miniatura|La nanotecnologia de l'ADN té l'objectiu de construir nanoestructures artificials i dissenyades a partir d'àcids nucleics, tals com aquest tetraedre d'ADN. Cada extrem del tetraedre correspon a una doble hèlix d'ADN de 20 parells de bases, mentre que cada vèrtex és una unió de tres braços.
La nanotecnologia de l'ADN és una branca de la nanotecnologia que utilitza les propietats del reconeixement molecular de l'ADN i altres àcids nucleics per a crear estructures artificials d'ADN dissenyades amb propòsits tecnològics. En aquest camp, l'ADN és utilitzat no tant com a portador d'informació genètica, sinó com a material estructural: n'és un exemple la bionanotecnologia. La nanotecnologia de l'ADN té aplicacions en l'autoacoblament molecular i en la computació basada en l'ADN.
Tot i que normalment, en el context de biologia molecular, l'ADN és considerat com el portador de la informació genètica en cèl·lules vives, la nanotecnologia de l'ADN considera l'ADN únicament com a material i producte químic, utilitzant-lo, en general, fora del context biològic. La nanotecnologia de l'ADN utilitza el fet que, degut a l'especificitat dels parells de bases del model de Watson-Crick, només les porcions de cadenes que són complementàries entre si s'uneixen per a formar dúplexs d'ADN. La nanotecnologia de l'ADN intenta fer unions entre diverses cadenes d'ADN a través del disseny racional de tal manera que les porcions desitjades de cada cadena s'uneixin en la posició correcta per a obtenir una estructura desitjada, un procés que s'anomena disseny d'àcids nucleics.
Tot i que el camp s'anomena nanotecnologia de l'ADN, els principis que predica poden ser igualment aplicats a altres àcids nucleics com poden ser l'ARN i l'APN. Per aquesta raó el camp també pot ser anomenat com nanotecnologia dels àcids nucleics.
Conceptes fonamentals miniatura|Aquestes quatre cadenes s'associen en un encreuament de quatre braços perquè aquesta estructura maximitza el nombre adequat de parells de bases, amb les adenines associades a les timina i les citosines associades a les guanines. Consulteu aquesta imatge per veure un model més realista dels encreuaments de quatre braços mitjançant la seva estructura terciària.
miniatura|Una molècula de doble encreuament (DX). Aquesta molècula consisteix en cinc cadenes individuals de DNA que formen dos dominis de doble hèlix, a l'esquerra i la dreta d'aquesta imatge. Hi ha dos punts d'encreuament on les cadenes es creuen d'un domini a l'altre.Overview:
La nanotecnologia de l'ADN crea estructures complexes a partir dels àcids nucleics utilitzant l'especificitat de l'aparellament de bases en aquest tipus de molècules. L'estructura de la molècula d'àcid nucleic consisteix en una seqüència de nucleòtids, distingits per la base nitrogenada per la que estan formats. Les quatre bases que poden formar una molècula d'ADN són l'adenina (A), la citosina (C), la guanina (G) i la timina (T). Les molècules d'àcids nucleics tenen una gran especificitat, de tal manera que dues molècules s'uniran per a formar una estructura de doble hèlix només si les dues seqüències a unir tenen les bases nitrogenades complementàries, sempre tenint en compte que les adenines (A) només s'uneixen a timines (T) i les citosines (c) només s'uneixen a guanines(G). Com que la unió dels parells de bases correctes és energèticament favorable, s'espera que les cadenes d'àcids nucleics s'uneixin maximitzant el nombre de parells correctes. El fet que la seqüència de bases determini el patró d'unió i l'estructura global de la molècula, s'utilitza en el camp de la nanotecnologia de l'ADN on les seqüències són dissenyades artificialment de tal manera que l'estructura desitjada és la que, amb major probabilitat (com s'ha dit abans per un tema d'energies favorables) es formarà.
Gairebé totes les estructures en la nanotecnologia de l'ADN usen molècules d'ADN ramificat que continguin unions, a diferència de la majoria d'ADN biològic que està format per una doble hèlix lineal. Una de les estructures ramificades més senzilles, i la primera que es va sintetitzar artificialment, és la unió de quatre branques, que pot ser sintetitzada utilitzant quatre seqüències d'ADN complementàries ordenades segons la seqüència patró. A diferència de les unions de Holliday naturals, les unions immòbils artificials de quatre braços, tenen una seqüència de bases diferent a cada branca, el que implica que el punt d'unió està fixat en una certa posició.
Les unions poden ser utilitzades en molècules més complexes. Una de les unions més utilitzades, és la “doble creuada” o patró DX. Una molècula de DX es pot considerar com dos dúplex d'ADN posicionats paral·lelament amb dos punts d'encreuament on dues cadenes es creuen des d'un dúplex a l'altre. Cada punt d'unió és en si topològicament una cruïlla de quatre braços. Això fa que el patró DX sigui recomanable com a element estructural dels complexos d'ADN.
Disseny Les nanoestructures de l'ADN han de ser disseny racional de tal manera que les cadenes simples d'àcids nucleics s'uneixin formant les estructures desitjades. El procés de disseny d'aquestes nanoestructures sovint comença amb la concreció d'una estructura de destinació i/o una funció. En aquest moment l'estructura secundària general de la molècula objectiu es dissenya, el que significa que es dissenya la disposició de les cadenes d'àcid nucleic simples en el conjunt de l'estructura, i en quines proporcions aquestes cadenes haurien d'estar unides entre elles. L'últim pas és el disseny de l'seqüència d'ADN, és a dir, la concreció de les seqüències de bases de cada cadena d'àcids nucleics.
Disseny estructural El primer pas en el disseny de la nanoestructura d'un àcid nucleic és decidir com una estructura hauria d'estar representada per la unió específica de cadenes d'àcids nucleics. Aquest disseny, per tant, determina l'estructura secundària, i les sèries de parells de bases que mantenen les cadenes individuals unides en l'estructura desitjada. Hi ha diversos models que s'han portat a terme:
Estructures basades en rajoles. Trenca les estructures en unitats més petites amb una unió forta entre les cadenes que contenen cada unitat, i una interacció relativament menor entre les unitats. Normalment s'usa per a fer enreixats, però també pot ser usada per implementar l'autoensamblatge algorítmic formant la plataforma base de la computació basada en ADN.Overview: Estructures de plegament. Com a alternativa al model anterior, les estructures de plegament fan les nanoestructures a partir d'una única cadena llarga. Aquesta cadena llarga pot tenir una seqüència dissenyada de tal manera que es plegui sobre ella mateixa degut a interaccions internes o bé pot estar plegada en la forma desitjada utilitzant cadenes ‘grapa’ més curtes. Aquest últim mètode s'anomena origami de l'ADN i permet la creació de formes a una nanoescala, en 2 i 3 dimensions utilitzant l'ADN.DNA origami: Unió cinètica. Recentment hi ha hagut un interès a controlar la cinètica de l'autoensamblatge d'ADN, de tal manera que la dinàmica transitòria pot estar també programada en l'ensamblatge. Aquest mètode també té l'avantatge d'operar isotèrmicament i, per tant, no requereix un aparellament termal, pas requerit en els diversos models termodinàmics.Kinetic assembly:
Disseny de seqüència Mentre que qualsevol dels enfocs anteriors serveixen per al disseny de l'estructura secundària d'una molècula objectiu, és necessària la concreció d'una seqüència de nucleòtids per a obtenir la formació d'una estructura desitjada. El disseny d'àcids nucleics, el camp central de a nanotecnologia de l'ADN, és un procés on s'assigna una seqüència específica de bases a cada cadena de tal manera que s'associï en la conformació desitjada. La majoria de mètodes busquen dissenyar una seqüència que tingui la mínima energia termodinàmica. Les estructures mal ensamblades tenen una energia superior i, per tant, són més desfavorables. Això està fet segons mètodes heurístics tals com ara la minimització de simetria de la seqüència i la teoria basada en l'apropament de la codificació, o bé utilitzant de manera explícita un aparellament de bases termodinàmic. Els models geomètrics també s'usen per a examinar les estructures terciàries de les nanoestructures i assegurar així que els complexos no estan sobretensionats. Sequence design:
El disseny d'àcid nucleics té un objectiu similar al disseny de proteïnes: en ambdós casos, la seqüència de monòmers és dissenyada per afavorir un plegament desitjat o una estructura associada i per a desafavorir altres estructures. El disseny d'àcids nucleics té l'avantatge de ser un problema de programació molt més simple, ja que la simplicitat del sistema d'aparellament de bases de Watson-Crick comporta a simples mètodes heurístics que produeixen dissenys experimentals robustos. De totes maneres les estructures d'ADN són menys versàtils que les de proteïnes quant a funcionalitat. Sequence design:
Nanotecnologia de l'ADN estructural La nanotecnologia de l'ADN estructural, a vegades abreviada com NAE o bé SDN (de l'anglès: Structural DNA nanotechnology), se centra a sintetitzar i caracteritzar complexos d'àcids nucleics i els seus materials amb diverses estructures a nanoescala. La nanotecnologia de l'ADN estructural està basada en el fet que les estructures tridimensionals d'ADN- l'àcid nucleic de doble hèlix- té una geometria robusta i molt definida que fa que sigui possible preveure i dissenyar estructures de molècules d'ADN més complexes. Moltes d'aquestes estructures han estat creades formant dues i tres dimensions, així com estructures periòdiques, aperiòdiques i discretes.Structural DNA nanotechnology:
Entramats periòdics
miniatura|A l'esquerra, un model d'ADN emprat per construir un entramat periòdic bidimensional. A la dreta, un micrògraf de forces atòmiques de l'entramat acoblat.Other arrays:
Els assemblatges de petits àcids nucleics poden ser dotats d'extrems enganxosos per a combinar-los en una estructura bidimensional de dos entramats periòdics. El primer exemple d'això fou la sèrie del DX o molècula amb doble encreuament. Cada DX pot estar designat amb quatre extrems enganxosos, un a cada final dels dominis de la doble hèlix, i aquests extrems enganxosos poden ser dissenyats amb seqüències que fan que les unitats de DX es combinin segons un patró tessel·lat. D'aquesta manera formen extensions de fulla plana, com a cristalls rígids en dos dimensions d'ADN. DX arrays: DX arrays:
Algunes matrius bidimensionals han estat sintetitzades a partir d'altres patrons com per exemple la matriu de la unió de Holliday en forma de rombeOther arrays: o bé diverses sèries basades en DX que utilitzen l'esquema de la doble cohesió. Other arrays: Other arrays:
La creació d'un entramat de 3 dimensions a partir de l'ADN va ser un dels primers objectius de la nanotecnologia de l'ADN, però ha demostrat ser una de les més difícils de realitzar. No es va poder fer fins a l'any 2009 usant un motiu basat en el concepte de la tensegritat, un equilibri entre la tensió i la compressió de forces. Three-dimensional arrays:
Nanotubs