Nanotehnologia bazată pe ADN este dezvoltarea și producerea de structuri artificiale din acizi nucleici pentru uz tehnologic . În acest domeniu științific, acizii nucleici sunt folosiți nu ca purtători de informații genetice în celulele vii , ci ca material pentru nevoile de inginerie non-biologică a nanomaterialelor .
Tehnologia folosește reguli stricte de împerechere a bazelor pentru acizii nucleici, care permit numai părților catenelor cu secvențe de baze complementare să fie legate între ele pentru a forma o structură puternică și rigidă cu dublu helix . Pe baza acestor reguli, este posibilă proiectarea unei secvențe de baze care se vor asambla selectiv pentru a forma structuri țintă complexe cu forme și proprietăți la scară nanometrică reglate fin. Practic, ADN-ul este folosit pentru a crea materiale , cu toate acestea, au fost construite structuri cu includerea altor acizi nucleici, cum ar fi ARN și acizi peptido-nucleici (PNA), permițând folosirea numelui de „ nanotehnologie pe bază de nucleotide” pentru descrie domeniul tehnologic [1] [ 2] .
Conceptul de bază al nanotehnologiei bazate pe ADN a fost propus pentru prima dată la începutul anilor 1980 de Nadrian Seaman , iar la mijlocul anilor 2000 acest domeniu de cercetare a început să atragă un interes larg răspândit. Cercetătorii care lucrează în noul domeniu emergent al tehnologiei au creat structuri statice, cum ar fi rețele cristaline bi- și tridimensionale , nanotuburi, poliedre și alte forme arbitrare, precum și structuri funcționale, cum ar fi mașini moleculare și calculatoare ADN .
Pentru a asambla aceste structuri sunt utilizate o varietate de metode, inclusiv structurarea cu gresie în care plăcile sunt asamblate din structuri mai mici, structuri pliabile create folosind metoda origami ADN și rearanjarea dinamică a structurilor create folosind metode de mișcare a firelor. Domeniul de cercetare începe să fie folosit ca instrument de rezolvare a problemelor științifice fundamentale în domeniile biologiei structurale și biofizicii , inclusiv probleme aplicate de cristalografie și spectroscopie pentru determinarea structurii proteinelor. De asemenea, sunt în curs de desfășurare cercetări pentru potențiale aplicații în electronica moleculară scalabilă și nanomedicină .
Nanotehnologia este adesea înțeleasă ca studiul materialelor și dispozitivelor ale căror componente sunt mai mici de 100 nm. Nanotehnologia bazată pe ADN, în special, este un exemplu de auto-asamblare de jos în sus a moleculelor, în care componentele moleculare se organizează spontan în structuri stabile; forma specifică a acestor structuri este determinată de proprietățile fizice și chimice ale componentelor selectate de proiectanți [5] . În nanotehnologia bazată pe ADN, blocurile de construcție sunt fire de acizi nucleici, cum ar fi ADN-ul, care sunt bine potrivite pentru construcția de obiecte la scară nanometrică, deoarece dubla helix a acizilor nucleici are un diametru de 2 nm și o lungime de 360 °. viraj de 3,5 nm.
O caracteristică cheie care face ca acizii nucleici să fie mai potriviți pentru construirea structurilor, diferențiandu-i de alte materiale, este că atașarea dintre doi acizi nucleici depinde de reguli simple și bine studiate de împerechere a bazelor , în timp ce formează o structură bine definită, care împreună permite asamblare ușoară a structurilor din acizi nucleici prin proiectarea acizilor nucleici. Această caracteristică este absentă în alte materiale nanotehnologice, inclusiv în proteine , care sunt foarte greu de proiectat, precum și în nanoparticule , care nu au capacitatea de auto-asamblare controlată [6] .
Structura unei molecule de acid nucleic constă dintr-o secvență de nucleotide care diferă prin bazele azotate pe care le conțin . Există patru baze în ADN: adenină (A), citozină (C), guanină (G) și timină (T). Acizii nucleici au proprietatea că moleculele, în timpul formării unei duble helix, se leagă între ele numai dacă două secvențe de baze azotate sunt complementare. Adică înseamnă că formează secvențe de perechi de baze adecvate în care A se atașează doar de T și C se atașează doar de G [6] [7] . Deoarece formarea perechilor de baze potrivite corect este favorabilă din punct de vedere energetic , se așteaptă ca acizii nucleici să se lege unul de celălalt în majoritatea cazurilor într-o conformație care maximizează numărul de baze împerecheate corect. Astfel, secvențele de bază din sistemul de fire permit ca modelul de legare și structura generală a obiectului să fie determinate într-un mod ușor de controlat. În nanotehnologia bazată pe ADN, secvențele de bază ale catenelor sunt determinate de către cercetători astfel încât interacțiunile de împerechere fac ca firele să se asambleze în conformațiile dorite [4] [6] .
Nanotehnologiile bazate pe ADN sunt uneori împărțite în două subdomenii suprapuse: nanotehnologiile structurale bazate pe ADN și nanotehnologiile variabile bazate pe ADN. Nanotehnologiile structurale bazate pe ADN (uneori abreviat SDN ) se concentrează pe sinteza și caracterizarea materialelor nucleice și a complexelor care se adună în stări de [8] [9] .
Structurile construite în cadrul nanotehnologiei bazate pe ADN utilizează structuri ramificate topologic ale acizilor nucleici care conțin compuși. (Spre deosebire de majoritatea ADN-ului biologic, care există ca un dublu helix neramificat). Unul dintre cele mai simple ansambluri ramificate este un nod în patru direcții, care constă din patru catene separate de ADN, ale căror părți sunt complementare într-un anumit model. Spre deosebire de structura naturală a vacanței , fiecare direcție într-un nod artificial fix are o secvență diferită de baze, drept urmare punctele de legătură sunt într-un loc strict definit. Vie multiple pot fi combinate într-un singur ansamblu, de exemplu în dubla încrucișare ( DX ) utilizată pe scară largă, care conține două regiuni paralele cu dublu helix cu fire de regiune care se intersectează în două puncte diferite. Fiecare punct de intersecție este în sine topologic un nod cu patru căi și este limitat într-o singură orientare. Deci, spre deosebire de nodul flexibil cu patru direcții, dubla încrucișare oferă rigiditate, făcându-l un bloc de construcție potrivit pentru creșterea ansamblurilor ADN [6] [4] .
Nanotehnologiile modificabile bazate pe ADN utilizează un mecanism numit „ deplasare caten mediată de suport” pentru a permite rearanjarea ansamblului acizilor nucleici (ca răspuns la adăugarea unui nou acid nucleic) . În această reacție, un fir de intrare se leagă de coloana vertebrală monocatenară a unui ansamblu dublu catenar și apoi înlocuiește una dintre cele legate ale ansamblului original folosind un proces de „migrare a ramurilor”. Ca urmare, una dintre ramurile ansamblului este înlocuită cu alta [8] . În plus, ansamblurile și dispozitivele rearanjabile pot fi create folosind acizi nucleici funcționali, cum ar fi deoxiribozimele și ribozimele , care sunt capabile să producă reacții chimice și aptameri care se pot lega de proteine specifice sau molecule mici [10] .