יכולות חדשות של מבני DNA המשיכו להתגלות לאורך שנות ה-2000. ה[[:en:DNA machine|ננו-מכונת DNA]] הראשונה, מוטיב שמשנה את המבנה שלו בתגובה לקלט, הוצגה בשנת 1999 על ידי סימן. מערכת משופרת, שהייתה המכשיר הראשון של חומצות גרעין שעשה שימוש ב"מאחז מתווך של עקירת גדיל", הוצג על ידי ברנרד יורק בשנה שלאחר מכן. ההתקדמות הבאה הייתה ליישם את זה לתנועה מכנית, וב-2004 ו-2005, מספר מערכות DNA נעות הודגמו על ידי קבוצות של סימן, [[:en:Niles Pierce|נילס פירס]], [[:en:Andrew Turberfield|אנדרו טורברפילד]] וצ'נגדה מאו. הרעיון של שימוש מערכי DNA לתבנית ההרכבה של מולקולות אחרות כמו ננו-חלקיקים וחלבונים, הוצע לראשונה בשנת 1987 על ידי ברוק רובינסון וסימן, והוצג ב-2006 ו-2007 על ידי הקבוצות של האו יאן, [[:en:Peter Dervan|פטר דרוון]], ו[[:en:Thomas LaBean|תומאס לבין]].
בשנת 2006 רותמונד הציג, לראשונה, את טכניקת ה-[[DNA אוריגמי]] בשביל ליצור בקלות ובאופן יציב מבני DNA מקופלים באופן שרירותי. רותמונד הציע ששיטה זו תהיה שיטת ביניים בין סריגי ה-DX של סימן, שהשתמשה בגדילים קצרים רבים, וה-DNA אוקטהדרון של ויליאם שי, שכללה בעיקר גדיל אחד ארוך מאוד. ה-DNA אוריגמי של רותמונד מכיל גדיל ארוך אשר הקיפול שלו נעזר בכמה גדילים קצרים. שיטה זו אפשרה יצירת מבנים גדולים יותר מאלו שהיו בעבר, שפחות דורשים טכניקות של עיצוב וסנתוז. DNA אוריגמי היה סיפור השער של מגזין [[Nature]] ב-15 במרץ 2006. המחקר של רותמונד הציג מבנים דו-ממדיים של ה-DNA אוריגמי בעקבות הדגמה של DNA אוריגמי מוצק תלת-ממדי שהוצג ב-2009 על ידי דאגלס, בעוד המעבדות של יורגן קמס ויאן הציגו מבנים תלת ממדיים חלולים שנעשו ממבנים דו-ממדיים.
ננוטכנולוגיית DNA נתקלה בתחילה בסקפטיות מסוימת עקב השימוש הלא ביולוגי החריג של חומצות גרעין כחומרים המשמשים לבניית מבנים וכמייצגים תהליכי חישוב. מאמרו של סימן ב-1991 על סינתזה של קוביית DNA נדחתה על ידי כתב העת [[Science]] לאחר שמבקר אחד שיבח את המקוריות שלו, בעוד אחר מתח ביקורת על היעדר קשר ביולוגי. עם זאת בתחילת 2010 התחום החל להגדיל את היכולות שלו עד כדי כך שיישומים במחקר בסיסי החלו לבוא לידי ביטוי ויישומים מעשיים ברפואה ובתחומים אחרים החלו להיחשב לריאליים.התחום גדל ממספר מועט של מעבדות שעסקו בננוטכנולוגיית DNA בשנת 2001 למעל ל-60 בשנת 2010, תהליך שקידם מדעית את תחום זה בעשור הראשון של המאה ה-21.
חומרים ושיטות.
רצפי הגדילים הבודדים של DNA המרכיבים את המבנה הסופי תוכננו באמצעות [[:en:Molecular modeling|הדמיה מולקולארית]] ותוכנה המדמה את [[:en:Nucleic acid thermodynamics|המודל התרמודינמי]]. לאחר תכנון הרצפים, הם סונתזו על ידי השיטות הרגילות ל[[:en:Oligonucleotide synthesis|יצירת אוליגו-נוקלאוטידים]]. תהליך זה הוא אוטומטי בדרך כלל באמצעות מכונה שנקראת oligonucleotide synthesizer, וחומצות גרעין של רצף מותאם אישית, הזמינים מסחרית על ידי ספקים רבים. עבור שיטות הדורשות גדילים טבעיים, טהורים בריכוז ידוע, יש צורך לנקות את הגדילים באמצעות [[דנטורציה]] על ידי [[:en:Gel electrophoresis|ג'ל אלקטרופורזה]]. הריכוזים נקבעים באמצעות אחת מכמה שיטות [[:en:Nucleic acid quantitation|המכמתות חומצות גרעין]], אחת מהן היא השיטה [[:en:Ultraviolet–visible spectroscopy|הספקטרוסקופית]] בה מודדים את בליעת אורכי הגל בתחום האולטרה סגול המאפיינים את ספקטרום הבליעה של רצפי הנוקליאוטידים.
מבני היעד הסופיים מאופיינים בדרך כלל על ידי ג'ל אלקטרופורזה [[:en:Native state|מתאים]], אשר מספק מידע על גודל וצורת הקומפלקסים של חומצות הגרעין. שיטת [[EMSA]] יכולה לציין אם המבנה כולל את כל הגדילים הרצויים. [[:en:Fluorescent labeling|בתיוג פלואורסצנטי]] ו[[:en:Förster resonance energy transfer|FRET]] משמשים לעיתים לאפיון המבנה והקומפלקסים.
ניתן לדמות מבני חומצות גרעין על ידי [[מיקרוסקופ כוח אטומי]], המתאים למבנים ארוכים דו-ממדיים, אך הוא פחות שימושי עבור מבנים תלת ממדיים עקב האינטראקציה של טיפ המיקרוסקופ עם מבנה חומצות הגרעין השבריריות. עבור הדמיה תלת ממדית, [[:en:Transmission electron microscopy|מיקרוסקופ אלקטרונים חודר]] ,TEM, ו[[:en:Cryo-electron microscopy|קריו מיקרוסקופ אלקטרונים- cryo-EM]] הן שיטות חשובות. סריגים תלת ממדיים מורחבים מנותחים על ידי [[קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן]].
עיצוב.
ננו-מבני DNA חייבים להיות [[:en:Rational design|מעוצבים באופן רציונלי]], כך שגדילים בודדים של חומצות גרעין ירכיבו את המבנים הרצויים. תהליך זה מתחיל בדרך כלל עם מפרט של מבנה היעד הרצוי או הפונקציונליות שלו. לאחר מכן נקבע [[:en:Nucleic acid secondary structure|המבנה השניוני]] הכולל של הקומפלקס, תוך פירוט סידור הגדילים של החומצות גרעין בתוך המבנה והחלקים מהגדילים הללו שצריכים להקשר זה לזה. השלב האחרון הוא תכנון [[:en:Nucleic acid primary structure|המבנה הראשוני]], המהווה את פירוט רצפי הבסיסים בפועל של כל גדיל חומצות גרעין.
עיצוב מבני.
הצעד הראשון בעיצוב ננו-מבני חומצות גרעין הוא להחליט כיצד מבנה נתון צריך להיות מיוצג על ידי סידור מסוים של גדילי חומצות גרעין. שלב זה קובע את המבנה השניוני או את עמדותיהם של זוגות בסיסים אשר מחזיקים את הגדילים בודדים יחד לצורה הרצויה. מספר שיטות הוצגו:
• מבנים מבוססי אריחים. גישה זו מחלקת את המבנה הרצוי הסופי לתת יחידות קטנות יותר בעלות קשר חזק בין הגדילים בכל תת-יחידה ואינטראקציות חלשות יותר בין התת-יחידות. משתמשים בשיטה זו, לעיתים קרובות, כדי ליצור, באופן זמני, סריגים בעלי מבנה מחזורי, אך יכול לשמש גם כדי ליישם אלגוריתמית הרכבה עצמית של מבנה. דבר זה הופך אותם לפלטפורמה [[מחשוב DNA|לחישוב על ידי DNA]]. שיטה זו הייתה השיטה הדומיננטית מאמצע שנות ה-90 עד אמצע שנות ה-2000, כאשר שיטת ה-DNA אוריגמי התפתחה.
• קיפול מבנים. אלטרנטיבות לשיטה הקודמת הן שיטות קיפול, בהן גדיל ארוך יחיד מתקפל לננו-מבנה. הגדיל הארוך יכול להיות רצף מתוכנן המתקפל לפי האינטראקציות שלו עם עצמו, או שזה יכול להתקפל לצורה הרצויה על ידי שימוש בגדילים קצרים יותר. שיטה נוספת נקראת [[DNA אוריגמי]], המאפשרת יצירת צורות דו ותלת-ממדיות בקנה מידה ננומטרי. (ראה [[#מבנים בדידים|מבנים בדידים]] להלן).
• הרכבה דינאמית. שיטה זו שולטת באופן ישיר בקינטיקה של ההרכבה העצמית של ה-DNA, תוך פירוט כל [[חומר ביניים|חומרי הביניים]] של [[:en:Reaction mechanism|מנגנון התגובה]] נוסף על התוצר הסופי. הדבר נעשה באמצעות מבנה [[:en:Stem-loop|stem-loop]] של חומצות הגרעין בחומר בתחילת התגובה, אשר מסתדר לאחר [[:en:Biochemical cascade|קסקדת התגובה]] בסדר מסוים. לשיטות הללו יש את היתרון של הליך איזותרמי, ולכן לא כולל את שלב [[:en:Annealing (biology)|ה-annealing]], הנדרש על ידי גישות תרמודינמיות בלבד.
עיצוב רצפי.
אחרי כל השיטות הנ"ל, המשמשות לתכנון המבנה השניוני של קומפלקס מסוים יש צורך לתכנן את רצף הנוקליאוטידים שייצור את המבנה הרצוי. בתכנון מקצים רצף בסיסי חומצות גרעין לכל אחד מהגדילים המרכיבים את המבנה כך שהם יצרו את הקונפורמציה הרצויה. הצד השווה בכל שיטות התכנון הוא המטרה שהמבנה הסופי המתוכנן יהיה בעל האנרגיה הנמוכה ביותר מבין כל המבנים האפשריים, ולכן הוא יועדף מבחינה תרמודינמית. הדבר נעשה הן באמצעות שיטות [היוריסטיקה|יוריסטיות] פשוטות ומהירות, כגון מזעור הסימטריה ברצף המאפשרת קיפול הגדיל על עצמו או על ידי שימוש במודל התרמודינמי [[nearest-neighbor]], שהוא מדויק יותר אך איטי יותר ואף יותר אינטנסיבי מבחינה חישובית. מודלים גאומטריים משמשים לבחינת מבנה [[:en:Nucleic acid tertiary structure|שלישוני]] של הננו-מבנים ועל מנת להבטיח שהקומפלקסים לא [[:en:Strain (chemistry)|מתוחים]] יתר על המידה.
עיצוב חומצות גרעין דומה ל[[:en:Protein design|עיצוב חלבונים]]. בשניהם רצף של [[מונומר]]ים מתוכנן כך שהוא יעדיף את המבנה הרצוי ולא יעדיף אף מבנה אחר. לעיצוב חומצות גרעין יש יתרון על עיצוב חלבון בשל כך שהוא קל יותר מבחינה התכנון, כי חוקי הזיווג בסיסים מספיקים כדי לחזות את המבנה המועדף, ואין צורך במידע מפורט על קיפול תלת ממדי של המבנה. דבר זה מאפשר שימוש בשיטות יוריסטיות פשוטות, שמניבות עיצובים יציבים מבחינה ניסויית. עם זאת, מבני חומצות גרעין הם פחות מגוונים מבחינה פונקציונלית מהחלבונים בגלל היכולת של חלבונים להתקפל למבנים מורכבים, כמו גם מגוון כימי מוגבל של ארבעת [[נוקליאוטיד|הנוקליאוטידים]], לעומת 20 [[:en:Proteinogenic amino acid|חומצות אמינו המרכיבות חלבון]].
ננוטכנולוגיית DNA מבנית.
ננוטכנולוגיית DNA מבנית, נקראת באופן מקוצר Structural DNA Nanotechnology -SDN, מתמקדת בסינתזת ואפיון קומפלקסים של חומצות גרעין. ל[[:en:Nucleic acid double helix|סליל הכפול של חומצות הגרעין]] יש גאומטריה תלת ממדית יציבה ומוגדרת המאפשרת לחזות ולתכנן את המבנים של קומפלקסים מורכבים יותר של חומצות גרעין. מבנים רבים כאלה נוצרו, כולל מבנים דו ותלת-ממדיים, מחזוריים, לא מחזוריים ומבנים בדידים.
סריגים מורחבים.
[[קובץ:DX DNA array.png|ממוזער|שמאל|יצירת מערך DX. תמונה של המערך המורכב במיקרוסקופ כח אטומי. ניתן לראות את האריחים המרכיבים את המערך.]]