研究人员描绘了核酸纳米技术的未来

被困在一个由DNA链制成的微型笼子中，这是一种通过癌症患者血液循环的拯救生命的药物分子。只有当链上的受体感觉到它们到达了正确的位置——癌细胞过度产生特定蛋白质或表现出其他异常行为——才会打开笼子，将抗癌药物准确地输送到需要的地方，并留下患者的健康细胞毫发无损。

这是核酸纳米技术(NAN)如何单独使用核酸DNA和RNA的物理和化学特性而不是它们携带的遗传密码的一个例子，它正在彻底改变医学。

但是，如果DNA和RNA的独特特性可以与半导体技术的无数优势相结合呢?例如，研究人员正在通过将微型DNA分子传感器阵列(每个传感器都经过定制以感知不同的分子)连接到硅芯片上来开发人造鼻子。这种生物电子传感器将能够“嗅出”身体或环境中数千种不同的化学物质。

在10月21日在线发表于Nanoscale的一篇文章中，NIST研究人员J.AlexanderLiddle和JacobMajikes回顾了NAN的许多方面，并得出结论认为，该技术最有希望连接生物学和半导体世界。

他们指出，一些研究人员和资助机构预计NAN可能会取代半导体制造的许多方面，并可以与现有技术相媲美，用于存档存储器等用途。一些科学家认为，这些链可以有效地自组装以构建集成电路。

然而，这些努力在经济上根本不可行，Majikes和Liddle断言。在过去的二十年中，半导体行业的进步使得无需NAN即可快速且廉价地制造电路。研究人员强调，尽管NAN提供的有趣可能性激发并吸引了全世界的研究人员，但在预测这种纳米技术的影响时必须考虑经济学。

Majikes和Liddle说，判断NAN未来效用的资助机构还应该考虑到DNA结构中固有的大量缺陷——组装错误。组装缺陷的蛋白质可能占生物体中蛋白质的30%。在身体上，这不是问题。有缺陷的蛋白质被回收，受损的DNA得到修复。但是半导体行业不能容忍超过万亿分之一的缺陷。

Liddle和Majikes指出，高比例的缺陷使得NAN成为使用标准“自下而上”方法(从DNA链开始并构建它们以制造更大、更复杂的设备)制造电子设备的糟糕选择。NIST研究人员预测，相反，NAN最有前途的应用将通过将DNA或RNA链与现有的生物、制药和电子设备相结合而出现。

将NAN与半导体技术相结合，可以生产出可由智能手机监控和控制的生物传感器，并能够以无与伦比的灵敏度检测身体和环境中的化学物质。

NAN提供了这些可能性，因为DNA链很容易以可预测、可控的方式相互结合并与许多其他分子结合。

DNA的多功能性在于它的结构，著名的扭曲梯或双螺旋。糖和磷酸分子的两条长平行链形成梯子的轨道，而梯级由称为碱基的分子对组成。只有四个碱基的排列编码了生命的蓝图，但碱基可以被切换或替换，以创建对各种化学物质具有不同敏感性的结构。

沿着DNA链的碱基和糖保持相互连接，因为它们共享一对或多对电子，这种伙伴关系称为共价键合。通过用化学锚替换单个碱基，通常在链的一端，剩余的DNA结构可以使用共价键连接到连接到金颗粒或半导体器件的分子上。事实上，工业界多年来一直在制造人工DNA链，每条链都经过定制，可以附着在不同的分子组上。

虽然强而硬的双链螺旋是最常见的DNA形式，但它也可以采用松软松散的单链形式。像乐高积木一样组装在一起，单股和双股链可以呈现出各种移动和振动的形状。

这些特征使基于DNA的结构能够与癌细胞或其他目标相匹配，“因为我们可以轻松地设计结构的形状和柔韧性，使其适合我们希望它在蛋白质或纳米颗粒或细胞上的位置，并且还要让它远离我们不希望它去的地方，”Majikes指出。

“我们现在将DNA链视为‘胶水’，可以将许多现有的生物、制药和电子设备和功能结合在一起，”Majikes说。“这些产品将非常多样化，但通常会使药物更智能，并使电子传感器更加细微和分子特异性，”他补充道。“NAN本质上是几乎所有纳米级工具之间的通用连接器，无论它们是蛋白质、纳米颗粒还是电极。”