مقدمه:
جست‌وجو درحوزه فناوری نانوساختارهای برپایه DNA می‌تواند براساس توصیفاتی انجام شود که Nadrian seeman در سال ۱۹۸۲ ارائه کرد. ممکن است توالی‌هایی الیگومری از نوکلئیک اسیدها تولید کنیم که در آن‌ها به‌جای این‌که اشکال خطی معمولی ایجاد شوند، اتصالاتی ثابت با اشکال متنوع دیگر ساخته شوند. Seeman می‌خواست پروتئین‌ها را در کریستال‌های سه‌بعدی سازماندهی کند، طوری که قادر شود ساختارهایشان را با کریستالوگرافی اشعه X بررسی کند. سه دهه بعد، این حوزه از حالت پایه‌ای خود در کریستالوگرافی پروتئین بزرگ‌تر شد و پیشرفت‌های متعددی در کنترل مواد با مقیاس نانو پدید آورد (شکل ۱). این تاریخچه و وضعیت فنی در فناوری نانوساختارهای برپایه DNA به‌صورت جامع مرور شده است. در این مقاله به بحث درباره لزوم مطالعه این شاخه و آینده آن خواهیم پرداخت.
تحقیق در حوزه فناوری نانوساختارهای برپایه DNA با تولید ساختارهایی با اتصالات چندشاخه و نیز ساختارهایی با توپولوژی نسبتاً انعطاف‌پذیر شروع شده و در حال پیشرفت به سمت ساخت آجرهای DNA متقاطع با سختی بیشتر است. این کاشی‌ها می‌توانند برای گردهم‌آوردن شبکه‌ها و نانولوله‌های منظم و نامنظم در مراتب بالاتر استفاده شوند. یکی از بزرگ‌ترین پیشرفت‌ها در گردآوری ساختارهای DNA منظم، در سال ۲۰۰۹، توسط Seeman و همکارانش با ایجاد کریستال‌های DNA سه‌بعدی از مثلث‌های متراکم حاصل شد که اشعه X را با تفکیک‌پذیری۴A^o انکسار می‌دهند.
قبل از ارائه کاشی‌های متقاطع، یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌ها در حوزه فناوری نانوساختارهای برپایه DNA استفاده از رشته‌های DNA داربست برای گردهم‌آوردن ساختارهای نامنظم بود. قبلاً نشان داده شده بود که یک زنجیره DNA تک‌رشته بلند می‌تواند برای سازماندهی کاشی‌های متقاطع دوگانه به‌شکل شبکه‌هایی با الگوی رمزمیله‌ای به‌کار برود؛ و این‌که یک زنجیره DNA تک‌رشته۱/۷ Kb می‌تواند به‌عنوان داربستی برای گردهم‌آوردن جسم هشت‌سطحی با چارچوب سیمی سه‌بعدی استفاده شود. پیشرفت غیرمنتظره‌ای که بامفهوم «DNA origami» ایجاد شد آن‌بود که یک رشته داربست بلند (DNA تک‌رشته از ژنوم فاژ M13 به‌طول حدود ۷۴۲۹ نوکلئوتید) با کمک صدها رشته عمود کوتاه به‌صورت اشکال دوبعدی تعریف‌شده درآمد. گمان می‌رود داربست رشته‌های جزئی را طوری احاطه می‌کند که منجر به غلظت‌های موثر بالا و استوکیومتری صحیح شود؛ به‌صورتی‌که حتی الیگونوکلئوتیدهای ناخالص می‌توانند برای تولید ساختارهای دوبعدی که به‌خوبی شکل گرفته‌اند، با بازدهی نزدیک به مقادیر کمی، استفاده شوند. ساختارهای DNA origami همچنین می‌توانند به‌عنوان pegboard مولکولی با تفکیک ۴ تا ۶ نانومتر استفاده شوند و به‌شکل گسترده‌ در گردهم‌آوری عناصر ناهمسان، مانند پروتئین‌ها و ذرات نانو، به‌کار بروند.
سه راهبرد کلی برای توسعه نانوساختارهای DNA origami به بعد سوم مورد بررسی قرار گرفته است. نخستین روش متکی بر تاخوردن اجزای پیوسته یا صفحات DNA origami متوالی به‌صورت قفس‌های سه‌بعدی توخالی است. دومین روش اشکال سه‌بعدی عادی را توسط لایه‌های تحت فشار حلزونی به‌صورت شبکه‌های مربعی یا آرایش‌های شش‌گوشه در می‌آورد. قرارگیری یا حذف هدفمند بازها درون این بلوک‌های سخت و سه‌بعدی اجازه شکل‌گیری اشکال سه‌بعدی منحنی و پیچ‌خورده را می‌دهد. سومین روش تجمع حلقه‌های مارپیچی متحدالمرکز و دوگانه با تعداد متفاوتی از دورها است. در این‌صورت، محیط‌های متفاوتی برای مطابقت‌دادن حدفاصل‌های مدور یک شکل دربردارنده هدف مورد نظر دارند. به این ترتیب، با مهندسی توالی و جهت‌گیری فضایی، می‌توان نانوساختارهای مختلفی برپایه DNA ساخت. از این سازوکار می‌توان برای سازماندهی عناصر مختلف – مانند پروتئین‌ها، لیپیدها، کپسیدهای ویروسی، ذرات نانو، و نانولوله‌های کربن – نیز استفاده کرد. به‌تناوب، چندین گردهم‌آوری جهت‌دهی‌شده با DNA منجر به ویژگی‌های عملکردی بهبودیافته و بی‌نظیری شده است؛ ازجمله: افزایش فعالیت‌های آبشاری آنزیمی به‌علت موقعیت‌های فضایی جفت‌های آنزیمی، و تغییرات رزونانس پلاسمون سطحی کنترل‌شده با آرایش معمولی ذرات نانو ازطریق خودگردآوری به‌واسطه DNA.
اکنون، نزدیک ۳۰ سال بعد از طرح اصلی Seeman، دانشمندان تعداد زیادی طرح و تکنیک در دسترس دارند که می‌تواند به‌شکل فزاینده‌ای سیستم‌های پیچیده را در کاربردهای فناورانه و مهندسی به‌کار بگیرد. با وجود این، فناوری نانوساختارهای برپایه DNA هنوز در مراحل ابتدایی پیشرفت خود است. در این‌جا ما درباره چالش‌هایی بحث می‌کنیم که رسیدن به سطوح بالاتری از کنترل و عملکردی‌بودن مستلزم غلبه بر آن‌هاست.

۱٫ چالش‌های تکنیکی
DNA origami مثال جالبی از قدرت خودگردهم‌آوری استاتیک به‌صورت نمونه‌ای طراحی‌شده برای ایجاد اشکال cookie-cutter معمولی است، اشکالی که هریک حدود ۵ مگادالتون (دوبرابر جرم یک ریبوزوم) جرم دارند. در آینده، طراحی‌های پیچیده‌تر نانوساختارهایDNA چگونه انجام خواهد شد؟ جالب است بدانیم که دو سال یک‌بار، تعداد ترانزیستورها در هر مدار مجتمع دوبرابر شده است. این میزان در چهار دهه گذشته، بین سال‌های ۱۹۷۱ تا ۲۰۱۱، تا یک میلیون مرتبه افزایش یافته است. چنین افزایشی در پیچیدگی معادل تفاوت یک تلفن هوشمند مدرن و یک ماشین حساب جیبی ساده است؛ اگر بخواهیم از زیست‌شناسی نمونه بیاوریم، این تفاوت معادل تفاوت بین یک سلول و یک کمپلکس مایکرومولکولی منفرد، برای مثال یک ریبوزوم، است. در این‌جا ما رئوس کلی دو مسیری را بیان می‌کنیم که طی دو دهه آینده، سرمایه‌گذاری منابع و تلاش ممکن است رشد بالقوه مشابه را در پیچیدگی نانوساختارهای DNA حفظ کند. دو مانع مهم‌ هزینه بالای DNA سنتزی و میزان خطای بالا در خودگردهم‌آوری است.

۱٫۱٫ سنتز DNA و طراحی توالی
با هزینه‌های عادی، حدود ۱۰ دلار برای هر باز در سنتز الیگونوکلئوتید در مقیاس nmol 25، هزینه مواد برای ساخت یک origami براساس M13 نزدیک به ۷۰۰ دلار است. فرصت فناورانه مهم ظهور و دردسترس بودن تجاری آرایش‌هایی است که با آن مقادیر کوچکی از هر ده هزار توالی الیگونوکلئوتیدی منحصربه‌فرد، با قیمت رایج کمتر از ۰/۰۰۱ در هر باز، فراهم شده است. اگر روش‌های کم‌هزینه و قابل اعتماد برای مضاعف‌سازی آنزیمی، زیرمجموعه‌هایی از رشته‌ها با این آرایش‌ها، توسعه بیابد، احتمال ایجاد نانوساختارهای DNA طراحی‌شده معمولی که یک گیگا دالتون جرم دارند افزایش خواهد یافت (این مورد حدود ۱۰۰ بار از origami برپایه M13 معمول پیچیده‌تر است)؛ باقیمت مواد حدود ۱۰۰۰ دلار.
کاهش زیاد در قیمت مضاعف‌سازی آنزیمی تولید کمیت‌های نانوساختارهای پیچیده DNA را از مقدار گرم به کیلوگرم ممکن می‌سازد؛ این برای بسیاری از کاربردها، و البته نه همه آن‌ها، مهم است. محدودیت معمول DNA origami این است که وابسته به ژنوم۷Kb M13 به‌عنوان منبع اولیه داربست است. برای ایجاد ساختارهای بزرگ‌تر، به‌صورت ایده‌ال، یک مورد می‌تواند با یک داربست منحصربه‌فرد بلندتر، یا به‌صورت متناوب با داربست‌های چندگانه با توالی‌های مجزا، تاخوردگی پیدا کند. به‌هرحال، نامحتمل به‌نظر می‌رسد که M13 توالی بهینه برای تاخوردن مناسب تمام نانوساختارهای DNA ممکن را کد کند. بنابراین، وقتی بخواهیم توالی‌های داربستی منحصربه‌فرد زیادی تولید کنیم، هرکدام که تاخوردن بهینه به‌صورت یک شکل origami خاص، یا حداقل تعداد زیادی از توالی‌های داربستی نوعی مجزا که بتوانند تاخوردگی‌های مستقل در یک محدوده را حمایت کنند، مناسب هستند. توانایی انجام این مورد یک نگرانی است، اما سنتز ژن از آرایش DNA چاپ‌شده ممکن است بار دیگر راه حلی ارائه کند. درنظرگرفتن این مسائل طبیعتاً منجر به این سوال می‌شود که چه قوانینی برای طراحی بهتر سکانس وجود دارد؟ و غفلت معمول ما در این عرصه به این معناست که در آینده، نیازمند کارهای بیشتری در زمینه اثر متقابل بین تئوری و آزمایش هستیم.

۲٫۱٫ گردهم‌آوری با الگو و سلسله‌مراتبی
در DNA origami معمولی از یک مولکول داربست بلند و منفرد به‌عنوان نیمی از ماده استفاده می‌شود. با استفاده از این راه برای ساخت نانوساختارهای DNA گیگادالتونی، نیاز به داربست DNA به تعداد بیش از یک مگا باز است؛ این تعداد باز به‌اندازه طول ژنوم باکتری E.coli است (شکل ۲a بالا). چنین مولکول‌هایDNA بزرگی ازلحاظ مکانیکی شکننده‌اند و برای سنتز مشکل هستند. درعوض، ما می‌توانیم origami عادی را به‌صورت ابرآجرهای DNA بزرگ تصور کنیم که قادرند به‌صورت سلسله‌مراتبی به یکدیگر متصل شوند تا فوق ساختارهای بزرگ‌تری ایجاد کنند. (شکل ۲b پایین). با تغییر طراحی در هر ابرآجر، می‌توان ابرآجرهایی در ابعاد بزرگ‌تر ساخت، به‌گونه‌ای که نسبت جرمی رشته‌های غیرداربستی به رشته‌های داربستی افزایش یابد. برای دستیابی به بازدهی شکل‌گیری موثرتر ساختار نیاز است تا سطوح مشترک ابرآجر به‌طرز مناسبی طراحی شوند. فوق ساختارهای مرتبه بالاتر می‌توانند با استفاده از فوق داربست‌هایی که ابرآجر را سازماندهی می‌کنند بیشتر تقویت شوند. گردهم‌آوری الگوریتمی و همچنین فوق داربستی می‌توانند برای سازماندهی ابرآجر‌های قائم چندگانه با الگویی خاص درون یک ساختار بزرگ‌تر و معین استفاده شوند. همچنین سطوح چاپی حکاکی‌شده می‌توانند درجهت مرتبه گسترده‌تری از الگو برای مجموعه‌ای از ابرآجرها استفاده شوند. ادغام بالا به پایین با راه‌های پایین به بالا به این شیوه توجه صنعت نیمه‌رسانا برای کاربردهای ریزساختی را جلب کرده است.

۳٫۱٫ کنترل در طراحی ساختارهای ظریف‌تر
پیشرفت‌های درازمدت در راستای ساخت نانوساختارهای بزرگ نیازمند شناخت کامل از سینتیک و ترمودینامیک خودگردهم‌آوری درون و بین بلوک‌های ساختمانی DNA است. چالش اصلی نبود ابزارهای کمی برای آنالیز وقوع خطا در نانوساختارهای پیچیدهDNA است. ساختارهای آزمایشی باید طوری طراحی شوندکه اثر خطاهای تاخوردگی کوچک جمع‌شونده را بزرگ‌تر کنند تا اساساً هندسه منحرف‌شده ایجاد کنند (که برای سنجیدن با استفاده از تصویر‌برداری مولکولی یا سایر روش‌های عملیاتی مرتبه بالاتر آسان است.) افزون‌ بر این، کارهای بیشتری برای بررسی جنبه‌های سینتیکی گردهم‌آوری، مانند مرتبه ارتباط رشته‌های عمودی با داربست در DNA origami، نیاز است.
علاوه ‌بر ساخت نانوساختارهای DNA پیچیده‌تر و بزرگ‌تر و کاهش خطای گردهم‌آوری، رسیدن به کنترل ساختاری در مناسب‌ترین سطح ممکن در همه سه بعد هم مهم است. یک نانوساختار DNA قرار گرفته شده در شبکه به‌دقت در مقیاس نانومتری محدود شده است. با وجود این، تنها حلقه‌های پپتیدی خارجی می‌توانند ساختار یک آنتی‌بادی یا یک داربست پروتئینی استوانه‌ای تریوز فسفات ایزومراز را تنظیم کنند. بنابراین، ما می‌توانیم نیروهای خارجی را برای ایجاد ساختار مناسب اشکال نانو DNA استفاده کنیم. به‌علاوه، نمونه‌های قرار گرفته شده در شبکه می‌توانند همراه با هم در جایگاه‌های فعال موضعی رها شوند. درعوض، یک مورد می‌تواند بندها و کاتالیست‌های مشتق از سایر مولکول‌ها (مثلاً، DNA تک‌رشته،RNA تک‌رشته، و پروتئین) را جایگزین کند که در بسیاری از موارد با عملکردی‌شدن شیمیایی جدید تقویت می‌گردد.

۴٫۱٫ مکان‌دهی دقیق عناصر ناهمسان برای عامل‌دارکردن ساختار
توانایی ساخت ماشین‌ها و فعال‌کننده‌های پیشرفته یکی از اهداف تکنیکی مهم در فناوری نانو است. خودسازماندهی نوکلئیک اسیدها به‌تنهایی ظرفیت بالایی برای پیشبرد رفتار فعال یا عملکردی نانوساختارها فراهم می‌کند؛ با وجود این، ارائه عناصر ناهمسان، مانند ذرات نانو و پروتئین‌ها، می‌تواند فناوری نانو DNA را به‌سمت بعد جدیدی از پتانسیل عملکردی جلو ببرد. چالش اصلی درج کارآمد عناصر ناهمسان در ساختار DNA است، به‌خصوص وقتی کنترل دقیق روی جهت‌گیری و موقعیت این عوامل لازم باشد. در یک سمت DNA مشهورترین نقطه شروع دردسترس از لحاظ تجاری الیگونوکلئوتیدهای تغییریافته تیولی یا آمینی هستند که می‌توانند ازطریق واکنش‌دادن با ارتباط‌دهنده‌های متقاطع ناهمسان عملکردی و مناسب از لحاظ زیستی عملکردی متفاوت بیابند.
مانعی که در درج پروتئین‌ها وجود دارد جفت‌شدن الیگونوکلئوتیدها برای موقعیت منحصربه‌فرد روی پروتئین و خالص‌سازی بعدی این کانژوگه است (شکل ۲b). برای تطبیق‌دادن تنوع پروتئین‌های مهمان مورد نظر، احتمالاً نیاز خواهد بود که یک‌سری از روش‌های موثر توسعه یابند. به‌طور فزاینده‌، کنترل دقیق روی جهت‌گیری پروتئین می‌تواند با اتصالات چندگانه به یک نانوساختار DNA، یا با حفره‌های سه‌بعدی که برهم‌کنش‌های استری با ناحیه مهمان دارند، فراهم شود. اگر این چالش حل شود، ممکن است جایگاه فعال آنزیم به‌‌عنوان مثال، برای روبروشدن با خروج حفره مولکولی یا ساختار لوله‌ای برنامه‌ریزی شود.

درج ذرات نانو غیرآلی در داخل نانوساختارها توجه‌های زیادی را به‌سمت خود جلب کرده است. نانوذرات فلزی (مخصوصاً طلا و نقره)، به‌واسطه عملکردی‌بودن ساده خود با الیگونوکلئوتیدها، راهی ایجاد کرده‌اند. برعکس، گزارش‌های خودسازماندهی مقادیر اندک نانوساختارهای DNA نادر است. عملکردی‌بودن مقادیر اندک، باتوجه به پایداری کاهش‌یافته آمیخته‌های با پایه تیولی همراه با ناسازگاری نمک و آب، چندین مشکل پدید می‌آورد. بنابراین، نیاز به راهکارهای نامعمول‌تری وجود دارد. عملکردی‌کردن و سازماندهی ساختارهای DNA با نانولوله‌های کربنی تک‌جداره و همچنین مولکول‌های فولرین در مراحل ابتدایی است و نیاز به توجه در آینده نزدیک دارد. نهایتاً، در فلزی‌کردن DNA – که می‌تواند پتانسیل‌های بالایی جهت ساخت مواد با مقیاس نانو برای الکترونیک و فوتونیک داشته باشد – تکنیک‌های عادی، اجازه سنتز سیم‌های همگن را نمی‌دهند؛ اگرچه پیچیدگی ساختارهای فلزی به‌صورت فزاینده‌ای در طول سال‌ها ایجاد شده است.

۵٫۱٫ خودگردهم‌آوری فعال
فناوری نانو DNA ساختاری ممکن است به‌اشتباه به‌صورت ثابت درنظر گرفته شود و این به‌رغم پیشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای است که در ایجاد ساختارهای نهایی داشته است. اما تصوری غلط ایجاد می‌شود اگر یک مورد تنها برای تصویری فوری و مسدودشده از اسکلت سلولی به‌صورت چارچوبی دائمی که شکل سلولی و درستی ساختاری را تقویت می‌کند مطرح باشد. درحقیقت، عناصر اسکلت سلولی، در سلولی که بازآرایی‌های پیوسته را متحمل می‌شود، با فعالیت بسیاری از پیچیده‌ترین موتورهای مولکولی در طبیعت میانجی‌گری می‌شود. این گردش خارج از تعادل، رفتارهای سلولی قابل توجهی مانند فراکوچ نوتروفیل‌ها – جایی که این لکوسیت‌ها شکل‌یافته و با فشار راه‌شان را ازطریق شکاف کوچکی در لایه سلولی اپیتلیال پوشاننده رگ خونی می‌یابند – را در زمینه قرار می‌دهد. هدف توسعه ابزارهایی بر پایه DNA است که مانند خودسازماندهی فعال درون‌سلولی عمل می‌کند. تحقیقات درزمینه برنامه‌ریزی نانوساختارهای برپایه DNA در طول یک دهه فعال بوده است. پیشرفت مهم در این عرصه کنترل سینتیکی توسط واکنش زنجیره‌ای هیبریداسیون مرحله‌ای روی خودسازماندهی است.
به‌عنوان مثال، انبر DNA را درنظر می‌گیریم؛ در این‌جا یک رشته آغازگر باعث بازشدن نانوساختار انبرشکل برپایه DNA می‌شود؛ به‌موجب آن یک انتهای آزاد ایجاد می‌شود که می‌تواند برای بازکردن ساختارهای سنجاق‌سری بعدی عمل کند. این رفتار خودبه‌خودی پیش می‌رود و با افزایشی سرتاسری در جفت‌شدن بازی بعد از هر مرحله تقویت می‌شود. طرحی مشابه برای ایجاد پلیمرها، که با اضافه‌کردن در سطح مشترک با یک کاتالیست رشد می‌کند، تصور شده است. این مطالعه توسط نیروی محرکه براساس پلیمریزاسیون اکتین Listeria درون سیتوپلاسم القا شده است. در حال حاضر، ابزارهای با پایه DNA پیچیدگی کمتری دارند، قوی‌تر هستند، و مرتبه بزرگی آن‌ها نسبت به انواع طبیعی خود کمتر است. بنابراین، تقاضای زیادی برای ابزارهایی وجود دارد که باهدف عمل‌کردن در بازدهی و سرعت بالا طراحی شده‌اند.
یک امکان دیگر، بررسی سایر منابع انرژی ازجمله، هیدرولیز ATP یا جذب فوتون است که طبیعت با موفقیت از آن‌ها برای ایجاد ماشین‌های سریع بهره گرفته است. دیگر هدف پرطرف‌دار Walkerهای مولکولی هستند. نشان داده شده که Walkerهای برپایه DNA با خودمختاری در طول مسیر پیش می‌روند، بار حمل می‌کنند، و به‌صورت خطوط گردهم‌آوری عمل می‌کنند. همان‌طور که اشاره شد، برای سرعت و قدرت بالاتر پیشرفت‌های بیشتری نیاز خواهد بود. مسیرهای آینده تحقیقات شامل برنامه‌ریزی جهت‌دهی‌شده در سیستم‌های چندمسیره خواهد بود یا شامل القاکردن تغییرات وضعیت که Walker را به‌صورت real-time در طول مسیر انتخاب‌شده پیش ببرد (شکل۲c ).
DNA walkerها می‌توانند در گردهم‌آوری سایر ساختارها توسط مسیر واکنش فعال‌شده با ‌شناسایی، برنامه‌ریزی و استفاده شوند. احتمالاً احاطه بر ارتباط بین Walkerهای چندگانه درجهت قابلیت‌های پربار و موثر نقشی مهم خواهد داشت.

۶٫۱٫ طراحی و خودسازماندهی درون بدن
ارتباط زیاد با بسیاری از زیست‌شناسان سلولی، سازگاری زیستی نانوساختارهای DNA و پتانسیل آن‌ها برای عمل‌کردن در سلول‌ها را نشان داده است. این سئوال که «آیا چنین نانوساختارهایی می‌توانند از لحاظ ژنتیکی برای بیان گردهم‌آوری درون سلولی کد شوند؟» سئوالی رایج است. نشان داده شده نانوساختارهای DNA که به صورت تک‌رشته‌های بلند کد می‌شوند، با درنظر گرفتن مزیت‌های موتیف متقاطع پارانمیک، می‌توانند با پلیمرازها در بیرون بدن یا در درون بدن مضاعف شوند. مساله‌ای که باقی ‌مانده است این است‌ که به‌صورت فزاینده‌ای نانوساختارهای DNA پیچیده می‌توانند به‌شکل کارآمد درون یک سلول تاخوردگی پیداکنند. پیدایش حوزه فناوری نانو RNA ممکن است از این لحاظ بیش‌تر نویدبخش‌باشد، چون RNA به‌راحتی به‌صورت تک‌رشته درون سلول‌ها نسخه‌برداری شده که می‌تواند مستقیماً به‌شکل نانوساختارهای برنامه‌ریزی شده تاخوردگی پیدا کند.
DNA همچنین می‌تواند در سلول‌ها به‌شکل تک‌رشته‌ای باشد – با استفاده از روش‌های براساس نسخه‌برداری معکوس یا حلقه چرخان، – اگرچه کمتر معمول است؛ حتی با این‌که قوانین کمی برای طراحی قابل اعتماد نانوساختارهای RNA شناخته شده است. کار جدید Aldaye و همکارانش گام مهمی در مهندسی مولکول‌هایRNA برای گردهم‌آوری به‌شکل ساختارهای مجزای یک‌بعد و دوبعد در درون تنی محسوب می‌شود. مهم‌تر این‌که فناوری نانو بر پایه DNA و RNA قابلیت همکاری زیادی دارند، جایی که قابلیت پیشگویی تاخوردگی DNA می‌تواند با تنوع عملکردی RNA همراه شود.
ساختارهای DNA origami پایداری شگفت‌انگیزی در بقایای سلولی و دربرابر هضم به‌وسیله‌نوکلئازهای خالص‌شده نشان می‌دهند. این به این معناست که فناوری نانو DNA ساختاری بیشتر به‌واسطه توانایی گردهم‌آوری نانوساختارها در درون تنی محدود شده و کمتر به‌علت فقدان پایداری است. به‌هرحال، سیستم‌های بیولوژیکی می‌توانند برای انتخاب ساختارهای سازگار زیستی یا فعال استفاده شوند (شکل دوبعد). تنها با آپتامرهایی برپایه DNA ممکن است که جمعیتی از ساختارها با قطعات متغیر برای انتخاب پایین‌دستی برطبق عملکرد موردنظر یا حتی ساختار سرتاسری ایجاد کنیم. بی‌شک پیشبرد روش‌هایی برای تکامل ساختارهای DNA تک‌رشته موضوعی است که ارزش دنبال‌کردن دارد. Liu و همکارانش به‌تازگی تکنیک تکامل مداومی را با کمک فاژ گزارش کرده‌اند که می‌تواند تکامل مولکول‌های کدشده با ژن را با تولید پروتئین در E.coli مرتبط کند. تطابق این تکنیک نقطه شروع خوبی برای تکامل نانوساختارهای DNA به‌سمت ایجاد ساختارهای سازگار و فعال زیستی است.

۲٫ کاربردهای آینده فناوری نانو DNA ساختاری
در این‌جا ما چند کاربرد نانوساختارهای DNA که به‌شکل فزاینده‌ای عملی و امکان‌پذیر شده است و نیز رفع موانع تکنیکی، که قبلاً به آن‌ها اشاره شد، را بازگو می‌کنیم.

۱٫۲٫ بیوفیزیک سلولی و مولکولی
هدف اصلی Seeman از جادادن پروتئین‌های مهمان در کریستال‌های DNA طراحی‌شده برای تعیین ساختار با تفکیک بالا ازطریق انکسار اشعه X همچنان هدف مهمی است. انتظار می‌رود فناوری نانو DNA برای تعیین ساختار ماکرومولکولی در سایر روش‌ها نیز سهیم شود. کریستال‌های نانولولهDNA مایع و مقاوم به دترجنت امکان مطالعات NMR پروتئین‌های غشا را، که به‌صورت ضعیفی هم‌تراز شده‌اند، فراهم می‌کند. ارزش این ابزار در تعیین ساختار جدید NMR و de novo پروتئین UCP2 یک پروتئین ۳۳ KDa آلفا هلیکس ترانس ممبرین غشای داخلی میتوکندری ثابت شده است. می‌توانیم انتظار داشته باشیم در دهه آینده، ساختارهای NMR بیشتری از اندازه کوچک تا متوسط پروتئین‌های غشایی آلفا هلیکسی به‌شیوه‌ای مشابه حل شود. جادادن ماکرومولکول‌های هم‌ترازشده به‌صورت ضعیف با تراکم بالا درون منافذ کریستال DNA دوبعدی احتمالاً در شتاب‌بخشیدن به جمع‌آوری اطلاعات با میکروسکوپ Cryoelectron، مفید خواهد بود. نانوساختارهای DNA برای ایجاد اثری روی مطالعاتی در بیوفیزیک مولکول‌های منفرد، هم به‌عنوان کمکی برای تصویر‌برداری و هم به‌عنوان ابزارهایی برای تحت فشار قراردادن همزمان ماکرومولکول‌های چندگانه، مطرح شده‌اند (شکل ۳).
مولکول‌های جاداده‌شده در چارچوب DNA توسط میکروسکوپ روبشی سریع نیروی اتمی تصویر‌برداری شده‌اند تا امکان مشاهده real-time شکل‌گیری G-quadruplex و متیلاسیون DNA کاتالیزشده با آنزیم فراهم شود. راهبرد‌های مشابه می‌تواند برای مطالعه هر پروتئینی با یک دومین متصل‌شونده به DNA) برای مثال، یک کانژوگه DNA – پروتئین) کارساز باشد.

۲٫۲٫ سیستم‌های تقلید‌کننده زیستی
Feynman جمله مشهوری روی تخته سیاه نوشت: «چیزی را که نمی‌توانم ایجاد کنم، نمی‌توانم بفهمم.» سیستم‌های تقلید‌کننده زیستی می‌توانند به‌عنوان مدل‌هایی ساده برای سیستم‌های پیچیده‌تر و همچنین به‌عنوان پایه‌ای برای انگیزش پیشبردن مواد و ابزارهای مفید به‌کار گرفته شوند. چالش درازمدت حوزه نانوساختارهای DNA تولید سلولی مصنوعی است، طوری که بسیاری از رفتارهای عملکردی توسط DNA فراهم شود (شکل ۴). این هدف بزرگ در آینده نزدیک محقق نخواهد شد، اما تقلید ماشین‌های ماکرومولکولی طبیعی گوناگون اهدافی انعطاف‌پذیر در کوتاه‌مدت ایجاد می‌کند. یک ایده جالب جفت‌کردن نانوساختارهای DNA با ATPaseهایی برپایه پروتئین به‌منظور عملکرد سریع‌تر نسبت به سیستم‌هایی است که فقط DNA دارند. نانوساختارهای DNA می‌توانند به‌صورت نانومنافذ تحریک‌شده زیستی طراحی شوند و عملکردی‌شدن الیگونوکلئوتیدها با مولکول‌های هیدروفوب ممکن است امکان همکاری و یکی‌کردن چنین ساختارهایی را در لیپید دولایه ایجاد کند. شکل و قطر نانومنافذ می‌تواند آستانه‌ای برای انتشار ماکرومولکول‌ها تعیین کند. چنین نانومنافذی ممکن است پیشرفت‌هایی ماورای حالت رایج معماری توالی‌های DNA براساس نانومنافذ ایجاد کند. در آینده‌ دور، ساختارهای هیبریدDNA-ATPase و نانومنافذ می‌توانند برای ایجاد کانال‌های مصنوعی جهت انتقال فعال ترکیب شوند.

۳٫۲٫ سیستم‌های انتقال انرژی و سیستم‌های نوری
فتوسنتز، اساس حیات روی زمین، توانایی قابل ملاحظه‌ای در تبدیل‌ انرژی خورشیدی به انرژی شیمیایی دارد و شیمیدانان را درزمینه طراحی سیستم‌های مصنوعی که هرجنبه از کارشان را تقلید می‌کنند، هدایت می‌کند؛ به‌خصوص، شیمی فوق مولکولی در طراحی برداشت نور، انتقال انرژی، و کمپلکس‌های جداسازی بار مصنوعی بسیار سهیم شده است. مانع اصلی در روش‌های قدیمی نیاز به تلاش‌های سنتزی آلی و گسترده است که با دو چالش عمده همراه می‌شود: ساختارهای کوچک با ۲ تا ۵ واحد عملکردی و کنترل فضایی در سطح انگستروم، یا ساختارهای بلندتر با واحدهای تکراری بیشتر اما کاهش کنترل روی اندازه و شکل سرتاسری. خودسازماندهی با رویکرد پایین به بالا در مورد فوق ساختارهای آلی از عهده کنترل فضایی در سطح آنگستروم برمی‌آید و نانوساختارهای DNA می‌توانند، به‌عنوان وجه مشترک بین ماهیت‌های مولکولی در فراهم‌کردن اتصالات دقیق با مقیاس نانو برای متصل‌شدن ماهیت‌های مولکولی متفاوت، استفاده شوند. برای مثال، کمپلکس‌های جاذب نور می‌توانند در یک ارتباط نزدیک با واحدهای انتقال بار به‌شیوه مدولی با استفاده از DNA به‌عنوان pegboardهای مولکولی قرار بگیرند. این مورد ممکن است راه تازه‌ای برای ساخت سیستم‌های «Artificial leaf» ایجاد کند (شکل ۵)
اغلب سیستم‌های نامحلول آبی می‌توانند با پروتئین‌ها یا سایر مولکول‌های زیستی پهلو به پهلو قرار بگیرند. علاوه‌ بر این، بالابردن دانش عملکردی‌کردن ذرات نانو با الیگونوکلئوتیدها استفاده از نانوساختارهای DNA را به‌عنوان مادربرد برای کاربردهای بالقوه میسر می‌سازد. توانایی DNA برای انتقال بار در فاصله‌های قابل توجه در طول بازهایش – پیامدی از اکسیداسیون – فرایندی است که می‌تواند صحت رشته و حتی ساختار آن را به مخاطره بیاندازد. بنابراین، DNA دورشته و DNA origami به‌عنوان داربست‌هایی برای سیم‌های فوتونی براساس رنگ استفاده می‌شوند، جایی که انرژی به شیوه‌ای خطی در طول ده‌ها نانومتر انتقال می‌یابد. نانوساختارهای DNA ذاتاً سخت‌تر از DNA دورشته هستند و می‌توانند برای ساخت سیم‌های فوتونی بلندتری استفاده شوند. به‌علاوه، آرایش‌های فضایی در دو و سه بعد منحصربه‌فرد آن امکان ساخت مسیرهای منشعب را برای انتقال انرژی فراهم می‌کند. ترکیب نانوساختارهای پلاسمونیک، نیمه‌رساناها، و پروتئین‌ها در شبکه‌های پیچیده منجر به مفهوم مدارهای مولکولی شده است؛ فوتون‌ها و پتانسیل‌های الکتریکی و شیمیایی می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند. بردهای برپایه DNA می‌توانند با ادغام رویکردهای ساخت بالا به پایین و پایین به بالا به‌منظور سازماندهی شیمیایی نانوسیم‌های غیرآلی سنتزی نیز به‌کار روند.

۴٫۲٫ موارد تشخیصی و درمانی در سلامتی انسان
جذاب‌ترین جنبه فناوری نانو DNA نانوناقل‌های حامل دارو برای مبارزه با بیماری است. برای درک حالت آزمایشی این مفهوم، یک جعبه خالی براساس DNA همراه با یک درپوش را در نظر بگیرید که می‌تواند با یک جایگزینی رشته‌ای با کلید الیگونوکلئوتیدی خاصی باز شود. دلالت آن نانوجعبه‌های پاسخ‌دهنده است که می‌توانند برای تحویل محتوای سمی خود به‌شیوه‌ای خاص برنامه‌ریزی و به‌موجب آن، باعث ماکزیمم‌کردن توانایی شوند، درحالی‌که اثرات جانبی کم شده است. درواقع، تحویل موثر دارو از طریق اجرای سیستمیک مسئله‌ای بسیار پیچیده باقی ‌مانده است. دلیل این امر موانع چندگانه‌ای است که باید قبل از این‌که نانوذرات بتوانند با آزادشدن اختصاصی محتوا در هدف مولکولی موردنظر همراه شوند، برآن‌ها غلبه کرد. نیاز ذرات نانو اجتناب از پاکسازی توسط ماکروفاژها در کبد و طحال است که به‌شکل کارآمدی در منطقه هدف به بافت نفوذ می‌کنند.
در بسیاری از بیماری‌ها عروق نشتی می‌توانند به‌صورت غیرفعال و به‌سادگی با نانوذرات، به‌علت کوچکی‌شان، هدف‌گیری شوند؛ اما در باقی موارد، نفوذ فعال ازطریق لایه اندوتلیالی رگ‌های خونی مورد نیاز است، حتی برای تومورهای سخت که ذرات نانو می‌توانند به‌صورت غیرفعال همراه با نفوذ افزایش‌یافته تجمع پیدا کنند و انتشار در محیط ماورای پیرامون توده توموری می‌تواند محدود شود. حتی اگر ذرات نانو به بافت بیمار برسند، به روشی قوی برای نفوذ به غشای پلاسمایی اهداف سلولی احتیاج است. جذب نانوذرات توسط اندوسیتوز یا پینوسیتوز کافی نیست، چون این بخش‌ها معادل‌های توپولوژیکی خارج از سلول‌ها هستند.

چگونه نانوذرات باپایه DNA می‌توانند به غلبه بر این هزاران مانع کمک کنند؟ نانوساختارهای DNA می‌توانند کنترل قابل‌توجهی روی شکل، اندازه، انعطاف‌پذیری مکانیکی، و تغییرات سطحی آنیزوتروپیک داشته باشند. واضح است که کنترل درست این جنبه‌ها می‌تواند زمان‌های انتشار را به‌واسطه بزرگی‌شان افزایش دهد. آن‌ها می‌توانند به‌صورت ذرات طولانی‌مدت درگردش، مانند اریتروسیت‌ها و ذرات پاتوژنی گوناگون که برای غلبه براین مساله تکامل یافته‌اند، دیده شوند. دانش فعلی ما درباره دستورالعمل درست زمان انتشار طولانی اندک است. بنابراین، بررسی در این حوزه مهم است.
نمایش سطحی لیگاندهای مناسب می‌تواند هدف‌گیری و عبور ازطریق موانع اندوتلیالی برای بافت‌های بیمار را میانجی‌گری کند. همچنین می‌تواند جذب سلولی را در اهداف موردنظر افزایش دهد. تقلید راهبرد‌های ویروسی برای فرار از بخش‌های اندوزومی به سیتوپلاسم می‌تواند ازطریق کنترل اضافی روی عملکردی‌شدن سطحی که با نانوساختارهای DNA ایجاد شده هدایت شود. سطوح نانوساختارهای DNA کاملاً قابل جهت‌دهی است و اجازه یکی‌کردن لیگاندهای چندگانه، نشانه‌هایی برای تصویربرداری زیستی، و آنتی بادی‌ها و هورمون‌ها را می‌دهد. بنابراین، ممکن است برای تحویل و آزادسازی دارو، به‌شکل اختصاصی و موثر، به‌کار گرفته شود.
پیشرفت در محاسبات DNA ممکن است سیستم‌هایی تولید کند که آشکارسازی همزمان مارکرهای چندگانه سرطانی را در سلول‌های بیمار، برخلاف سلول‌های سالم، باشیوه‌ای برنامه‌ریزی شده قابل محاسبه کند. در کنترل و تعدیل آزادسازی محتوا افزایش اختصاصی‌بودن هدف‌گیری بافتی اجازه استفاده از داروهای قوی‌تری را می‌دهد، امری که به‌عبارتی مسئله گیج‌کننده سمیت را ایجاد می‌کند. هرچند چندین ماده برای تحویل هوشمندانه دارو و تصویربرداری زیستی گزارش شده است (ازجمله، لیپوزوم‌ها، پلیمرها، میسل‌ها، ذرات نانو، و آنتی‌بادی‌ها)، اما هیچ‌یک از آن‌ها سطح طراحی مدولی که توسط فناوری نانو DNA ایجادشده را ارائه نمی‌دهند. مثلاً، جعبه DNA می‌تواند برای ایجاد خوشه‌ای از ساختارهای نانو، هریک با داروی مختص‌شان و با مجموعه برنامه‌ریزی‌شده ورودی برای آزادسازی دارو، گسترش یابد (شکل ۶). این واحدهای مولکولی محاسبه‌شده و تحریک‌شده به‌صورت سنس می‌توانند نهایتاً بلوک‌های ساختمانی پیش‌ساز برای ایجاد سیستم‌های ایمنی مصنوعی باشند.
اصول کلی مدارهای مولکولی DNA می‌تواند در چنین سیستم‌هایی به‌کار گرفته شود تا ورودی‌های محیط فیزیولوژیکی و تغییرات حالت خروجی محاسبه شود، امری که منجر به آزادسازی دارو به‌صورت مجموعه‌ای از واکنش‌های آبشاری می‌گردد. اخیراً یک سیستم واکنش زنجیره‌ای هیبریداسیون از سلول‌های سرطانی گزارش شده که با یک مبدل RNA ترانس فکت شده بتواند مارکرهای سرطانی خاصی را شناسایی و مرگ سلولی باواسطه PKR را القا کند.
تطابق مجموعه‌ای از ساختارهای دینامیکی (موتیف‌های انبری DNA ،DNAzyme، جابه‌جاشدگی رشته‌ای به‌واسطه آنتروپی) برای ایجاد مدارهای مولکولی برپایه DNA، به‌منظور تشخیص point-of-care، چالشی هیجان‌انگیز است. نانوفناوری برپایه DNA، وقتی با مهندسی پروتئین ترکیب شود، می‌تواند در تولید دسته‌های جدیدی از ماتریکس‌های خارج سلولی مصنوعی استفاده شود. به‌تازگی، نشان داده شده که داربست‌های سلولی ex vivo محکم به سلول‌های سرطانی رحم انسان چسبیده‌اند و سلول‌ها بقا یافته و بامیزان مهاجرت بالا رشد کرده‌اند. استفاده از DNA در ماتریکس‌هایی براساس DNA /پروتئین این ساختارها را به‌طور ذاتی برای تنظیم‌پذیری ساختاری انعطاف‌پذیر ساخته است. تحقیقات بیشتر در این زمینه DNA را به ماده زیستی نویدبخشی در مهندسی بافت بدل خواهد کرد.

۳٫ آینده درخشان فناوری نانوساختارهای برپایه DNA
ما به چالش‌های اصلی که در مسیر پیشرفت حوزه فناوری نانوساختارهای برپایه DNA قرار دارد اشاره کردیم. چند مسیر بالقوه را هم برای رویارویی با مراحل مهم پیشنهاد نمودیم. طبیعت رفتارهای پیچیده و ماهرانه‌ای با مقیاس نانو را طی میلیون‌ها سال تکامل سلولی، توسعه داده است. برای دستیابی به پیشرفت‌های بیشتر و رسیدن به اهداف در چند دهه، تلاش و پیگیری مستمر تحقیقات لازم است. اجازه دهید امیدوار باشیم طی مسیر پیشرفت، دستاوردهای فناوری نانوساختارهای برپایه DNA توسط محققان سایررشته‌ها – که با راه‌ها، مهارت‌ها و تکنیک‌های جدید در تحقیقات سهیم خواهندشد – استفاده شود.
اکنون، فناوری نانوساختارهای برپایه DNA، به‌درستی، به یک حوزه تحقیقاتی بین‌رشته‌ای بدل شده است. محققان شیمی، علوم مواد، علوم کامپیوتر، زیست‌شناسی، و فیزیک، همراه باهم، می‌توانند از عهده این مسائل برآیند. از آن‌جا که این رشته‌ها به‌سرعت درحال پیشرفت هستند، باور داریم جهت‌های جدید القایی، فراتر از محدودیت‌هایی که دراینجا توصیف کردیم، ظهور خواهند کرد