DNAナノテクノロジー
鎖置換反応のカスケードを利用して計算や構造形成を行うことができる。何らかのイニシエーター鎖への応答として新しい配列が露出するのが一つの鎖置換反応である。多数の反応をつなげることで、ある反応で露出した配列が次の反応のイニシエーターとなるような生化学カスケード(英語版)を構築できる。さらにそれを組み合わせて、多数の要素からなる化学反応ネットワークを構築すれば複雑な計算や情報処理を行わせられる。カスケード反応は新しい塩基対の形成によるエネルギー利得と分解反応によるエントロピー増大によりエネルギー的に有利となる。鎖置換カスケードを用いれば等温操作によってアセンブリや計算プロセスを行うことが可能で、従来の核酸アセンブリにおいて加熱後にゆっくり冷却することで目的の構造を形成させる熱的アニーリングステップが必要だったとは対照的である。また鎖置換カスケードのイニシエーター種に触媒機能を持たせて、1当量未満のイニシエーターによって反応を一方向に進めることもできる。
動的に開閉を行えるケージ構造も作られており、機能性分子貨物を自在に露出ないし放出させる分子ケージとして期待されている。
DNAウォーカー(英語版)は一次元的なトラックに沿って指向性運動を行う核酸ナノマシンの一種であり、多くのスキームが確立されている。たとえば一連の順番で制御ストランドを添加することでトラックに沿って一歩ずつウォーカーを動かす戦略がある。別のアプローチとして、制限酵素またはデオキシリボザイムを備えたウォーカーがトラックの核酸鎖を切断しながら一方向に進む自律的なシステムもある。後には一次元的なトラックの代わりに2次元面を歩きながら分子貨物を選択的に拾い上げて運ぶウォーカーも実現された。また、トラックに沿って進みながらDNAテンプレート合成(英語版)を行うことで自律的に多段階化学合成を進める一次元ウォーカーも実現している。化学合成DNAウォーカーの機能は天然のタンパク質ダイニンとキネシンに通じる。
オーフス大学iNANOセンターおよびCDNAセンターで行われた研究で、複数回のスイッチングが可能な3次元ボックス構造がDNAオリガミによって構築された。その性質は原子間力顕微鏡 (AFM)、透過型電子顕微鏡 (TEM)、および蛍光共鳴エネルギー移動 (FRET) によって確かめられた。このボックスは蓋を閉じ直す独自の機構を備えており、決められたDNAもしくはRNAの組を鍵として何度も開閉を行うことができる。この研究の著者は「DNAデバイスには、単一分子の機能制御、ドラッグデリバリー制御、分子計算など幅広い応用が考えられる」と主張した。
ナノ医療においても、生体適合性のあるDNAナノテクノロジーの計算方式を利用して標的化ドラッグデリバリー用の「スマートドラッグ」を作成できる可能性がある。研究中のシステムには、アポトーシス(細胞死)を誘導するタンパク質を中空のDNAボックスに入れて運び、癌細胞の近傍で放出するというものがある。またこのような人工的な構造を生きた細菌の細胞中で発現させることにも関心が寄せられている。そのアセンブリには転写産物RNAが利用できると見られているが、細胞質中で複雑な構造を効率的に折りたたんだりアセンブリしたりできるかは分かっていない。これが成功すれば、核酸ナノ構造に定向進化(英語版)を行わせることができるようになる。オックスフォード大学の研究者は、短い合成DNA鎖4本が自己集積したケージ構造が細胞に侵入したまま少なくとも48時間生存したと報告した。
PMID 18654284. —核酸ナノメカニカル素子のレビュー論文。
Feldkamp, Udo; Niemeyer, Christof M. (13 March 2006). “Rational design of DNA nanoarchitectures”. Angewandte Chemie International Edition 45 (12): 1856–76. doi:10.1002/anie.200502358. PMID 16470892. —二次的な構造デザインの観点から書かれた総説。
Lin, Chenxiang; Liu, Yan; Rinker, Sherri; Yan, Hao (11 August 2006). “DNA tile based self-assembly: building complex nanoarchitectures”. ChemPhysChem 7 (8): 1641–1647. doi:10.1002/cphc.200600260. PMID 16832805. —タイルベースのアセンブリに注目した短いレビュー。
Zhang, David Yu; Seelig, Georg (February 2011). “Dynamic DNA nanotechnology using strand-displacement reactions”. Nature Chemistry 3 (2): 103–113. Bibcode: 2011NatCh...3..103Z. doi:10.1038/nchem.957. PMID 21258382. —鎖置換機構を利用したDNA系のレビュー。
全般:
Seeman, Nadrian C. (June 2004). “Nanotechnology and the double helix”. Scientific American 290 (6): 64–75. Bibcode: 2004SciAm.290f..64S. doi:10.1038/scientificamerican0604-64. PMID 15195395. —分野の創設者による一般向けの記事。
Seeman, Nadrian C. (9 June 2010). “Structural DNA nanotechnology: growing along with Nano Letters”. Nano Letters 10 (6): 1971–1978. Bibcode: 2010NanoL..10.1971S. doi:10.1021/nl101262u. PMC 2901229. PMID 20486672. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2901229/. — 2001–2010年の期間に報告された研究結果の総説。
Seeman, Nadrian C. (2010). “Nanomaterials based on DNA”. Annual Review of Biochemistry 79: 65–87. doi:10.1146/annurev-biochem-060308-102244. PMC 3454582. PMID 20222824. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3454582/.