Bốn dải này gắn kết thành một điểm nối DNA bốn nhánh bới vì cấu trúc này tối đa hóa số lượng cặp bazơ phù hợp, với A khớp với T và C khớp với G.[2][3]Phức hợp siêu phân tử xuyên chéo kép (DX) này bao gồm 5 dải DNA đơn tạo nên hai miền xoắn kép phía trên và phía dưới trong hình. Cáo hai điểm xuyên chéo nơi các dài xuyên từ miền này sang miền kia.[2]

Tính chất của axit nucleic

Công nghệ nano thường được định nghĩa là ngành nghiên cứu các vật liệu và thiết bị với những yếu tố nhỏ hơn 100 nanomet. Cụ thể công nghệ nano DNA là một ví dụ của tự tổng hợp phân tử từ dưới lên (bottom-up), trong đó các thành phần nguyên tử tổ chức thành các cấu trúc bền vững một cách tự phát; dạng cụ thể của những cấu trúc này do các tính chất vật lý và hóa học của các thành phần mà người thiết kế chọn quyết định.[4] Trong công nghệ nano DNA, các vật liệu thành phần là các dải axit nucleic như DNA; các dải này thường được tổng hợp và luôn được sử dụng ngoài môi trường tế bào sống. DNA rất phù hợp cho việc xây dựng cấu trúc nano bởi vì liên kết giữa hai dải axit nucleic phụ thuộc vào các quy luật ghép cặp bazơ đơn giản mà con người đã hiểu rõ, và tạo nên những cấu trúc nano xác định từ cấu trúc xoắn kép. Những tính chất này khiến cho việc tổng hợp cấu trúc axit nucleic dễ dàng kiểm soát thông qua thiết kế chuỗi. Đặc tính này vắng mặt trong các vật liệu khác trong công nghệ nano, bao gồm protein, vốn rất khó thiết kế, và các hạt nano, vốn không có khả năng tự tổng hợp.[5]

Cấu trúc của một phân tử axit nucleic bao gồm một chuỗi các nucleotide phân biệt bởi nucleobazơ mà chúng chứa đựng. Trong DNA, 4 bazơ hiện diện là adenine (A), cytosine (C), guanine (G), và thymine (T). Axit nucleic có một thuộc tính đặc biệt, đó là hai phân tử chỉ liên kết với nhau tạo thành một chuỗi xoắn kép nếu hai chuỗi là bổ sung cho nhau, nghĩa là chúng tạo nên các chuỗi phù hợp theo cặp bazơ, theo nguyên tắc A chỉ liên kết với T, và C chỉ với G.[5][6] Bởi vì sự hình thành các cặp bazơ phù hợp là thuận lợi về mặt nhiệt động (năng lượng tự do của hệ giảm), trong hầu hết mọi trường hợp các dải axit nucleic sẽ liên kết với nhau theo cách tối đa hóa số bazơ ghép cặp phù hợp. Trình tự bazơ trong một hệ các dải do đó sẽ quyết định mô hình liên kết và cấu trúc tổng thể theo một cách có thể kiểm soát dễ dàng. Trong công nghệ nano DNA, trình tự bazơ của các dải được thiết kế theo ý đồ của nhà nghiên cứu sao cho tương tác ghép cặp bazơ khiến cho các dải tổng hợp thành hình thể mong muốn.[3][5] Trong khi DNA là vật liệu chủ yếu được dùng, các cấu trúc bao gồm các axit nucleic khác như RNA và axit peptit nucleic (APN) cũng đã được chế tạo.[7][8]

Các lĩnh vực con

Công nghệ nano DNA đôi khi phân thành hai nhánh nghiên cứu chồng lấn lên nhau: công nghệ nano DNA cấu trúc và công nghệ nano DNA động lực. Công nghệ DNA cấu trúc (tiếng Anh: Structural DNA nanotechnology, đôi khi viết tắt là SDN), tập trung vào việc tổng hợp và phân tích các vật liệu và phức hợp từ axit nucleic tổng hợp nên một trạng thái cuối tĩnh, cân bằng. Trong khi đó, công nghệ nano DNA động lực xét tới các phức hợp với những hành vi trong trạng thái không cân bằng hữu ích như khả tăng tái cấu trúc dựa trên một kích thích vật lý hoặc hóa học. Những phức hợp như vậy, chẳng hạn các thiết bị cơ học nano axit nucleic, kết hợp các đặc điểm của cả hai lĩnh vực con cấu trúc và động lực.[9][10]

Các cấu trúc được kiến tạo bởi công nghệ nano DNA cấu trúc sử dụng các cấu trúc axit nucleic phân nhánh topo chứa các mối nối. (Ngược lại, hầu hết các DNA trong sinh học tồn tại như những chuỗi xoắn kép không phân nhánh.) Một trong những cấu trúc phân nhánh đơn giản nhất là một mối nối bốn nhánh bao gồm 4 dải DNA đơn lẻ, từng phần của chúng bổ sung cho nhau theo một kiểu mẫu nhất định. Không giống như trong mối nối Holliday, mỗi nhánh của mối nối nhân tạo bất động này có một trình tự bazơ khác nhau, khiến cho điểm nối cố định ở một vị trí nhất định. Nhiều mối nối có thể kết hợp vào cùng phức hợp, chẳng hạn như trong môtip xuyên chéo kép (tiếng Anh: double-crossover, DX), bao gồm hai miền xoắn kép song song với những dải riêng lẻ vắt qua giữa các miền ở hai điểm xuyên chéo. Về mặt topo mỗi điểm xuyên chéo tự nó là một mối nối bốn nhánh, nhưng bị giới hạn ở một định hướng duy nhất, trái với mối nối bốn nhánh đơn linh hoạt, cung cấp sự bền chắc khiến cho motip DX thích hợp làm một khối xây dựng nên những phức hợp DNA lớn hơn.[3][5]

Công nghệ nano DNA sử dụng một cơ chế gọi là dịch chuyển dải can thiệp chỗ đứng chân cho phép các phức hợp axit nucleic tái cấu trúc để đạp lại sự thêm vào một dải axit nucleic mới. Trong phản ứng này, dải mới tới liên kết với một miền chỗ đứng chân một dải của một phức hợp hai dải, và sau đó chuyển một trong các dải trong phức hợp ban đầu thông qua một quá trình di chuyển nhánh. Hệ quả chung cục là một trong các dải bị thay thế bởi một dải khác.[9] Ngoài ra, các cấu trúc và thiết bị tự tái cấu trúc có thể chế tạo từ các axit nucleic chức năng như deoxyribozyme và ribozyme, vốn có khả năng thực hiện các phản ứng hóa học, và các aptamer có thể liên kết với những protein đặc biệt hoặc những phân tử nhỏ.[11]