DNAナノテクノロジー
ナノロボットの一つの形として、何らかの刺激によって立体配座を変化させるDNA複合体が作製されている。作製には構造的DNAナノテクノロジーにおいて静的構造を作るのと同様な方法がとられるが、アセンブリ後に動的な再配列が可能なように設計される。この種の素子で最初のものはB-DNA(右巻き)とZ-DNA(左巻き)の間の遷移を利用しており、バッファー条件の変化に応じてねじれ運動を行った。バッファー条件をトリガーとする系ではすべての素子が同時に状態変化を起こしたが、後には制御ストランドが状態変化を起こさせるような系を用いて溶液中の各素子を独立して操作できるようになった。その例としては、開状態と閉状態を持つ「分子ピンセット」の仕組みや、パラネミック・クロスオーバー配位 (PX) とダブルジャンクション配位 (JX2) とを切り替えることで回転運動を生じる素子、制御ストランドと出会うと動的に伸縮を行う2次元アレイがある。
小さい核酸複合体に粘着末端を持たせて互いに結合させると、分子をタイルとした充填パターンを持つ大きな2次元周期格子が得られる。この種の構造で最初のものは基本タイルとしてDX複合体を使用していた。DX複合体が持つ四つの粘着末端の塩基配列をデザインすることで、複合体がユニットとなって周期的に配列し、剛性を持つ2次元DNA結晶とみなせる平坦な2次元シートを構成する仕組みだった(右図上)。ほかのモチーフを用いた2次元配列も作製されており、ホリデイ・ジャンクション菱形格子や、double-cohesionスキームによる様々なDXベースアレイなどがある。右に示す画像の上から2つはタイルベース周期格子の例を示している。
2次元アレイには、そのアセンブリがある種のアルゴリズムを内包するような非周期構造を取らせることも可能である。これはDNAコンピューティングの1つの形である。粘着末端の塩基配列の選び方によっては、DX複合体はワンのタイルとなって演算処理を行えるようになる。実際に、DXアレイのアセンブリにXOR演算をエンコードすることでDNAアレイをセル・オートマトンとし、シェルピンスキーのギャスケットと呼ばれるフラクタル構造を生成させた例がある(右図上から3番目)。
核酸構造にはタンパク質、金属ナノ粒子、量子ドット、フラーレンなど核酸以外の分子(ヘテロエレメントとも呼ばれる)を組み込むこともでき、それにより核酸だけではできなかったような幅広い機能を持つ材料や素子を構築することが可能になる。核酸構造の自己アセンブリがテンプレートとなり、ホストしたナノ粒子をアセンブリさせるとともに位置や時には方位の制御を行う。それらのスキームの多くでは共有付加スキームが取られ、化学的ハンドルとしてアミド基やチオール基を持つオリゴヌクレオチドがヘテロエレメントと結合する。共有結合スキームにより、DXアレイ上で金ナノ粒子を配列させたりストレプトアビジンタンパク質分子に特定のパターンを取らせることが行われている。ストレプトアビジンの配列はDXアレイ上のダーバン型ポリアミドを利用した非共有型のホスティングによっても行われている。DNAアレイへのホスティングによってカーボンナノチューブのアセンブリを行い、分子エレクトロニクス素子(CNT電界効果型トランジスタ(英語版))として機能するようなパターンを取らせた研究もある。そのほか、最初の核酸構造の形を保ったまま金属で核酸を置換する核酸金属化法や、核酸ナノ構造をフォトリソグラフィのマスクとして利用してパターンを固体表面に転写するスキームがある。
DNAナノテクノロジー(英: DNA nanotechnology)とは、有用な核酸構造を人工的に設計・作製する技術をいう。DNAの名が冠されているが、他の種類の核酸も用いられるため「核酸ナノテクノロジー」という別名がある。この分野では核酸を生細胞の遺伝情報キャリアとしてではなく、非生物学的なナノ材料として用いる。これまでの研究で、DNAを用いた2次元・3次元の結晶格子やナノチューブ、多面体、さらに任意形状の静的構造が作製されており、分子機械やDNAコンピューターのような機能デバイスも得られている。X線構造解析や核磁気共鳴スペクトロスコピーによるタンパク質の構造同定など、構造生物学や生物物理学における基礎的な問題を解決するツールとしても用いられ始めた。将来的な分子スケールエレクトロニクス(英語版)やナノ医療への応用も研究されている。
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(英語版)によって築かれた。広く関心を集め始めたのは2000年代半ば以降である。核酸を用いる利点は、核酸鎖のうち互いに相補的な塩基配列を持つ部分だけが結合して強固な二重らせん構造を形成するという厳しい塩基対合則の存在である。この規則を利用して合理的な塩基配列デザイン(英語版)を行えば、ナノスケールの精密なパーツが自然に組みあがって複雑な標的構造を形成することが可能になる。構造のアセンブル方式としては、より小さな構造(DNAタイル)をアセンブルさせるタイルベース構造や、核酸の折りたたみによって望みの形状を得るDNAオリガミ法、鎖置換法によって動的な再配置を行う方式などがある。
構造DNAナノテクノロジーと動的DNAナノテクノロジーという二つの下位分野に分けられる場合がある(これらには重複する部分もある)。構造DNAナノテクノロジーの対象は、静的な平衡形へアセンブリを行う核酸複合体の合成や分析である。動的DNAナノテクノロジーが対象とするのは、化学的・物理的刺激に応じて再配列を行う機能など、有用な非平衡的挙動を持つ複合体である。核酸ナノメカニカル素子のようにこれら二分野の特色を併せ持つ複合体もある。
構造DNAナノテクノロジーで構築される複合体はトポロジカルに分岐した核酸構造を取っており、複数のジャンクション部を持つ(生物学的なDNAはそれと対照的に分岐を持たない二重らせん構造を取るのがほとんどである)。最も単純な分岐構造には、相補的パターンを持つ部分どうしで結合したDNA鎖4本からなる4アーム・ジャンクションがある(右図上)。似た形態を持つ天然のホリデイ・ジャンクションとは異なり、人工的な固定4アーム・ジャンクションはそれぞれのアームが異なる塩基配列を持っており、ジャンクション位置は特定の場所からずれることができない。一つの複合体が複数のジャンクションを持つこともある。