核准抑是核酸適體。

==設計的==

DNA 的奈米結構必須被合理設計，單條核酸鏈才會被組合做目標結構。這个過程通常需要對目標來結構抑是功能的詳細。然後確定目標敆成物的二級結構隨對結構內核酸鍊的安置佮連接點位。上尾是一級結構的設計即對每條核酸鏈鹼基順序的安排。

===結構設計===

設計核酸奈米結構的頭一步是決定欲按怎用核酸鏈構建目標結構。這步決定矣其二級結構佮連接點位。如果後一寡方法閣有：

*'''鬥接結構'''：這款方法拍破部份化學鍵將目標結構分解做小單元。這定定予人用來做點仔陣，但也予人用來實施系統的自組，使成做 DNA 計算的平台。這是阮九空年代的中期 DNA 拗紙法發展以來十外冬的主導設計策略。
*'''拗疊結構'''：拗起來會當用一條長鏈構造奈米結構。這條長鏈會當有設計好的鹼基序列抑是家己拗疊抑是用短一寡的鏈「訂」做伙，拗共規个目標結構疊做目標。這後一種方法叫做 DNA 拗紙（DNA origami）。 通過這種方法，構建奈米級的字維抑是三維形態嘛著愛實現（見下跤的非連紲結構）。
*'''動態組合'''：這種方法直接控制 DNA 自組的動力，除了中產物外愛分析反應中所有的中央部份。用採用頭毛鋏結構的原始材料；遮的發生級聯反應以一个特定的順序形成最終構造。這種方法有佇恆定溫度下進行的優勢。這是無仝款熱力學方法，伊無需要燒退火步驟來使之形成目標結構。

===序列設計===

佇用來述方法設計了目標敆成物的二級結構了後，核准酸的序列必須愛確定出。誠濟方法攏以目標結構具有上低能量為目的設計序列，因為這佇熱力學上是上有利的，拆落來的結構具閣較懸的能量，因此無利。按呢做是會當通過閣較緊的、簡單的、啟發性的方法照起工對稱上小化，抑是使用一个完整的最近（nearest-neighbor）熱力學模型，這閣較精確但是閣較慢並且需要閣較密集的計算。幾何模型用來測定奈米結構的三級結構以保證合成物袂過度密密。

核酸的設計佮卵白質的設計有相𫝛的目標。佇咧兩者內底，單體的序列予人設計做有利用目標結構攏無利用其他結構。核酸設計比卵白質設計的計算欲閣較簡單，因為簡單的鹼基配對法則會當有預測結構的能量支持（energetic favorability）， 並且關於總體頂懸結構的三維拗疊甲細節信息是無需要的。這允准使用簡單的啟發式方法產生穩固的實驗性設計。毋過，核酸結構佇功能多樣性比卵白質弱，因為有閣較強的拗疊做合做結構，並且和二十種胺基酸比起來，四種鹼基欠少化學多樣性。

==結構 DNA 奈米技術==

結構 DNA 奈米技術（有時縮寫為 SDN）， 對核酸合成物的分析佮描述。核酸的雙螺仔旋是一个穩固的三維幾何結構，這予預測佮設計閣較複雜的核酸合成物成做有可能。誠濟按呢的結構已經予創造出來矣包括二維、三維結構，周期性的、非周期性的佮離散結構。

===擴展晶格===

小的核酸合成物會當配上粘性尾仔，合成閣較大的二維周期性晶格（和一个體磚組建的特殊的密鋪型）。 上早的一个例是用 DX 磚仔做基礎磚仔，逐个磚仔攏包含四个設計好的粘性尾仔，以使 DX 磚會當合做二維平面結構。這是基本上拄性的 DNA 二維晶格。二維組列嘛會當用其他的形製造如霍利迪交叉菱形晶格佮各種以 DX 磚仔為基礎的組列。頂頭兩幅圖面是周期性晶格的例。

二維組列會當表現出非周期性結構，𪜶的組合會當執行運算，展示出 DNA 計算的一个形式。DX 磚仔會當通過選擇帶粘性尾仔的序列充當王氏磚，並執行運算 DX 組列。會當編碼邏輯異或程序的 DX 組列已經予人驗證；這個使 DNA 組列可以實施一个細胞自動機，生成一个無規則分形（謝爾賓斯基三角形結構）。 正爿第三个圖片展現著這个組列的形式。另外一个系統有兩進位計數功能，伊的增加意味就二進位數的增加。

DX 組列已經會當予人做出直徑四堵二十 nm 的中空奈米管，這主要是二維晶格家己捲起來。這是 DNA 奈米管佇形狀大細上佮碳奈米管有淡薄仔相𫝛，但欠缺碳奈米管的電導。DNA 奈米管閣較容易被修改、予人接著其他的結構。構建 DNA 奈米碳管的其中一个方案是用一个 DX 磚晶格，伊家己捲起來。另外一種方法是用單鏈磚仔使圓周被指定佇一个簡單的模塊化的形式，這个管的頭拄仔性是一个新生特性。

用 DNA 創建三維晶格是 DNA 奈米技術上早的目標，但是這足歹實現的。終其尾佇二空空九年，報導稱成功地使用建立在無 sài-sù 限制結構的觀念圖形創建出三維結構並且佇緊張壓縮間達到平衡。

===離散結構===

研究者已經分析一寡佮多面體相關的三維 DNA 合成物，逐个攏佮多面體有聯通性，比如講立方體抑是八面體，這意味對 DNA 雙鏈是多面的哩哩囉逐个頂點攏一个 DNA 節點。早期著 DNA 多面體的驗證工作量真大，需要複雜的結紮佮固相結合的步數來建造連紲的多面體。隨後的工課予多面體的分析變甲真簡單。遮的包括一个用一條長鏈的製造 DNA 八面體，佮一步用四條 DNA 鏈做一个四面體。（見上圖）

任意的奈米結構、無規則的形通常用 DNA 拗紙法製作。遮的結構有一條病毒鏈做為架仔，這予人用計算設計的短鏈訂做目標形狀。這種方法有容易設計的優勢，因為鹼基序列是予支架鹼基序列所預先確定的，並且無需要懸的鏈純度佮精確的化學計量。DNA 拗紙法首先落去都二維形當中，譬如表情符號佮粗略的北美地圖。拄性的三維結構會當通過使用安排做蜂岫狀的 DNA 雙螺旋製造；二維平面會當被拗做中空的三維形，類似一跤箱仔。遮會用得予人編碼為著刺激做出反應，予𪜶做分子籠。

===模板組裝===

核酸分子會當吸收其他的分子如卵白質金屬奈米離子、量仔點（quantum dots）、 富勒烯。這予得構建具有足濟種功能的機械變甲誠易行。用核酸結構的自組來做附加粒子自組的範枋，控制𪜶的位置，而且佇咧一寡情形下定位。誠濟方案使用共價數結合的辦法，用丘胺抑是硫醇為官能團的核酸鏈縛定異質粒仔。這種共價數結合的辦法已經予用來共金奈米粒子和鏈菇親和素分子固定佇咧 DX 磚仔組列上。有一種非共價結合法用 Dervan 聚配胺。碳奈米管用某一个形狀被連接著 DNA 組列上充當分子電子機器—— 碳奈米管場效應電晶體。另外咧，猶閣有核酸金屬化法就用金屬代替核酸呈現上早的核酸結構。—— 用核酸奈米結構成做模具，將形狀轉化做固體型。

==動態 DNA 奈米技術==

動態 DNA 奈米技術重新建造具有動態功能（如計算和機械運動）佮整體結構相關的核酸系統。結構 DNA 奈米技術佮動態 DNA 奈米技術有所重疊。因為結構會當通過退火佮動態重構形成抑是起先動態組合。

===奈米機械裝置===

人已經製造出隨著一寡外界刺激改變造型的 DNA 合成物—— 這是奈米機器人的一種形式。遮的結構頭先攏是用佮構建靜止結構仝款的方式形成的；猶毋過經過設計，就算講佇頭先的形成了會當動態重構。上早按呢的機械利用矣 B-DNA 佮 Z-DNA 間的轉變來對佇轉衝的環境下通過轉運動做出反應。毋過，這靠近的趨水的條件使所有的機械佇仝一个時陣改變狀態。後續的系統會當根據控制鏈的存在改變狀態，予濟款機械會當佇溶液中獨立地運轉。按呢系統的一个例是「分子丑」設計的。伊有駛和閉的形式，佇咧旋轉運動的過程當中對平行交叉構造（paranemic-crossover ( PX )）轉做是雙節構造（double-junction ( JX 二 )）。 另外有一種二維組列會當動態地響應控制連進行擴張抑是收縮。人已經造出會當動態開關，會做得「分子籠」咧拍開的時陣放功能「貨物」。

DNA 行走者（DNA walkers）是一類沿線軌道運動的核酸奈米機器。大量的方案已經予人驗證。其中一个方案是用需人工添加序列的控制鏈控制行走者沿軌跡的移動。另外一个方案是利用限制趨或者是脫氧核解開鏈，使行踏者頭前徙，這種方法的優點是自動運行。後來一種系統會當佇二維平面而毋是一條直線頂運動，並且予證實有選擇性地取佮移動分子貨物的功能。另外咧，一个直線行的人予證實佇咧其他的過程內底會來進行 DNA 合成。

===鏈置換級聯反應===

無論計算抑是結構目的鏈置換級聯反應攏會當使用。單獨的鏈置換反應包括對一寡引發鏈的存在做出反應產生新序列。真濟按呢的反應予人連到級聯頂懸，一个反應新產生的序列會當引起另外一个鏈置換級聯反應。這反過來閣促進化學反應網路的建設，表現出複雜的計算佮信息處理能力。通過新鍵的形成和對分解反應中得著的被，級聯變甲誠積極有利。鏈置換級聯反應允准組合佮計算過程中的等溫操作（這和傳統核酸組合要求熱退火工序倒反）。 𪜶嘛支持催化功能，和一當量的引發劑就會使使反應完成。

鏈置換合成物會當用來製造會當執行複雜運算的分子邏輯。無像用電流做輸入佮輸出的傳統的電子計算機，分子計算機用特定化學物質的濃度做為信號。佇核酸鏈置換電路內底，信號是核酸佮其他鏈的連接佮斷開釋放抑是吸收的核酸。這種方法已經予人用來做佮、抑是、非門。最近，一个四位電路被驗證會當做零仙十五整數平方根的計算（用包含一百三十條 DNA 邏輯）。

鏈置換級聯反應的另外一个作用是製造動態組合結構。這寡用頭毛鋏結構做的反應物件，做輸入的鏈連接時陣，新序列會佇仝一分子頂懸毋是分解。這予新拍開的鋏仔添加到合成物當中。這種方法已經予人用來做簡單的結構如三抑是四支節點佮樹狀物。

==應用==

DNA 奈米技術提供了設計構建複雜結構並精確控制奈米特性的一種方法。這个領域開始應用佇結構生物學佮生物物理學中解決基礎科學的問題。上代先，DNA 奈米技術設想應用佇晶體學研究上：真僫佇隔離狀態下結晶的分子會當徛佇立體核酸晶格當中測定其的結構。另外一種應用是佇卵白質核磁共振波譜學中的殘基偶極予（RDC）實驗內底用 DNA 拗紙棍仔來代替液晶。用 DNA 拗紙術是非常有好處的，因為無成液晶，DNA 拗紙槌仔會當承受使膜卵白懸浮起來的洗盪劑。DNA 行走者（DNA walkers）被用做奈米組合線來移動奈米粒仔，指導化學合成。毋但按呢生，DNA 拗紙結構嘛促進了響功能佮卵白質拗疊方面的研究。

DNA 奈米技術當往潛在的實際應用邁步。核酸組列其他的分子的能力暗示其他的分子電子學上的應用前景。核酸結構會當予人用做電子單位（分子導線 ( molecular wires )）組合的模板，提供對安置進行控制的方法，類似一个電路實驗板。DNA 奈米技術予人比較可程式化材料，因為其材料的被合計算。

DNA 奈米技術佇奈米機械方面嘛有藏佇的應用。比如講利用其實生物相容性的計算製藥，使會當靶向予藥仔（targeted drug delivery）。 一个這馬當咧研究的系統用一个中空的 DNA 盒仔，其中包咧會當引發細胞凋亡抑是死亡的卵白質，干焦倚細胞的時陣，盒仔才會拍開，釋放出卵白質。人對佇細胞中表達人工結構懷著真大的興趣，上有可能使用轉錄 RNA 所進行組裝，就算講猶毋知影遮的結構有效地拗疊抑是聚集佇細胞質中。

==材料佮方法==

DNA 鏈是用分子建模佮熱力學建模軟體計算設計的。核酸用標準的些核酸合成法敆成，通常用寡核核酸合成器自動進行合成，自定義序列的鏈是散賣的。若需要的話，鏈會當通過變性凝膠電泳純化，精確的濃度通用紫外線吸收光譜來定量測定。

完全形成的目標結構通用非變性凝膠電泳檢驗，會得著關於核酸合成物形態大細的信息。電泳搬徙率變動分析會當評估一个結構敢是包括所有的所需要鏈。螢光標記佮螢光共振能量轉移（FRET）有時用一表示合成物結構的特性。

核酸結構會當直接用原子力顯微鏡看著，這真適合延伸的二維結構，但對三維結構無偌大用處，因為顯微鏡尖端會佮脆弱的核酸結構互相作用；所以透射電子顯微鏡佮低溫電子顯微鏡捷用觀察三維結構。延伸的三維晶格用 X 光晶體學分析。

==參見==

* DNA 運算
* DNA 的機械性質

==參考文獻==

==擴展閱讀==

==外部連結==

* International Society for Nanoscale Science , Computation and Engineering
* What is Bionanotechnology ?—a video introduction to DNA nanotechnology

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