什么是结构DNA纳米技术？

　　

DNA不仅仅是生命的密码，它还是制造纳米级构件和设备的通用元件。

DNA的互补碱基对能够优先结合形成双螺旋链，通过合成适当的DNA片断，就可以使它们按计划自行装配成复杂的结构。左图是一个截短了的八面体的棒状模型，它有6个四边形面和8个六边形面，每个边长约20纳米。从每个角上，延伸出一个短的DNA“发夹”。这些“发夹”可以被修饰，以将截短八面体连接在一起，形成规则的三维折叠结构。

2003年是D. Watson 和H. Crick 发现DNA双螺旋结构50周年。这一发现使遗传学问题简化成了化学问题，并奠定了之后半个世纪生命科学的基础。今天，成千上万的研究者正在努力工作，试图破译基因控制生物体发育及机能的秘密。而所有这些基因都记录在DNA这种媒介上。

然而，除了生物化学，这种特殊的分子还有其他用途。通过现代生物技术，我们可以制造出很长的DNA分子，上面排列着根据意愿选择的构建模块序列。这为DNA的应用开辟了广阔的新天地，而不仅限于自然界中生物进化的领域。例如，1994年美国南加州大学的M. Adleman 证明了DNA如何被用作计算设备。而在本文中，我想讨论DNA的另一项非生物学用途：建造纳米级的器械和设备——它们的基本元件和结构只有1到100纳米大小。

这种元件有着许多潜在的应用。DNA制造的规则的栅格能够有序地容纳多个生物大分子，以便用X线晶体成像术测定它们的结构，这是药物推理设计中的一个重要步骤。另外，这种栅格还可以成为搭载纳米级电子元件的平台——作为工作设备或是设备制造过程中的一个步骤。利用DNA制造的分子水平的精密元件还可制造新材料。活动的DNA元件还可用于纳米机械的传感器、开关、镊子以及更精密的机器人。

分枝状DNA

“纳米级”指的是分子水平。通常两个原子之间的化学键大约为0.15纳米（一纳米是一米的十亿分之一）。DNA的双螺旋直径大约两纳米，螺距为3.5纳米左右（约10个碱基对的距离）。碱基对构成了DNA梯子上的“横木”。一小段DNA片断与其他化合物有着非常特殊的相互作用，这种作用依赖于碱基对的排列顺序。人们设想利用这些DNA链来认知特殊的分子，或是作为催化剂控制某种材料的成分。多年来，生物学家一直在利用DNA的认知特性，尤其是遗传工程学中的“粘性末端”的应用。当双螺旋中的一条链比另一条多延伸出几个未配对的碱基时，粘性末端便产生了。通过粘着，突出的部分与另一条有着互补碱基的DNA链相结合。对应关系为：一条链上的腺嘌呤碱基[A]另一条链上的胸腺嘧啶碱基[T]相匹配，胞嘧啶[C]则与鸟嘌呤[G]相匹配。

乍一看，好像DNA并不能生成令人感兴趣的器件。天然的DNA形成一条直链，像一条长绳，以至于每个人都设想由它造出的东西不是直的就是圆的，但是直链不是DNA存在的唯一形式。在细胞内某个过程中，DNA主要以一种分枝状的大分子形式存在。这种分枝结构发生于DNA复制（为细胞分裂作准备）和重组（遗传物质在配对的染色体之间交叉互换，就和精子卵子形成时的情况一样）阶段。

这种分枝结构形成于DNA双螺旋部分解旋成为两条单链时。复制过程中，每条单链沿着它的全长添加相对应的核苷酸，成为新的双螺旋（核苷酸是碱基与双螺旋骨架相应部位的结合点）。更有趣的是重组过程中发生的交叉互换，其间两条DNA断裂并部分解螺旋，四条DNA链接在一起形成有些类似交叉路口的结构。