DNAナノテクノロジー
構造DNAナノテクノロジーでは、静的な平衡形を作るための部品となる核酸複合体などの物質の合成と分析が中心となる。核酸の二重らせん構造は確定したロバストな3次元形状を持つため、より複雑な核酸複合体の構造を予測したり設計したりすることが可能になる。実際に、2次元や3次元の構造、もしくは周期的、非周期的、離散的な構造など、多くの複合体構造が作製されている。
最終的な生成物だけでなく、反応機構の中間ステップすべてを設計することでDNAセルフアセンブリの動力学を直接制御するアプローチ。ヘアピン構造を持つ出発物質が決まった順序でカスケード反応(英語版)を起こして最終的な配座にアセンブルする(鎖置換カスケード節参照)。このアプローチには一定温度で等温的に進行する利点があり、アセンブリをトリガーして正しく構造形成を行うために高温の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ある。
DNAナノテクノロジーの医療応用としては、天然の膜タンパク質の構造と機能を模倣するように設計されたDNAナノ構造も注目されている。2012年、ランゲッカーらは、茎状のDNAオリガミ構造が疎水性コレステロール修飾を利用して脂質膜に自己挿入し、膜を通してイオン電流を流す細孔として機能したと発表した。これは最初に実現された合成DNAイオンチャネルであり、後には単一のDNA二重鎖や、小さいタイルベース構造、あるいはDNAオリガミによる大きな膜貫通ポリンなど、多くの方式で細孔が作られた。天然のタンパク質イオンチャネルと同じように、多様な設計が可能な合成DNAチャネルはコンダクタンスに数桁の幅を持たせることができる。単一のDNA二重鎖によって脂質二重層にイオンチャネルを形成する研究では、DNA鎖自体には内腔が存在せず、イオン電流はDNAと脂質の界面を流れる。このチャネルの周辺で脂質頭基はDNAの方を向くため、細孔形状は単純な円筒ではなくトロイダル型となっている。ケンブリッジ大とイリノイ大アーバナ・シャンペーン校の研究者は、そのようなDNA誘導トロイダル孔が脂質二重層の層間で脂質の高速な反転を引き起こすことを示した。この効果を利用して、スクランブラーゼ(英語版)と呼ばれる天然タンパク質よりも桁違いに大きい速度で生体膜の脂質を反転させる合成DNA製酵素が設計されている。この研究は合成DNAナノ構造によるパーソナルドラッグや個別化治療法の可能性を指し示している。
DNAナノテクノロジーの概念的基盤は1980年代初頭にネイドリアン・シーマンによって築かれた。シーマンの元々の動機は3次元DNA格子を利用して大分子の配向を行うことだった。これにより、大分子から高純度の結晶を作る困難なプロセスが省かれて結晶構造解析が容易になるはずだった。シーマンは1980年の末に、M・C・エッシャーによる木版画『深み』がDNAの6アーム・ジャンクション・アレイと似ていると気づいたことからこのアイディアを得たという。そのころすでにDNA複製フォークや可動ホリデイジャンクションなど天然のDNA分岐構造はいくつか知られていたが、シーマンは先見の明を発揮させて、構成分子の塩基配列を適切に設計して核酸ジャンクションの対称性を失わせればそれを固定化でき、さらに固定化したジャンクションを結合させて堅固な結晶格子を作ることが原理的に可能だと考えた。このスキームは1982年の理論的な論文で最初に提案され、翌年には固定DNAジャンクションが実験的に証明された。
1991年、DNAを用いて立方体構造を作製したことがシーマンの研究室から報告された。これは初めて合成された3次元核酸ナノ構造であり、シーマンは1995年にナノテクノロジーに関する賞であるファインマン賞を受賞した。DNAによる切頂八面体も続いて報告された。しかし間もなく、柔軟なジャンクションを頂点に持つ多面体構造は拡張3次元格子を作れるほどの剛性を持たないことが明らかになった。シーマンは剛性の高いダブルクロスオーバー構造モチーフ (DX) を開発し、1998年にはエリック・ウィンフリー(英語版)と共同でDXタイルからなる2次元格子の作製を報告した。