13、DNA纳米技术在分子机器人中的应用：从基础结构到功能实现

DNA纳米技术在分子机器人中的应用：从基础结构到功能实现

1. DNA纳米晶体：瓷砖与砖块的世界

在纳米技术领域，DNA纳米晶体的研究是一个充满潜力的方向。晶体通常是由原子、分子或胶体粒子等单元周期性排列组成的固体材料，而DNA纳米晶体则是由DNA构成的分子单元的周期性排列。

1.1 DNA瓷砖

DNA瓷砖是DNA纳米晶体的典型代表，它就像是纳米级的拼图碎片。普通拼图通过凸起和凹陷的形状互补来拼接，而DNA瓷砖则依靠单链部分碱基序列的互补性，即粘性末端来实现拼接。

• 自组装过程 ：在溶液中，无数的DNA瓷砖随机碰撞，通过互补粘性末端的杂交，逐渐组装成平面纳米晶体，这个过程被称为自组装。自组装是向热力学稳定状态的转变，即单链DNA碱基间尽可能多地形成氢键。为了减少DNA晶体中的缺陷，通常会对溶液进行退火处理，也就是逐渐冷却。例如，将水温升高到95°C时，最长的DNA双螺旋也会解旋成两条单链；当组成DNA瓷砖的单链DNA分子在反应管中混合，并从95°C退火到室温时，单链DNA先形成DNA瓷砖，然后瓷砖通过粘性末端连接形成二维晶体。
• 结构特点 ：一个DNA瓷砖是由几条单链DNA组成的超分子，具有分支结构，形成四个臂，每个臂的末端都有粘性末端。以DX（双交叉）分子为例，它使用两个反平行的交叉分支作为分支结构。在含有Mg²⁺离子的缓冲溶液中，为了抑制带负电的DNA之间的静电排斥，DNA的交叉分支更倾向于闭合构象。但如果只有一个交叉，螺旋之间的角度无法唯一确定，因为它们可以绕铰链旋转；而通过连续放置两个交叉，两个双螺旋可以固定为平行。此外，还对DX分子中交叉