By discovering new ways to manipulate matter at the atomic and molecular levels, advances in nanotechnology are paving the way for innovations in medicine, electronics, materials science and environmental remediation, among many other areas.
通过发现在原子和分子水平操纵物质的新方法，纳米技术的进步为医学、电子、材料科学和环境修复等许多领域的创新铺平了道路
这一领域的一个重要专业——也是奥尔巴尼大学RNA研究所的一个标志性研究领域——是DNA纳米技术，其中包含DNA分子的碱基对被操纵以构建不同形状的微小结构，可用于药物输送、医学诊断甚至数据存储等应用
RNA研究所的研究人员，包括博士后研究员Bharath Raj Madhanagopal和高级研究科学家Arun Richard Chandrasekaran，以及UAlbany的一组合作者，共同撰写了一项新研究，探索了一种称为“转向DNA”的DNA纳米结构的独特性质，这可能对自然界中的DNA折叠产生影响，并可用于设计具有生物医学应用的新型纳米结构
他们的发现发表在《自然通讯》上
在这里，Madhanagopal和Chandrasekaran分享了他们对该领域基本原理的见解，以及DNA纳米技术新发现的进展
什么是DNA纳米结构，为什么它们很重要许多人知道DNA是储存遗传信息的分子，这些信息代代相传。DNA的化学性质使其成为存储遗传信息的优秀分子，也使其成为有用的建筑材料，尤其是在制造小至几纳米的微小物体时
DNA中四个核碱基的序列——腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶——是固有可编程的。这是因为腺嘌呤总是与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤总是与胞嘧啶配对。这些可靠的碱基配对模式使我们能够设计出特定的DNA链，这些DNA链像乐高积木一样结合在一起形成纳米结构
通过使用DNA构建纳米结构，我们可以实现结构尺寸的极高精度。我们还可以制作各种形状和复杂架构的对象，这些功能是使用其他技术不容易实现的。DNA纳米结构目前正在开发中，用于药物输送、诊断和数据存储等应用
什么是“反向DNA”正如我们使用砖块建造建筑一样，我们使用称为“图案”和由DNA制成的“瓷砖”的纳米级积木，在DNA纳米技术中创建精细的结构。就像砖块可以有不同的形状和大小一样，图案和瓷砖也是如此。创造这些结构基序并了解它们的性质是DNA纳米技术研究的基础
“Switchback DNA”是DNA纳米技术领域的创始人Nadrian Seeman设计的最早的DNA基序之一。我们想探索它奇特的结构特征将如何在纳米结构中表现出来。通过研究转向DNA的特性，我们相信我们可以创造出具有奇特特性的更加多样化的基于DNA的纳米物体 是什么让折返DNA独一无二折返DNA只有两条链，因此可以直接与大家熟悉的DNA的双螺旋结构进行比较。在转向DNA中，两条链有类似于正常DNA的部分，称为半转弯，但它们的排列方式使转向DNA独一无二
通常，DNA是一个在整个分子中具有右旋螺旋意义的双螺旋结构。在反向DNA中，右手半圈的排列方式使分子作为一个整体是左手双螺旋。这是因为如果你沿着螺旋追踪DNA的骨架，你会发现每半圈后，DNA链都会折叠回去。这些差异如下图所示
我们发现，转向DNA的独特结构会影响其在生物医学应用中的潜在作用的重要特性，如结构稳定性、对酶的易感性和免疫原性，例如，这些特性会影响纳米结构有效地将药物输送到特定组织的能力。了解这些属性，并弄清楚哪些属性可以控制以及如何控制它们，是至关重要的
通过更好地理解反向DNA，该领域将获得什么这项研究的结果将帮助制造DNA纳米结构的研究人员使用转向DNA构建块来改进他们的设计
例如，我们现在知道一种名为“DNase I”的常见酶不会像降解传统B-DNA（通常存在于生物体中的DNA）那样快速降解转向DNA。如果我们想使用DNA纳米结构将药物运送到体内的组织，我们不希望酶在到达目标组织之前分解纳米结构
如果发生这种情况，药物将无效。我们现在可以考虑引入转向DNA来帮助缓解这一挑战，这是该领域的一个常见障碍
我们还发现，人类基因组中有一些基因序列可能会折叠成折返DNA。我们的研究结果表明，在某些条件下，具有特定重复模式的DNA可以形成折返DNA。这些序列在动物和植物的染色体中很普遍，可以采用我们知之甚少的结构形式
令人兴奋的是，在某些条件下，这些序列可以在试管中折叠成折返DNA。这是否会在活细胞中发生还有待观察
由于这些重复序列与强直性肌营养不良和亨廷顿氏病等疾病有关，这一研究途径可能有助于我们更好地了解这类疾病，也可能有助於我们在未来发现这些疾病的新药物靶点
这项工作最大的收获是什么我们对转向DNA的研究表明，我们可以通过将DNA折叠成不同的模式来“调节”DNA的性质，而无需进行化学修饰。了解转向DNA的特性将有助于创建用于生物传感、药物输送、DNA计算和其他应用的DNA设备
我们的研究结果还表明，Watson和Crick在其标志性的DNA结构双螺旋模型中定义的互补规则需要扩展。在Watson和Crick提出的模型中，两股线的方向是相反的。这意味着第一股的一端与第二股的另一端相互作用
在反向DNA中，碱基配对模式是不同的。虽然Watson和Crick定义的互补性规则大多适用于反向DNA，但碱基对的位置不同
最后，我们关于重复序列可以形成折返DNA结构的假设，为这种非传统DNA结构的生物学发生开辟了有趣的讨论和未来的研究