DNAナノテクノロジー

DNAナノテクノロジーは、技術的使用のための人工核酸構造の設計と製造です。この分野では、核酸は生きた細胞内の遺伝情報のキャリアとしてではなく、ナノテクノロジーの非生物工学材料として使用されます。この分野の研究者は、2次元および3次元の結晶格子、ナノチューブ、多面体、任意の形状などの静的構造と、分子マシンやDNAコンピューターなどの機能デバイスを作成しました。この分野は、構造を決定するためのタンパク質のX線結晶構造解析や核磁気共鳴分光法への応用を含む、構造生物学と生物物理学の基礎科学の問題を解決するためのツールとして使用され始めています。分子スケールのエレクトロニクスとナノ医療への潜在的な応用も調査されています。

DNAナノテクノロジーの概念的基礎は、1980年代初頭にナドリアン・シーマンによって初めて提示され、2000年代半ばにこの分野は幅広い関心を集め始めました。核酸のこのような使用は、相補的な塩基配列を持つ鎖の一部のみが結合して強固で剛性の高い二重らせん構造を形成するという、核酸の厳格な塩基対形成ルールによって可能になります。これにより、選択的に組み立てられ、正確に制御された ナノスケールの特徴を持つ複雑なターゲット構造を形成する塩基配列の合理的な設計が可能になります。これらの構造を作るために、より小さな構造から組み立てるタイルベースの構造、DNA折り紙法を使用した折り畳み構造、鎖置換法を使用した動的に再構成可能な構造など、いくつかの組み立て方法が使用されています。この分野の名前は特にDNAを指していますが、同じ原理が他の種類の核酸にも使用されており、核酸ナノテクノロジーという別名が時々使用されています。

DNAナノテクノロジーの概念的基礎は、1980年代初頭にナドリアン・シーマンによって初めて提示された。 ^[2]シーマンの当初の動機は、他の大きな分子を配向させるための3次元DNA格子を作成し、純粋な結晶を得るという困難なプロセスを省いて結晶学的研究を簡素化することだった。このアイデアは、 MCエッシャーの木版画「深さ」とDNAの6本腕接合部の配列との類似性に気付いた1980年後半に思いついたと伝えられている。^{[3] [4]} 当時、DNA複製フォークや可動性ホリデイ接合部など、いくつかの自然な分岐DNA構造が知られていたが、シーマンの洞察は、鎖配列を適切に設計して組み立てられた分子の対称性を排除することで、不動の核酸接合部を作成でき、これらの不動接合部を原理的には剛性の結晶格子に組み合わせることができるというものだった。この方式を提案した最初の理論論文は1982年に発表され、翌年には不動DNA接合の最初の実験的実証が発表された。^{[5] [6]}

1991年、シーマンの研究室はDNAでできた立方体の合成に関する報告書を発表した。これは初の合成三次元核酸ナノ構造であり、シーマンはこれにより1995年のファインマンナノテクノロジー賞を受賞した。その後、DNAの切頂八面体が発表された。すぐに、これらの構造（頂点に柔軟な接合部を持つ多角形の形状）は、拡張された三次元格子を形成するのに十分な剛性がないことが明らかになった。シーマンはより剛性の高い二重交差（DX）構造モチーフを開発し、1998年にエリック・ウィンフリーと共同でDXタイルの二次元格子の作成を発表した。^{[3] [2] [7]} これらのタイルベースの構造には、DNAコンピューティングを実装できるという利点があり、これはウィンフリーとポール・ロセムンドが2004年にシェルピンスキーガスケット構造のアルゴリズム自己組織化に関する論文で実証し、2006年のファインマンナノテクノロジー賞を共同受賞しました。ウィンフリーの重要な洞察は、DXタイルをワンタイルとして使用できること、つまりそのアセンブリでコンピューティングを実行できることでした。^[2] 3次元格子の合成は、彼がそれを実現しようとしてからほぼ30年後の2009年にシーマンによってようやく発表されました。^[8]

2000年代を通じて、設計されたDNA構造の新しい機能が発見され続けました。最初のDNAナノマシン（入力に応じて構造が変化するモチーフ）は、1999年にSeemanによって実証されました。改良されたシステムは、トーホールドを介した鎖置換を利用する最初の核酸デバイスであり、2000年にBernard Yurkeによって実証されました。 ^[9]次の進歩は、これを機械的な動きに変換することであり、2004年と2005年に、Seeman、Niles Pierce、Andrew Turberfield、Chengde MaoのグループによっていくつかのDNAウォーカーシステムが実証されました。^[10] DNAアレイを使用してナノ粒子やタンパク質などの他の分子のアセンブリをテンプレート化するというアイデアは、1987年にBruche RobinsonとSeemanによって最初に提案され、^{[11] 2002}年にSeeman、Kiehlらによって実証され、その後多くのグループによって実証されました。

2006年、ロセムンドは、任意の形状の折り畳まれたDNA構造を簡単かつ堅牢に形成するDNA折り紙法を初めて実証しました。ロセムンドは、この方法を、多数の短い鎖を使用するシーマンのDX格子と、主に1本の非常に長い鎖で構成されるウィリアム・シーのDNA八面体の中間の概念として考えていました。ロセムンドのDNA折り紙には長い鎖が含まれており、その折り畳みは数本の短い鎖によって補助されます。この方法により、これまで可能だったよりもはるかに大きな構造を形成できるようになり、設計と合成の技術的要求も低くなりました。^[7] DNA折り紙は、2006年3月15日のネイチャー誌の表紙を飾りました。 ^[13] 2次元DNA折り紙構造を実証したロセムンドの研究に続いて、ダグラスらが立体的な3次元DNA折り紙を実証しました。 2009年には^[14] 、ヨルゲン・ケムスとヤンの研究室は2次元の面で作られた中空の3次元構造を実証した^{[8] 。}

DNAナノテクノロジーは当初、構造物の構築や計算を行うための材料として核酸を非生物学的に利用するという珍しい方法と、この分野の能力を拡張するが実際の応用にはほど遠い原理実証実験の多さから、懐疑的な見方をされた。DNAキューブの合成に関するシーマンの1991年の論文は、ある査読者がその独創性を称賛した一方で、別の査読者が生物学的関連性の欠如を批判したため、サイエンス^{誌に却下された。 [15]} 2010年代初頭までに、この分野は基礎科学研究への応用が実現し始め、医学やその他の分野での実用化が実現可能と見なされ始めるまでに能力が向上したと考えられていた。^{[8] [16]} この分野は、2001年に非常に少数の活動的な研究室から2010年には少なくとも60に成長し、その結果、その10年間で才能のある人材が増え、この分野での科学的進歩の数が増えた。^[17]

ナノテクノロジーは、100ナノメートル未満のスケールの特徴を備えた材料やデバイスの研究と定義されることが多い。特にDNAナノテクノロジーは、分子成分が自発的に安定した構造に組織化するボトムアップ 分子自己組織化の一例であり、これらの構造の特定の形状は、設計者が選択した成分の物理的および化学的特性によって引き起こされる。^[19] DNAナノテクノロジーでは、構成材料はDNAなどの核酸の鎖であり、これらの鎖は合成であることが多く、ほとんどの場合、生細胞のコンテキスト外で使用されている。DNAは、2本の核酸鎖間の結合がよく理解されている単純な塩基対形成ルールに依存し、核酸二重らせんの特定のナノスケール構造を形成するため、ナノスケールの構築に適している。これらの特性により、核酸設計を通じて核酸構造の組み立てを容易に制御できる。この特性は、タンパク質設計が非常に難しいタンパク質や、それ自体で特定の組み立てを行う能力を欠くナノ粒子など、ナノテクノロジーで使用される他の材料には存在しません。 ^[5]

核酸分子の構造は、含まれる核酸塩基によって区別されるヌクレオチドの配列で構成されています。DNAには、アデニン(A)、シトシン(C)、グアニン(G)、チミン(T) の4つの塩基があります。核酸には、2つの配列が相補的である場合にのみ2つの分子が結合して二重らせんを形成するという特性があります。相補的とは、AがTにのみ結合し、CがGにのみ結合する、一致する塩基対の配列を形成することを意味します。^{[5] [20]} 正しく一致する塩基対の形成はエネルギー的に好ましいため、ほとんどの場合、核酸鎖は正しく対になった塩基の数を最大化する立体配座で互いに結合すると予想されます。したがって、鎖システム内の塩基の配列は、結合のパターンと全体の構造を、簡単に制御できる方法で決定します。 DNAナノテクノロジーでは、研究者が鎖の塩基配列を合理的に設計し、塩基対形成相互作用によって鎖が望ましい構造に組み立てられるようにします。^{[3] [5]} DNAが主な材料として使用されています が、 RNAやペプチド核酸（PNA）などの他の核酸を組み込んだ構造も構築されています。^{[21] [22]}

DNAナノテクノロジーは、構造DNAナノテクノロジーと動的DNAナノテクノロジーという2つの重複するサブフィールドに分けられることがあります。構造DNAナノテクノロジーは、SDNと略されることもあり、静的で平衡な最終状態に組み立てられる核酸複合体と材料の合成と特性評価に焦点を当てています。一方、動的DNAナノテクノロジーは、化学的または物理的刺激に基づいて再構成する能力など、有用な非平衡挙動を持つ複合体に焦点を当てています。核酸ナノメカニカルデバイスなどの一部の複合体は、構造サブフィールドと動的サブフィールドの両方の特徴を兼ね備えています。^{[23] [24]}

構造 DNA ナノテクノロジーで構築される複合体は、ジャンクションを含む位相的に分岐した核酸構造を使用します。(対照的に、ほとんどの生物学的 DNA は、分岐していない二重らせんとして存在します。) 最も単純な分岐構造の 1 つは、4 本の個別の DNA 鎖で構成される 4 アーム ジャンクションです。これらの鎖の一部は、特定のパターンで相補的です。天然のホリデイ ジャンクションとは異なり、人工の固定された 4 アーム ジャンクションの各アームは異なる塩基配列を持ち、ジャンクション ポイントは特定の位置に固定されます。同じ複合体内で複数のジャンクションを組み合わせることができます。たとえば、広く使用されている二重交差 (DX)構造モチーフでは、2 つの平行な二重らせんドメインが含まれ、個々の鎖が 2 つの交差点でドメイン間を交差します。各交差点は、位相的には 4 アーム ジャンクションですが、柔軟な単一の 4 アーム ジャンクションとは対照的に、1 つの方向に制限されており、DX モチーフをより大きな DNA 複合体の構造構成要素として適した剛性を提供します。^{[3] [5]}

動的DNAナノテクノロジーは、足場媒介鎖置換と呼ばれるメカニズムを使用して、核酸複合体が新しい核酸鎖の追加に応じて再構成できるようにします。この反応では、入ってくる鎖が二本鎖複合体の一本鎖足場領域に結合し、分岐移動プロセスを通じて元の複合体に結合した鎖の1つを置き換えます。全体的な効果は、複合体内の鎖の1つが別の鎖に置き換えられることです。^[23]さらに、再構成可能な構造とデバイスは、化学反応を実行できるデオキシリボザイムやリボザイム などの機能性核酸、および特定のタンパク質または小分子に結合できるアプタマーを使用して作成できます。^[25]

構造DNAナノテクノロジーは、SDNと略されることもあり、静的な平衡エンドポイントを持つ核酸複合体および材料の合成と特性評価に重点を置いています。核酸二重らせんは堅牢で明確な3次元形状を持ち、より複雑な核酸複合体の構造をシミュレートし、^[26]予測し、設計することができます。2次元および3次元構造、周期的、非周期的、離散的構造など、多くの構造が作成されています。^[24]

小さな核酸複合体に粘着末端を装備し、個々の分子タイルの特定のモザイク模様を含むより大きな2次元周期格子に結合することができる。 ^[24] この最も初期の例では、ダブルクロスオーバー（DX）複合体を基本タイルとして使用し、各タイルには4つの粘着末端が含まれており、DXユニットが周期的な2次元平面シートに結合する配列が設計されており、これは本質的にはDNAの剛性2次元結晶である。^{[30] [31] 2次元アレイは、}ホリデイジャンクション 菱形格子^[32]や、二重凝集スキームを使用するさまざまなDXベースのアレイ など、他のモチーフからも作成されています。 ^{[33] [34]} 右の上の2つの画像は、タイルベースの周期格子の例を示しています。

2次元アレイは、特定のアルゴリズムを実装する非周期構造を示すように作成することができ、DNAコンピューティングの1つの形式を示しています。^{[17] DXタイルは、} Wangタイルとして機能するように粘着末端配列を選択できるため、計算を実行できます。アセンブリがXOR演算をエンコードするDXアレイが実証されており、これによりDNAアレイは、シェルピンスキーガスケットと呼ばれるフラクタルを生成するセルオートマトンを実装できます。右の3番目の画像は、このタイプのアレイを示しています。^{[29]別のシステムにはバイナリ}カウンターの機能があり、大きくなるにつれて増加する2進数の表現を表示します。これらの結果は、計算をDNAアレイのアセンブリに組み込むことができることを示しています。^[35]

DXアレイは、直径4～20 nmの中空ナノチューブを形成するように作られており 、基本的には2次元の格子がそれ自体に反り返っている。 ^[36]これらのDNAナノチューブは、サイズと形状がカーボンナノチューブに多少似ており、カーボンナノチューブのような導電性はないものの、DNAナノチューブはより簡単に改変したり他の構造に接続したりできる。DNAナノチューブを構築するための多くのスキームの1つは、湾曲したDXタイルの格子を使用し、それがそれ自体に巻き付いてチューブに閉じる。^[37]一本鎖タイルを使用して円周を単純かつモジュール式に指定できる代替方法では、チューブの剛性が創発的な特性である。^[38]

DNAの3次元格子を形成することはDNAナノテクノロジーの最も初期の目標であったが、これは実現するのが最も困難なものの1つであることが判明した。張力と圧縮力のバランスであるテンセグリティの概念に基づくモチーフを使用した成功は、2009年にようやく報告された。 ^{[17] [39]}

研究者らは、立方体や八面体などの多面体の連結性を持つ多くの三次元DNA複合体を合成してきた。つまり、DNA二重鎖は、各頂点にDNA接合部を持つ多面体の辺をなぞる。 ^[6] DNA多面体の最も初期の実証は非常に手間がかかり、連結多面体を作るには複数のライゲーションと固相合成のステップが必要だった。^[40]その後の研究で、合成がはるかに容易な多面体が生み出された。これらには、正しい立体構造に折り畳まれるように設計された長い一本鎖から作られたDNA八面体^[41]や、この記事の冒頭に描かれているように、4本のDNA鎖から1つのステップで作ることができる四面体などがある。^[1]

任意で不規則な形状のナノ構造は、通常、DNA折り紙法を使用して作られる。これらの構造は、長い天然ウイルス鎖を「足場」として構成され、計算により設計された短い「ステープル」鎖によって目的の形状に折り畳まれる。この方法の利点は、塩基配列が足場鎖配列によって事前に決定されているため設計が容易であり、他のほとんどのDNAナノテクノロジー方法のように高い鎖純度と正確な化学量論を必要としないことである。DNA折り紙は、スマイリーフェイス、西半球の大まかな地図、モナリザの絵画などの2次元形状で最初に実証された。 ^{[6] [13] [42]}ハニカムパターンに配置された平行DNAヘリックスを使用することで、固体の3次元構造を作成でき、^[14] 2次元の面を持つ構造を、段ボール箱に似た中空の全体的な3次元形状に折り畳むことができる。これらは刺激に応じて分子貨物を開いて露出させたり放出したりするようにプログラムできるため、プログラム可能な分子ケージとして潜在的に有用である。^{[43] [44]}

核酸構造は、タンパク質、金属ナノ粒子、量子ドット、アミン^[45]、フラーレンなどの核酸以外の分子（ヘテロ元素と呼ばれることもある）を組み込むように作成できます。これにより、核酸単独では不可能なほど幅広い機能を備えた材料やデバイスを構築できます。目標は、核酸構造の自己組織化を利用して、その上にホストされるナノ粒子のアセンブリをテンプレート化し、その位置と場合によっては方向を制御することです。^{[6] [46]これらのスキームの多くは、}アミドまたはチオール官能基 を持つオリゴヌクレオチドをヘテロ元素に結合するための化学的ハンドルとして使用する共有結合スキームを使用します。この共有結合スキームは、DXベースのアレイ上に金ナノ粒子を配置するために使用されており、 ^{[47] DXアレイ上で}ストレプトアビジンタンパク質分子を特定のパターンに 配置するために使用されています。^[48] DXアレイ上でDervanポリアミド を使用する非共有結合ホスティング方式は、 DXアレイ上でストレプトアビジンタンパク質を特定のパターンに配置するために使用されました。 ^{[49]カーボンナノチューブは、}分子電子デバイス、カーボンナノチューブ電界効果トランジスタとして機能するようにパターン化されたDNAアレイ上にホストされています。^[50] さらに、核酸を元の核酸構造の一般的な形状をとる金属に置き換える核酸メタライゼーション法、^[51]および核酸ナノ構造をリソグラフィーマスクとして使用して、そのパターンを固体表面に転写する方式があります。^[52]

動的DNAナノテクノロジーは、計算や機械的運動など、全体的な構造に関連する設計された動的機能を備えた核酸システムを形成することに重点を置いています。構造DNAナノテクノロジーと動的DNAナノテクノロジーには重複する部分があり、構造はアニーリングによって形成され、その後動的に再構成されるか、または最初から動的に形成されるようにすることができます。^{[6] [10]}

何らかの刺激によって構造が変化するDNA複合体が作られており、ナノロボティクスの一種となっている。これらの構造は、最初は構造DNAナノテクノロジーで作られる静的構造と同じ方法で形成されるが、最初の組み立て後に動的な再構成が可能になるよう設計されている。^{[23] [10]} 最も初期のそのようなデバイスは、B-DNA形態とZ-DNA形態の間の遷移を利用して、ねじれ運動を起こすことで緩衝条件の変化に反応した。 ^[53] この緩衝条件への依存により、すべてのデバイスが同時に状態を変化させた。その後のシステムは、制御鎖の存在に基づいて状態を変化させることができ、複数のデバイスを溶液中で独立して操作できるようになった。このようなシステムの例としては、開いた状態と閉じた状態を持つ「分子ピンセット」設計、^[54]パラネミッククロスオーバー（PX）構造からDNAバックボーンの2つの非接合並置を伴う（JX2）構造に切り替え、その過程で回転運動を起こすデバイス、^[55]および制御鎖に応じて動的に拡張および収縮できる2次元アレイなどがあります。^[56] 動的に開閉する構造も作られており、開くと機能的な積荷を放出または露出させる分子ケージとして機能する可能性があります。^{[43] [57] [58]}別の例では、DNA折り紙ナノ構造がT7 RNAポリメラーゼに結合され、化学エネルギー駆動モーターとして動作し、受動フォロワーに結合されてそれを駆動することができます。^[59]

DNAウォーカーは、直線軌道に沿って方向性のある動きをする核酸ナノマシンの一種です。多数の方式が実証されています。^[10] 1つの戦略は、手動で順番に追加する必要がある制御ストランドを使用して、トラックに沿ったウォーカーの動きを制御することです。^{[60] [61]}異なる波長の光を照射することで、DNAウォーカーの個々のステップを制御することもできます。^{[62]別のアプローチは、}制限酵素またはデオキシリボザイムを使用してストランドを切断し、ウォーカーを前進させることです。これには、自律的に実行できるという利点があります。^{[63] [64]}後のシステムは、直線軌道ではなく2次元表面上を歩行でき、分子貨物を選択的に拾い上げて移動する能力を実証しました。^[65] 2018年には、接続されたT7 RNAポリメラーゼによるローリングサークル転写を使用する連鎖DNAが、生成されたRNAストランドに導かれてDNAパスに沿って歩行することが示されました。^[66]さらに、直線型ウォーカーがトラックに沿って前進しながらDNAテンプレート合成を実行し、ウォーカーの指示に従って自律的に多段階の化学合成を行うという実証が行われた。 ^[67]合成DNAウォーカーの機能は、タンパク質ダイニンやキネシンの機能に似ている。^[68]

鎖置換反応のカスケードは、計算目的または構造目的のいずれかに使用できます。個々の鎖置換反応では、開始鎖の存在に応じて新しい配列が明らかになります。このような反応の多くは、 1 つの反応で新た​​に明らかになった出力配列が別の場所で別の鎖置換反応を開始できるカスケードにリンクできます。これにより、多くのコンポーネントを含む化学反応ネットワークを構築でき、複雑な計算および情報処理能力を発揮できます。これらのカスケードは、新しい塩基対の形成と分解反応によるエントロピーの増加によってエネルギー的に有利になります。鎖置換カスケードでは、従来の核酸アセンブリでは熱アニーリング ステップが必要でしたが、これとは対照的に、アセンブリまたは計算プロセスの等温操作が可能になります。このステップでは、温度を上げてゆっくりと下げ、目的の構造が適切に形成されるようにします。また、開始種の触媒機能をサポートし、開始剤の当量未満で反応を完了させることができます。^{[23] [69]}

鎖置換複合体は、複雑な計算が可能な分子論理ゲートを作成するために使用できます。 ^[70]電流を入力と出力として 使用する従来の電子コンピュータとは異なり、分子コンピュータは特定の化学種の濃度を信号として使用します。核酸鎖置換回路の場合、信号は、置換複合体内の他の鎖への結合および解離イベントによって放出または消費される核酸鎖の存在です。このアプローチは、AND、OR、NOTゲートなどの論理ゲートを作成するために使用されています。 ^{[71]最近では、130本のDNA鎖を含むゲートシステムを使用して、整数0〜15の}平方根 を計算できる4ビット回路が実証されました。^[72]

鎖置換カスケードのもう一つの用途は、動的に組み立てられた構造を作ることである。これらは反応物にヘアピン構造を使用するので、入力鎖が結合すると、新たに現れた配列は分解されるのではなく同じ分子上にある。これにより、新しく開いたヘアピンを成長中の複合体に追加することができる。このアプローチは、3本腕や4本の腕のジャンクションやデンドリマーなどの単純な構造を作るために使われてきた。^[69]

DNAナノテクノロジーは、ナノスケールの特徴を正確に制御して設計された複雑な構造を形成する数少ない方法の1つを提供します。この分野では、構造生物学と生物物理学の基礎科学の問題を解決するために応用され始めています。この分野で想定されている最も初期の応用は結晶学であり、現在も開発中です。結晶学では、単独では結晶化が難しい分子を3次元の核酸格子内に配置し、その構造を決定できます。もう1つの応用は、タンパク質NMR分光法の残留双極子結合実験で液晶の代わりにDNA折り紙ロッドを使用することです。DNA折り紙を使用すると、液晶とは異なり、膜タンパク質を溶液に懸濁するために必要な洗剤に耐性があるため有利です。DNAウォーカーは、ナノ粒子を移動して化学合成を指示するためのナノスケールのアセンブリラインとして使用されています。さらに、DNA折り紙構造は、酵素機能とタンパク質の折り畳みに関する生物物理学的研究に役立っています。^{[24] [8]}

DNAナノテクノロジーは、現実世界での応用の可能性に向かっている。核酸アレイが他の分子を配置する能力は、分子スケールのエレクトロニクスにおける潜在的な応用を示している。核酸構造の組み立ては、分子ワイヤなどの分子電子素子の組み立てのテンプレートとして使用でき、分子ブレッドボードに類似したデバイスの配置と全体的な構造をナノメートルスケールで制御する方法を提供する。^{[24] [6]} DNAナノテクノロジーは、計算とその材料特性との結合から、プログラム可能な物質 の概念と比較されてきた。 ^[73]

オーフス大学のiNANOおよび CDNA センターの科学者グループが実施した研究では、研究者らは小型のマルチスイッチ可能な 3D DNA ボックス折り紙を構築することに成功した。提案されたナノ粒子は、原子間力顕微鏡(AFM)、透過型電子顕微鏡(TEM)、フェルスター共鳴エネルギー移動(FRET) によって特徴付けられた。構築されたボックスには、独自の再閉鎖メカニズムがあり、独自の DNA または RNA キーのセットに応じて繰り返し開閉できることが示された。著者らは、この「DNA デバイスは、単一分子の機能の制御、制御された薬物送達、分子コンピューティングなど、幅広い用途に使用できる可能性がある」と提案した。^[74]

DNAナノテクノロジーはナノ医療に応用できる可能性があり、生体適合性のある形式で計算を実行できる能力を利用して、標的薬物送達や診断用途のための「スマートドラッグ」を製造することができる。現在研究されているそのようなシステムの1つは、アポトーシス（細胞死）を誘発するタンパク質を含む中空のDNAボックスを使用し、がん細胞に近づいたときにのみ開く。^{[8] [75]} さらに、これらの人工構造を人工の生きた細菌細胞で発現させることにも関心が寄せられており、おそらく転写されたRNAを使用して組み立てられると思われるが、これらの複雑な構造が細胞の細胞質内で効率的に折りたたまれたり組み立てられたりできるかどうかは不明である。成功すれば、核酸ナノ構造の指向性進化が可能になる可能性がある。 ^[6]オックスフォード大学 の科学者は、4本の短い合成DNA鎖が細胞内に侵入して少なくとも48時間生存できるケージに自己集合することを報告した。蛍光標識されたDNA四面体は、実験室で培養されたヒト腎臓細胞内で、2日後に細胞酵素による攻撃を受けたにもかかわらず、そのまま残っていることがわかった。この実験は、DNA「ケージ」を使用した生きた細胞内への薬物送達の可能性を示した。 ^{[76] [77]} MITの研究チームは、 DNA四面体を使用してマウスモデルでRNA干渉（RNAi）を送達したと報告した。治療のための干渉RNAの送達は、ポリマーまたは脂質を使用してある程度の成功を収めているが、安全性の限界と不正確な標的化があり、血流中での保存期間が短い。チームが作成したDNAナノ構造は、四面体を形成する6本のDNA鎖で構成され、6つの辺のそれぞれに1本のRNA鎖が固定されている。四面体にはさらに標的タンパク質と3つの葉酸分子が装備されており、これがDNAナノ粒子を一部の腫瘍に豊富に存在する葉酸受容体に導く。その結果、RNAiの標的であるルシフェラーゼ遺伝子の発現が半分以上減少したことがわかった。この研究は、DNAナノテクノロジーを、新興のRNA干渉技術を用いた治療を行うための効果的なツールとして使用することに期待が持てることを示しています。^{[78] [79] DNA四面体は、}多剤耐性現象を克服するための取り組みにも使用されました。ドキソルビシン(DOX) をテトラヘドロンに結合させ、P 糖タンパク質薬剤排出ポンプを含む MCF-7 乳がん細胞にロードしました。実験の結果、DOX は排出されておらず、がん細胞のアポトーシスが達成されたことが示されました。DOX を含まないテトラヘドロンを細胞にロードして生体適合性をテストしたところ、構造自体は細胞毒性を示さなかった。^[80] DNA テトラヘドロンはまた、診断目的で細胞内のタンパク質の細胞内発現と分布をプロファイリングするためのバーコードとして使用されました。テトラヘドロンナノ構造は、より高い標識効率と安定性により、信号が強化されました。^[81]

ナノ医療における DNA ナノテクノロジーの応用では、設計された DNA ナノ構造で天然の膜タンパク質の構造と機能を模倣することにも重点が置かれています。2012 年に Langeckerら^{[82] は}、疎水性コレステロール修飾を介して脂質膜に自己挿入し、膜を横切るイオン電流を誘導できる、細孔形状の DNA 折り紙構造を発表しました。この合成 DNA イオン チャネルの最初の実証に続いて、単一の DNA 二重鎖 [83] から小さなタイルベースの構造 [84] [85] [86] [87] [88]、大きな DNA 折り紙膜貫通ポリン [89] に至るまで、さまざまな細孔誘導設計が続きまし^た。^{天然のタンパク質イオンチャネル}と同様^に、この合成DNA 製の対応物の集合体は、伝導性が数桁にわたります。膜挿入型単一DNA二重鎖の研究では、イオンが脂質二重層を通過できる中央チャネル腔が設計上存在しないため、電流はDNA-脂質界面にも流れているはずであることが示された。これは、脂質ヘッドグループがDNAの膜挿入部分に面するように再配向するため、DNA誘導脂質細孔は円筒形ではなくトロイダル形状をしていることを示唆している。 ^{[83]その後、}ケンブリッジ大学とイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究者らは、このようなDNA誘導トロイダル細孔が脂質二重層の小葉間の急速な脂質の反転を促進できることを実証した。この効果を利用して、研究者らはスクランブラーゼと呼ばれる天然に存在するタンパク質よりも桁違いに速く生体膜内の脂質を反転させる合成DNA構築酵素を設計した。^{[90]この開発は、合成DNAナノ構造が}パーソナライズされた医薬品や治療薬になる可能性を浮き彫りにしている。

DNAナノ構造は、個々の核酸鎖が望ましい構造に組み立てられるように合理的に設計されなければならない。このプロセスは通常、望ましいターゲット構造または機能の指定から始まります。次に、ターゲット複合体の全体的な二次構造が決定され、構造内の核酸鎖の配置と、それらの鎖のどの部分が互いに結合する必要があるかが指定されます。最後のステップは一次構造設計であり、これは各核酸鎖の実際の塩基配列の指定です。^{[36] [91]}

核酸ナノ構造を設計する最初のステップは、特定の構造を核酸鎖の特定の配置でどのように表現するかを決定することです。この設計ステップでは、二次構造、つまり個々の鎖を望ましい形状にまとめる塩基対の位置を決定します。^[36] いくつかのアプローチが実証されています。

• タイルベースの構造。このアプローチでは、ターゲット構造を、各ユニットに含まれるストランド間の強い結合と、ユニット間の弱い相互作用を持つ小さなユニットに分割します。これは周期的な格子を作成するためによく使用されますが、アルゴリズムによる自己組織化を実装するためにも使用でき、DNAコンピューティングのプラットフォームになります。これは、DNA折り紙方法論が開発された1990年代半ばから2000年代半ばまで使用された主要な設計戦略でした。^{[36] [92]}
• 折り畳み構造。タイルベースのアプローチの代替として、折り畳みアプローチでは、1本の長い鎖からナノ構造を作成します。この鎖は、相互作用により折り畳まれるように設計された配列を持つか、より短い「ステープル」鎖を使用して目的の形状に折り畳むことができます。この後者の方法はDNA折り紙と呼ばれ、ナノスケールの2次元および3次元の形状を形成できます（上記の離散構造を参照）。^{[6] [13]}
• 動的アセンブリ。このアプローチは、DNAの自己組織化の速度を直接制御し、最終生成物に加えて反応機構の中間ステップをすべて指定します。これは、ヘアピン構造をとる出発物質を使用して行われます。これらは、特定の順序でカスケード反応で最終的な構造に組み立てられます（以下の鎖置換カスケードを参照）。このアプローチには、一定温度で等温に進行するという利点があります。これは、アセンブリをトリガーして目的の構造を適切に形成するために温度変化が必要となる熱アニーリングステップを必要とする熱力学的アプローチとは対照的です。 ^{[6] [69]}

上記のいずれかのアプローチを使用して標的複合体の二次構造を設計した後、目的の構造を形成するヌクレオチドの実際の配列を考案する必要があります。核酸設計とは、構造を構成する各鎖に特定の核酸塩基配列を割り当て、それらが目的の立体配座に結合できるようにするプロセスです。ほとんどの方法は、標的構造のエネルギーが最も低く、したがって熱力学的に最も有利になるように配列を設計することを目標としています。一方、不適切に組み立てられた構造はエネルギーが高く、したがって不利になります。これは、配列対称性の最小化などの単純で高速なヒューリスティックな方法、またはより正確ですが、より遅く、より多くの計算を必要とする完全な最近傍熱力学モデルを使用して行われます。幾何学モデルは、ナノ構造の三次構造を調べ、複合体が過度に歪んでいないことを確認するために使用されます。^{[91] [93]}

核酸設計はタンパク質設計と同様の目標を持っています。どちらも、モノマーの配列は、目的のターゲット構造に有利に働き、他の構造に不利に働くように設計されます。核酸設計は、構造のエネルギー的有利性を予測するには単純な塩基対形成ルールで十分であり、構造の全体的な三次元フォールディングに関する詳細な情報は必要ないため、タンパク質設計よりも計算がはるかに簡単であるという利点があります。これにより、実験的に堅牢な設計を生み出す単純なヒューリスティック手法を使用できます。核酸構造は、タンパク質よりも機能面で汎用性が低く、これは、タンパク質は複雑な構造にフォールディングする能力が高く、20種類のタンパク質構成アミノ酸と比較して4種類のヌクレオチドの化学的多様性が限られているためです。^[93]

標的構造を構成するDNA鎖の配列は、分子モデリングおよび熱力学モデリングソフトウェアを使用して計算的に設計されます。^{[91] [93]}次に、核酸自体は、通常オリゴヌクレオチド合成装置で自動化された標準的なオリゴヌクレオチド合成方法を使用して合成され、カスタム配列の鎖は市販されています。^{[94]鎖は、必要に応じて}変性ゲル電気泳動 によって精製することができ、^{[95] 、}紫外線吸光分光法を使用したいくつかの核酸定量法のいずれかによって正確な濃度を決定することができます。^[96]

完全に形成された標的構造は、核酸複合体のサイズと形状の情報を与えるネイティブゲル電気泳動を使用して検証できます。電気泳動移動度シフトアッセイは、構造にすべての必要な鎖が組み込まれているかどうかを評価できます。^[97] 蛍光標識とフェルスター共鳴エネルギー移動（FRET）は、複合体の構造を特徴付けるために使用されることがあります。^[98]

核酸の構造は原子間力顕微鏡で直接観察することができるが、これは拡張された2次元構造には適しているが、顕微鏡の先端が壊れやすい核酸構造と相互作用するため、離散的な3次元構造にはあまり適していない。この場合、透過型電子顕微鏡やクライオ電子顕微鏡がよく使用される。拡張された3次元格子は、X線結晶構造解析によって分析される。^{[99] [100]}

• 国際ナノスケール科学・計算・工学協会
• 核酸シミュレーションソフトウェアの比較
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