什么是結構DNA納米技術.docx

什么是結構DNA納米技術？DNA不僅僅是生命的密碼，它還是制造納米級構件和設備的通用元件。 DNA的互補堿基對能夠優(yōu)先結合形成雙螺旋鏈，通過合成適當?shù)腄NA片斷，就可以使它們按計劃自行裝配成復雜的結構。左圖是一個截短了的八面體的棒狀模型，它有6個四邊形面和8個六邊形面，每個邊長約20納米。從每個角上，延伸出一個短的DNA“發(fā)夾”。這些“發(fā)夾”可以被修飾，以將截短八面體連接在一起，形成規(guī)則的三維折疊結構。 2003年是D. Watson 和H. Crick 發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結構50周年。這一發(fā)現(xiàn)使遺傳學問題簡化成了化學問題，并奠定了之后半個世紀生命科學的基礎。今天，成千上萬的研究者正在努力工作，試圖破譯基因控制生物體發(fā)育及機能的秘密。而所有這些基因都記錄在DNA這種媒介上。 然而，除了生物化學，這種特殊的分子還有其他用途。通過現(xiàn)代生物技術，我們可以制造出很長的DNA分子，上面排列著根據(jù)意愿選擇的構建模塊序列。這為DNA的應用開辟了廣闊的新天地，而不僅限于自然界中生物進化的領域。例如，1994年美國南加州大學的M. Adleman 證明了DNA如何被用作計算設備。而在本文中，我想討論DNA的另一項非生物學用途：建造納米級的器械和設備它們的基本元件和結構只有1到100納米大小。 這種元件有著許多潛在的應用。DNA制造的規(guī)則的柵格能夠有序地容納多個生物大分子，以便用X線晶體成像術測定它們的結構，這是藥物推理設計中的一個重要步驟。另外，這種柵格還可以成為搭載納米級電子元件的平臺作為工作設備或是設備制造過程中的一個步驟。利用DNA制造的分子水平的精密元件還可制造新材料?；顒拥腄NA元件還可用于納米機械的傳感器、開關、鑷子以及更精密的機器人。 分枝狀DNA “納米級”指的是分子水平。通常兩個原子之間的化學鍵大約為0.15納米（一納米是一米的十億分之一）。DNA的雙螺旋直徑大約兩納米，螺距為3.5納米左右（約10個堿基對的距離）。堿基對構成了DNA梯子上的“橫木”。一小段DNA片斷與其他化合物有著非常特殊的相互作用，這種作用依賴于堿基對的排列順序。人們設想利用這些DNA鏈來認知特殊的分子，或是作為催化劑控制某種材料的成分。多年來，生物學家一直在利用DNA的認知特性，尤其是遺傳工程學中的“粘性末端”的應用。當雙螺旋中的一條鏈比另一條多延伸出幾個未配對的堿基時，粘性末端便產生了。通過粘著，突出的部分與另一條有著互補堿基的DNA鏈相結合。對應關系為：一條鏈上的腺嘌呤堿基A另一條鏈上的胸腺嘧啶堿基T相匹配，胞嘧啶C則與鳥嘌呤G相匹配。 乍一看，好像DNA并不能生成令人感興趣的器件。天然的DNA形成一條直鏈，像一條長繩，以至于每個人都設想由它造出的東西不是直的就是圓的，但是直鏈不是DNA存在的唯一形式。在細胞內某個過程中，DNA主要以一種分枝狀的大分子形式存在。這種分枝結構發(fā)生于DNA復制（為細胞分裂作準備）和重組（遺傳物質在配對的染色體之間交叉互換，就和精子卵子形成時的情況一樣）階段。 這種分枝結構形成于DNA雙螺旋部分解旋成為兩條單鏈時。復制過程中，每條單鏈沿著它的全長添加相對應的核苷酸，成為新的雙螺旋（核苷酸是堿基與雙螺旋骨