ננוטכנולוגיית DNA
היסטוריה

הבסיס הרעיוני של ננוטכנולוגיית DNA נהגה לראשונה על ידי נדריאן סימן בראשית שנות ה-80. המניע המקורי של סימן היה ליצור גביש DNA תלת־ממדי כדי להתמצא במולקולות גדולות אחרות, כך שמחקר הקריסטלוגרפיה יהפוך לפשוט יותר על ידי הפסקת התהליך הקשה של קבלת גבישים טהורים. הרעיון הגיע אליו, על פי הדיווח, בסוף 1980, לאחר שראה דמיון בין אחד מעבודותיו של האמן הסוריאליסטי M.C. Escher שהתמחה בטכניקת חיתוך עץ לבין מערך צומתי ה-DNA בעלי שש זרועות. בעבודה הנקראת 'עומק חיתוך עץ' של Escher מוצגת דמות דמיונית בעלת ארבע זרועות ובתוספת הראש והזנב נראית כמבנה של צומת בעל שש זרועות. מספר מבני DNA מסועפים באופן טבעי היו ידועים באותה עת, כולל שכפול המזלג של ה-DNA וצומת ה־Holliday, אבל התובנה של סימן הייתה שצומתי חומצות גרעין יכולים להיווצר על ידי עיצוב מלאכותי מתאים של רצפי הגדילים, וכי הצמתים הללו יכולים, באופן עקרוני, להיות משולבים כחלק מסריג גבישי נוקשה. המאמר התאורטי הראשון המציע את התוכנית פורסם בשנת 1982, ההדגמה הניסיונית הראשונה של צומת ה-DNA הנייח פורסמה שנה לאחר מכן.
ב-1991, פרסמה מעבדתו של סימן את הסינתזה של קובייה העשויה מ־DNA-, הננו-מבנה התלת-ממדי הראשון המיוצר מחומצות גרעין, עבורה קבל את פרס פיינמן בננוטכנולוגיה בשנת 1995. בהמשך היה גם DNA אוקטהדרון קטום. עם זאת, עד מהרה התברר כי מבנים אלה, צורות המצולעים עם צמתים גמישים כמו הקודקודים שלהם, לא היו מספיק נוקשים כדי ליצור סריגים תלת־ממדיים. סימן פיתח מוטיב DX נוקשה יותר, ובשנת 1998, בשיתוף פעולה עם אריק ווינפרי, פרסם את יצירת אריחי DX דו־ממדיים. [[69המבנים מבוססי האריח הללו הם בעלי היתרון שהם מספקים את היכולת ליישם מחשבי DNA, שבאו לידי ביטוי על ידי וינפרי ופול רותמונד במאמרם שפורסם ב-2004 על אלגוריתמי הרכבה עצמית של מבנה משולש סירפינסקי, ועליו חלקו את פרס פיינמן בטכנולוגיה בשנת 2006. תובנת המפתח של ווינפרי הייתה שאריחי ה־DX- יכלו לשמש כ[אריחי ואנג], דהיינו ההרכבה שלהם הייתה מסוגלת לייצג חישובים. יצירת הסריג התלת־ממדי פורסמה, לבסוף, על ידי סימן ב-2009, קרוב ל-30 שנה אחרי שהחל להגות אותו.
יכולות חדשות של מבני DNA המשיכו להתגלות לאורך שנות ה-2000. מכונת ה-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, נילס פירס, 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, פטר דרוון, ותומאס 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.