Công nghệ nano DNA cấu trúc, đôi khi gọi tắt là SDN, tập trung vào việc tổng hợp và phân tích các vật liệu và phức hợp axit nucleic mà sự tổng hợp có một điểm mút ổn định, cân bằng. Cấu trúc xoắn kép của axit nucleic có dạng hình học 3 chiều vững chắc, xác định, cho phép tiên đoán và thiết kế các cấu trúc của những phức hợp axit nucleic phức tạp hơn. Nhiều cấu trúc như vậy đã được tạo ra, bao gồm các cấu trúc 2 và 3 chiều, các cấu trúc tuần hoàn, phi tuần hoàn và gián đoạn.[10]

Các mạng mở rộng

Các phức hợp axit nucleic nhỏ có thể trang bị các đầu "dính" (dễ gắn kết) và hợp lại thành những mạng tuần hoàn 2 chiều lớn hơn chứa những hình dạng lưới nhất định từ những viên gạch phân tử riêng lẻ.[10] Ví dụ sớm nhất về phương thức này sử dụng các phức hợp DX làm các viên gạch cơ bản, mỗi phức hợp DX có 4 đầu dính với trình tự khiến cho các đơn vị DX kết hợp thành các phiến phẳng 2 chiều về cơ bản có thể xem như những tinh thể 2 chiều của DNA.[14][15] Các mảng 2 chiều cũng được tạo ra từ các môtip khác nữa, bao gồm các mạng mối nối Holliday hình thoi,[16] và nhiều mảng dựa trên DX lợi dụng các ý đồ gắn kết kép.[17][18] Hai hình ảnh phía bên phải minh họa ví dụ về mạng tuần hoàn xếp gạch.

Các mảng 2 chiều có thể được thiết kế sao cho mang cấu trúc phi tuần hoàn tuân theo một thuật toán nhất định, thể hiện một dạng của điện toán DNA.[19] Các viên gạch DX có thể có trình tự đầu dính được chọn sao cho chúng đóng vai trò như những viên gạch Wang, cho phép chúng thực hiện tính toán. Người ta đã chứng minh thành công một mảng DX được tổng hợp để làm phép tính XOR; điều này cho phép DNA tạo nên những robot tế bào sinh ra một fractal được gọi là miếng đệm Sierpinski. Hình thứ 3 ở bên phải minh họa dạng mảng này.[20] Một hệ thống khác có chức năng của một mạch đếm nhị phân, biểu diễn sự tăng các số nhị phân khi nó hình thành. Các kết quả này chứng tỏ rằng tính toán có thể thực hiện đưa vào việc tổng hợp các mảng DNA.[21]

Các mảng DX cũng có thể hình thành các ống nano đường kính 4–20 nm, về cơ bản là những mạng 2 chiều uốn cong vào chính nó.[22] Các ống nano DNA này ít nhiều tương tự về kích thước và hình dạng với ống nano carbon (CNT), và trong khi chúng không có tính dẫn điện như CNT, ống nano DNA dễ chỉnh sửa và kết nối với những cấu trúc khác hơn. Một trong số nhiều phương pháp xây dựng nên ống nano DNA sử dụng một mạng các viên gạch DX uốn cong tự cuộn vào mình và khép lại thành một ống.[23] Một phương pháp khác cho phép chu vi có thể được xác định theo một cách đơn giản sử dụng những viên gạch chứa một dải, sự vững chắc của ống là một yếu tố đột hiện.[24]

Sự tạo ra các mạng 3 chiều DNA là mục tiêu từ buổi đầu của công nghệ nano DNA, nhưng lại là một trong những mục tiêu khó thực hiện nhất. Thành công trong việc sử dụng một môtip dựa trên khái niệm về tính toàn vẹn căng (tiếng Anh: tensegrity=tension, sự căng+integrity, toàn vẹn), một sự cân bằng giữa các lực căng và lực kéo, cuối cùng đã thành hiện thực vào năm 2009.[19][25]

Các cấu trúc gián đoạn

Các nhà nghiên cứu đã tổng hợp được một số các phức hợp DNA 3 chiều mà mỗi phức hợp có dạng kết nối của một đa diện, chẳng hạn như các khối lập phương hoặc khối 8 mặt, nghĩa là các DNA kép đi theo các cạnh của một đa giác với các mối nối DNA ở mỗi đỉnh.[26] Những bằng chứng đầu tiên về đa giác DNA tốn rất nhiều công sức, đòi hỏi những bước thắt nối và tổng hợp pha rắn để tạo nên những đa giác nối dây.[27] Những công trình về sau tổng hợp được những đa diện dễ dàng hơn nhiều. Chúng bao gồm một hình 8 mặt DNA tạo từ một dải dài duy nhất gập lại thành cấu hình chính xác,[28] và một tứ diện có thể tạo từ 4 dải DNA trong chỉ một bước, được mô tả trên hình ở đầu bài viết này.[1]

Các cấu trúc nano có hình dạng bất kỳ, không tuần hoàn sử dụng phương pháp origami DNA. Các cấu trúc này bao gồm một dải virus tự nhiên làm "giàn đỡ", gấp thành hình dạng mong muốn bằng những dải "đinh kẹp" ngắn được thiết kế có tính toán. Phương pháp này có những ưu điểm như dễ thiết kế, bởi trình tự chuỗi được xác định trước bởi trình tự chuỗi giàn đỡ, và không đòi hỏi độ tinh khiết cao cũng như cấu tạo thành phần chính xác của dải như những phương pháp khác. Origami DNA trước tiên thành công với các cấu trúc 2 chiều, đã tạo được các hình dạng như mặt cười hay một bản đồ phác họa Tây bán cầu.[26][29] Các cấu trúc rắn 3 chiều có thể chế tạo được bằng cách sử dụng những chuỗi xoắn DNA song song thành dạng tổ ong,[30] và các cấu trúc với mặt 2 chiều có thể gấp lại thành một hình khối 3 chiều rỗng, tương tự như một hộp giấy. Chúng có thể được lập trình để mở và lộ ra hoặc giải phóng một "món hàng" phân tử dưới ảnh hưởng của một kích thích bên ngoài, khiến cho chúng có thể hữu ích trong vai trò những bộ khung phân tử.[31][32]

Tổng hợp theo khuôn mẫu

Các cấu trúc axit nucleic có thể tích hợp các phân tử không phải là axit nucleic, đôi khi được gọi là dị tố (tiếng Anh: heteroelements), bao gồm protein, hạt nano kim loại, chấm lượng tử, và fullerene. Điều này cho phép xây dựng các vật liệu và thiết bị với phạm vi chức năng lớn hơn nhiều nếu chỉ dùng axit nucleic. Mục đích là dùng phép tự tổng hợp của các cấu trúc axit nucleic để làm khuôn mẫu cho việc tổng hợp các hạt nano cấy trên chúng, kiểm soát vị trí và có thể là cả định hướng của chúng.[26][33]Phần nhiều trong những ý đồ như vậy sử dụng một cơ chế gắn cộng hóa trị, bằng các oligonucleotide với nhóm chức amide hoặc thiol như những tay cầm để gắn kết các dị tố. Ý đồ liên kết cộng hóa trị này đã được sử dụng để sắp xếp các hạt nano vàng trên một mảng dựa trên DX,[34]và sắp xếp các phân tử protein streptavidin lên một mảng DX.[35]Một cơ chế cấy cộng hóa trị sử dụng các polyamide Dervan trên một mảng DX đã sắp xếp được các protein streptavidin theo một hình dạng nhất định trên một mảng DX.[36] Các ống nano carbon đã được cấy lên các mảng DNA theo một hình dạng cho phép hệ thống hoạt động như một thiết bị điện tử phân tử, một transistor hiệu ứng trường ống nano carbon.[37] Hơn nữa, có những phương pháp kim loại hóa axit nucleic, trong đó một kim loại thế chỗ axit nucleic mang hình dạng thông thường của cấu trúc axit nucleic ban đầu,[38] cùng những ý đồ sử dụng các cấu trúc nano axit nucleic làm các mặt nạ in thạch bản, chuyển hình dạng của chúng sang một bề mặt rắn.[39]