DNA nanoteknolojisi

DNA nanoteknolojisi nanoteknolojinin bir alt sahasıdır, DNA ve diğer nükleik asitlerin moleküler tanıma özelliklerini kullanarak yeni moleküler yapılar oluşturmayı amaçlar. Bu sahada, DNA kalıtsal bilgi taşıyıcısı olarak değil, yapısal bir malzeme olarak kullanılır. Bunun uygulaması moleküler özbirleşme (İngilizce self assembly) ve DNA hesaplamasıdır.

Tarih

DNA nanoteknoloji kavramı 1980'li yılların başlarında Nadrian Seeman tarafından icat edilmiştir. Bir kristalograf olan Seeman, bazı moleküllerin kristalleştirilmesini sağlayacak şartların bulunmasının tahmine ve tesadüflere dayalı olmasından  yılmıştı. 1980'de, M. C. Escher'in Derinlik adlı gravürü ona ilham vermiş, üç boyutlu bir DNA örgüsünün (latisin), kristallenmesi amaçlanan molekülleri yönledirebileceğini fark ettirmiştir.
1991'de Seeman'ın laboratuvarı, DNA'dan oluşan bir kübün sentezi hakkındaki raporunu yayımladı. Seeman, nano-ölçekli bu ilk üç boyutlu cisim için 1995'te Feynman Nanoteknoloji Ödülünü almıştır. Nano-kübün ardından, DNA'dan yapılmış kesik oktahedron gelmiş ama anlaşılmıştır ki bu cisimler üç boyutlu bir örgü oluşturabilecek kadar rijit değildir.
Seeman daha rijit olan "DX" motifini geliştirmiş ve 1988'de Erik Winfree ile birlikte iki boyutlu DX "karo"larından oluşan iki boyutlu örgülerin oluşturulmasını yayımlamıştır. Bu karolara dayalı yapıların bir diğer avantajı, DNA hesaplamasının gerşekleştirilme olanağını sağlamalarıydı. Winfree ve Paul Rothemund 2004'te bunu gösterdiler ve bunun için 2006'da Feynman Nanoteknoloji Ödülü'nü paylaştılar.
Bu saha dallanmaya devam etmektedir. İlk DNA makinası (bir girdinin etkisiyle yapısını değiştiren bir yapısal motif) 1999'da gösterilmiştir. Nanomimari 1987'de Seeman tarafından önerilmiştir ve 2006'da bu sahanın ilk uygulamaları gösterilmiştir. Gene 2006'da Rothemund ilk DNA origami tekniği ile, herhangi bir şekle sahip katlanmış DNA moleküllerinin kolaylıkla oluşturulabileceğini göstermiştir. 2009'da Seeman üç boyutlu bir örgü (kafes) sentezini yayımlamıştır, bu amaçta çalışmaya başlamasından nerdeyse otuz yıl sonra.

Tasarım

DNA nanoteknolojisinin ana hedeflerinden biri, belli bir hedef yapı veya işlevi sağlamak için birbirleriyle birleşecek DNA moleküllerinin dizilerini belirlemektir. Arzu edilen bir yapıyı oluşturmakta kullanılacak DNA dizilerini tasarlamak için birkaç farklı yol vardır.

Karolara dayalı yapılar

DNA nanoyapıları oluşturmanın ilk yöntemi, bunları daha küçük birimlerden inşa etmekti. Parke karolarıyla bir zeminin kaplanmasına benzeyen bu yöntemin avantajı, her bir karoyu oluşturan etkileşimler ile, tüm yapıyı oluşturan etkileşimlerin ayrı tasarlamasını mümkün kılmasıdır. Genelde periyodik örgüler yapmakta kullanılan bu yöntem, algoritmik özkurgu (İng self-assembly) gerçekleştirmekte de kullanılır, bu da DNA hesaplamasının temelini oluşturur.

Kinetik kurgu

DNA nanoteknolojisindeki çoğu tasarım, yapının oluşumunun izlediği reaksiyon yoluna önem vermeden, hedef yapının termodinamik bir minimumda yer almasına odaklanır. Ancak, DNA özkurgusunun kinetiğini kontrolüne de önem verilebilir, kurgu sırasındaki oluşan geçici yapıların dinamikleri de programlanabilir. Bu yöntemin avantajı, yapı oluşumunun sabit sıcaklıkta gerçekleşmesi, yani tamamen termodinamik prensiplere göre yapılmış tasarımlardaki tavlama adımına gerek göstermemesidir.

Hedef yapılar

DNA'dan oluşan pek çok yapı sentezlenmiş ve karakterize edilmiştir.

İki boyutlu örgüler

çifte krosover (DX) molekülleri yapışkan uçlara sahip olurlarsa bunlar birbiriyle birleşerek iki boyutlu periyodik bir örgü (latis) oluşturabilirler. Her bir DX molekülünün dört ucu vardır, bunlar iki çifte sarmal bölgenin uçlarında yer alırlar. Bu uçlar yapışkan olursa bunların arzu edilen belli biçimlerde birleşmesi sağlanabilir. Birden çok DX tipi kullanılarak bunların diziler veya başka tesselasyon biçimleri olarak düzenlenebilir. Meydana gelen yassı yapraklar aslında iki boyutlu DNA kristalleridirler.
İki boyutlu dizilimler başka motifler kullanılarak da yapılmıştır. Bunların arasında Holliday bağlantı eşkenar dörtgen dizilimi ve, üçgen veya altıgen şekilli çeşitli çifte krosover-temelli dizilimler sayılabilir.

Ayrık üç boyutlu yapılar

Küp veya tetrahedron gibi çokyüzlülere benzer bir takım DNA moleküllü yapılar oluşturulmuştur. Bir diğer deyişle, DNA ikilileri bir çokyüzlünün kenarlarını, DNA bağlantıları da köşelerini oluşturur. DNA çokyüzlüsünün en erken gösteriminde, çok sayıda ligasyon ve katı hâl sentez adımı ile bir kafes çokyüzlü yaratılmıştır. 
Diğer örnekler, doğru şekilde katlanacak şekilde tasarlanmış uzun bir iplikten yapılmış köşeleri kesik bir oktahedron ve dört DNA ipliğinden tek bir adımda meydana gelebilen bir tetrahedrondur.
Katı yüzlü DNA yapıları da inşa edilmiştir, DNA origami yöntemi ile. Bu yapılar bir uyarı ile açılıp içlerinde taşıdıkları kargoyu boşaltacak şekilde programlanabilirler, böylece bunların programlanabilir moleküler kafes uygulamaları olabilir

DNA nanotüpleri

Yassı yapraklara ek olarak, çifte krosover dizilimlerinin, 4-20 nm çapında içi boş tüpler oluşturması da sağlanabilmiştir. Bu DNA nanotüpleri karbon tüplerine benzer büyüklük ve boyuttadırlar ama karbon nanotüpleri daha sağlam ve daha iletkendir, buna karşın DNA nanotüplerini daha kolay modifiye edilebilir ve başka yapılara bağlanabilir.

Genişletilmiş üç boyutlu yapılar

DNA'dan üç boyutlu örgüler yapmak DNA nanoteknolojisinin ilk amaçlarından biriyid ama tahmin edilenden daha zor oldu. Üç boyutlu örgülerin inşasında başarı nihayet 2009'da, tensegrite kavramina dayalı bir motif ile mümkün oldu. Tensegrite, gerilim ile sıkışma güçleri arasındaki dengedir.

Uygulamalar

DNA nanoteknolojisi tasarlanmış işlevlere ve yapılara sahip moleküller yaratmayı amaçlar. Çeşitli işlevsel sınıflar gösterilmiştir.

Nanomimari

DNA dizilimlerini bir kalıp gibi kullanıp başka işlevsel moleküllerin kurgusunu sağlamak fikri ilk defa Nadrian Seeman tarafından 1987'de önerilmiş, 
ama ancak 2006'da bu planların pratik uygulaması gösterilebildi. DX temelli bir karoya bir altın nanotaneciği bağlanmış ve DNA yapılarının kendi kendini oluşturmasının (öz kurgusunun) sonucunda DNA'lara bağlı olan nanotaneciklerin de birleştiği gösterilmişir. Bir diğer uygulamada, DX dizilimi üzerinde Dervan poliamidleri kullanılarak, DNA diziliminde yer alan belli çeşit karolar üzerinde streptavidin moleküllerinin yerleştirilmesi sağlanabilmiştir.
2006'da Dwyer ve LaBean 4x4'lük bir DX dizilimi üzerinde, streptavidin kullanarak, "D" "N" and "A" harfleri oluşturulmuştu.  2007'de, hiyerarşik bir kurgu yöntemi ile bu yaklaşım daha büyük dizilimlere de uygulanmıştır (8X8 ve 8.96 Mega Dalton kütleli).
DNA nanoteknolojisi ile moleküler elektronik cihazlar kurma girişimleri de yapılmıştır. Bu amaçla, DNA kullanılarak tek duvarlı karbon nanotüplü alan etkili transistör oluşturulmuştur.

Algoritmik özkurgu

DNA nanoteknolojisi, ilgili bir saha olan DNA hesaplamasına da uygulanmıştır. DX karolarının yapışkan uçları uygun şekilde seçilirse bunlar Wang karoları gibi davranıp hesaplama yapabilir. Bir DX diziliminin bir XOR mantık işlemini kodladığı gösterilmiştir. B sayede, bir DNA dizilimi bir hücresel otomat (cellular automaton) oluşturmakta, bu da, Sierpinski üçgeni olarak adlandırılan bir fraktal üretmektedir. Böylece bir DNA dizilimine hesaplama işlevinin de dahil edilebileceği gösterilmiştir.
DNA hesaplaması ile DNA nanoteknolojisi örtüşen sahalar olmakla beraber ayrıktırlar. DNA nanoteknolojisi, Watson-Crick baz eşleşmesinin spesifisitesini kullanarak DNA'dan yeni, değişik yapılar meydana getirir. Bu yapılar DNA hesaplaması için kullanılabilir ama böyle bir şart yoktur. Buna ek olarak, DNA nanoteknolojisi ile mümkün kılınmış moleküller olmadan da DNA hesaplaması yapmak mümkündür.

Malzeme ve yöntemler

Arzu edilen diziye sahip DNA molekülleri oligonükleotit sentezi ile kolayca elde edilebilir. Bu işlem genelde bir DNA sentezleme makinası kullanılarak otomatikleştirilmiştir ve çoğu şirket aracılığıyla siparişli DNA elde edilebilir.
Hedef yapıyı olşturacak DNA ipliklerinin dizileri bilgisayarla tasarlanır. Moleküler modelleme ve termodinamik modelleme DNA dizilerini optimize etmek için bazen kullanılır.
DNA nanoteknolojisinde kullanılan DNA molekülleri genelde jel elektroforezi ile karakterize edilir. Böylece DNA moleküllerinin büyüklüğü ve şekli hakkında bilgi elde edilir ve bu moleküllerin doğru oluştukları kontrol edilir. Bu moleküllerin yaplarını karakterize etmek için flüoresan işaretleme ve Flüresans rezonans enerji transferi
DNA yapılarını görüntülemek için atomik güç mikroskopisi kullanılır, bu yöntem ile düz yüzeyler üzerindeki yapıların resimleri çekilebilir.  Bu araç iki boyutlu kristaller için uygundur ama ayrık üç boyutlu yapılar için pek yararlı değildir. Bu tür yapılar için kriyo-elektron mikroskopi popülerleşen bir yöntemdir. Büyük üç boyutlu yapıların analizi X-ışını kristalografisi ile yapılır. DNA özkurgusunun kinetiğini araştırmak için ikili polarizasyon enteroferometrisi ve QCMD kullanılabilir.