什么是結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù).docx

什么是結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù)？DNA不僅僅是生命的密碼，它還是制造納米級(jí)構(gòu)件和設(shè)備的通用元件。 DNA的互補(bǔ)堿基對(duì)能夠優(yōu)先結(jié)合形成雙螺旋鏈，通過(guò)合成適當(dāng)?shù)腄NA片斷，就可以使它們按計(jì)劃自行裝配成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。左圖是一個(gè)截短了的八面體的棒狀模型，它有6個(gè)四邊形面和8個(gè)六邊形面，每個(gè)邊長(zhǎng)約20納米。從每個(gè)角上，延伸出一個(gè)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(jié)構(gòu)。 2003年是D. Watson 和H. Crick 發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)50周年。這一發(fā)現(xiàn)使遺傳學(xué)問(wèn)題簡(jiǎn)化成了化學(xué)問(wèn)題，并奠定了之后半個(gè)世紀(jì)生命科學(xué)的基礎(chǔ)。今天，成千上萬(wàn)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(jī)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(xué)，這種特殊的分子還有其他用途。通過(guò)現(xiàn)代生物技術(shù)，我們可以制造出很長(zhǎng)的DNA分子，上面排列著根據(jù)意愿選擇的構(gòu)建模塊序列。這為DNA的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的新天地，而不僅限于自然界中生物進(jìn)化的領(lǐng)域。例如，1994年美國(guó)南加州大學(xué)的M. Adleman 證明了DNA如何被用作計(jì)算設(shè)備。而在本文中，我想討論DNA的另一項(xiàng)非生物學(xué)用途：建造納米級(jí)的器械和設(shè)備它們的基本元件和結(jié)構(gòu)只有1到100納米大小。 這種元件有著許多潛在的應(yīng)用。DNA制造的規(guī)則的柵格能夠有序地容納多個(gè)生物大分子，以便用X線晶體成像術(shù)測(cè)定它們的結(jié)構(gòu)，這是藥物推理設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要步驟。另外，這種柵格還可以成為搭載納米級(jí)電子元件的平臺(tái)作為工作設(shè)備或是設(shè)備制造過(guò)程中的一個(gè)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?dòng)的DNA元件還可用于納米機(jī)械的傳感器、開(kāi)關(guān)、鑷子以及更精密的機(jī)器人。 分枝狀DNA “納米級(jí)”指的是分子水平。通常兩個(gè)原子之間的化學(xué)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(gè)堿基對(duì)的距離）。堿基對(duì)構(gòu)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(duì)的排列順序。人們?cè)O(shè)想利用這些DNA鏈來(lái)認(rèn)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(lái)，生物學(xué)家一直在利用DNA的認(rèn)知特性，尤其是遺傳工程學(xué)中的“粘性末端”的應(yīng)用。當(dāng)雙螺旋中的一條鏈比另一條多延伸出幾個(gè)未配對(duì)的堿基時(shí)，粘性末端便產(chǎn)生了。通過(guò)粘著，突出的部分與另一條有著互補(bǔ)堿基的DNA鏈相結(jié)合。對(duì)應(yīng)關(guān)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(niǎo)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(zhǎng)繩，以至于每個(gè)人都設(shè)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(xì)胞內(nèi)某個(gè)過(guò)程中，DNA主要以一種分枝狀的大分子形式存在。這種分枝結(jié)構(gòu)發(fā)生于DNA復(fù)制（為細(xì)胞分裂作準(zhǔn)備）和重組（遺傳物質(zhì)在配對(duì)的染色體之間交叉互換，就和精子卵子形成時(shí)的情況一樣）階段。 這種分枝結(jié)構(gòu)形成于DNA雙螺旋部分解旋成為兩條單鏈時(shí)。復(fù)制過(guò)程中，每條單鏈沿著它的全長(zhǎng)添加相對(duì)應(yīng)的核苷酸，成為新的雙螺旋（核苷酸是堿基與雙螺旋骨