Χημικές προσεγγίσεις στη Νανοτεχνολογία του DNA

Abstract

Τις δύο τελευταίες δεκαετίες έχει παρατηρηθεί εκθετική ανάπτυξη του DNA ως υλικό γενικής χρήσης αντί ως γενετικό μόνο υλικό. Η βιολογική του λειτουργία, η γεωμετρία του στη νανοκλίμακα, η βιοσυμβατότητά του, η βιοαποδομησιμότητά του και η ικανότητα μοριακής αναγνώρισής του, καθιστούν το DNA έναν πολλά υποσχόμενο υποψήφιο για την κατασκευή καινοτόμων λειτουργικών νανοϋλικών. Το επιστημονικό πεδίο που ασχολείται με την κατασκευή DNA νανοδομών ονομάζεται «νανοτεχνολογία του DNA» και χωρίζεται σε δύο είδη: τη μεγάλης ακρίβειας δομική νανοτεχνολογία του DNA, στην οποία το DNA χρησιμοποιείται και ως δομικό στοιχείο και ως εκμαγείο και στη μικρής ακρίβειας συνθετική νανοτεχνολογία του DNA, στην οποία το DNA χρησιμοποιείται ως «έξυπνη κόλλα». Στη συνθετική νανοτεχνολογία του DNA, το DNA δεν χρησιμοποιείται ως ένα δομικό στοιχείο ακριβείας, επομένως, αξιοσημείωτες είναι οι εφαρμογές του τομέα της δομικής νανοτεχνολογίας του DNA και αυτός είναι και ο τομέας που αναλύεται διεξοδικότερα στην παρούσα εργασία. Η ραγδαία ανάπτυξη του τομέα αυτού οφείλεται στη δημιουργία σταθερών διακλαδούμενων μορίων DNA και στη συνένωση κολλωδών άκρων. Τα πρώτα αντικείμενα που κατασκευάστηκαν ήταν τοπολογικοί στόχοι, όπως δακτύλιοι Borromean, ένας κύβος και ένα κόλουρο οκτάεδρο. Ακολούθησε η κατασκευή εκπληκτικών νανοδομών, συμπεριλαμβανομένων πλεγμάτων, νανοσωλήνων, DNA οριγκάμι, δισδιάστατων δομών, περιοδικών συστοιχιών, μέχρι και τρισδιάστατων αντικειμένων. Πολλές είναι οι DNA νανοδομές που έχουν χρησιμοποιηθεί ως εκμαγεία και οδηγοί για να κατευθύνουν τη συναρμολόγηση άλλων νανοϋλικών, όπως νανοσυρμάτων και κρυστάλλων. Επιπροσθέτως, οι DNA κατασκευές έχουν βρει εφαρμογή και σε πολλούς τομείς στο βιοϊατρικό πεδίο, όπως, για παράδειγμα, στη διαγνωστική ιατρική. Εκτός, όμως, από τις στατικές κατασκευές, έχουν παραχθεί και DNA νανομηχανικές συσκευές, από τις οποίες η πιο πρόσφατη είναι ένα νανορομπότ που περπατάει. Επιπλέον, μόρια DNA έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για τη διεξαγωγή υπολογισμών (DNA-based computation). Αναμένεται ότι η νανοτεχνολογία του DNA θα είναι η επιστήμη του μέλλοντος.

The last two decades have witnessed the exponential development of DNA as a generic material instead of just a genetic material. The biological function, nanoscale geometry, biocompatibility, biodegradability, and molecular recognition capacity of DNA make it a promising candidate for the construction of novel functional nanomaterials. The scientific field that entails the construction of DNA nanostructures is called “DNA nanotechnology” and is divided into two categories: high resolution/structural DNA nanotechnology, where DNA is both the bricks and mortar of an assembly and low resolution/compositional DNA nanotechnology that uses DNA as “smart glue”. Compositional DNA nanotechnology doesn’t use DNA as a precise building block, thus, the applications that are remarkable belong to the field of structural DNA nanotechnology and this is the field which is more thoroughly described in this paper. The great development of this field is due to the combination of synthetic stable branched DNA and sticky-ended cohesion. The first objects that were produced were topological targets, such as Borromean rings, a cube and a truncated octahedron. These were followed by extraordinary nanostructures, including lattices, nanotubes, DNA origami, two-dimensional (2D) structures, periodic arrays and even three-dimensional (3D) objects. Many DNA nanostructures have been used as a template and guide to direct the assembly of other nanomaterials, including nanowires and crystals. Furthermore, these DNA materials have found applications in various areas in the biomedical field, such as medical diagnostics. In addition to the static objects, though, DNA nanomechanical devices have been produced, the most recent of which is a nano-robot that walks. Moreover, DNA molecules have been successfully used in DNA-based computation. It appears that DNA nanotechnology will be the science of the future.