2003年是詹姆斯·D·沃森和弗朗西斯·H·克里克發現DNA雙螺旋結構50週年。他們的發現將遺傳學歸結為化學，併為接下來半個世紀的生物學奠定了基礎。今天，成千上萬的研究人員正致力於破解基因控制生物體發育和功能的各種方式。所有這些基因都寫在DNA這種介質中。
然而，這種非凡的分子除了在生物化學中的用途外，還有其他用途。透過採用現代生物技術，我們可以製造具有任意選擇的構建塊序列的長DNA分子。這種能力為生命進化時自然界沒有采取的新途徑打開了大門。例如，1994年，南加州大學的倫納德·M·阿德曼演示瞭如何將DNA用作計算裝置。在本文中，我將討論DNA的另一種非生物學用途：構建基本元素和機制尺寸在1到100奈米左右的結構和裝置——一言以蔽之，即奈米技術。
這種結構具有許多潛在的應用。由DNA製成的規則晶格可以以有序排列的方式儲存大型生物分子的副本，用於X射線晶體學測定它們的結構，這是合理設計藥物的重要一步。或者，晶格可以作為奈米電子元件的支架，既可以作為工作裝置，也可以作為裝置製造中的一個步驟。可以構建材料——要麼由DNA製成，要麼由DNA製成——在分子水平上精確設計結構。帶有移動部件的DNA機器可用作奈米機械感測器、開關和鑷子，以及更復雜的機器人功能。
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分支DNA
奈米尺度是分子的尺度。兩個原子之間的典型鍵長約為0.15奈米。（一奈米是十億分之一米。）DNA的螺旋直徑約為2奈米，每隔3.5奈米左右旋轉一週，大約是10個鹼基對的距離，鹼基對構成了DNA梯子的橫檔[見第33頁頂部的方框]。一小段DNA與其他化學物質具有高度特異的相互作用，具體取決於其鹼基對序列。人們可以想象使用這些片段來識別特定的分子，或透過充當催化劑來控制材料的成分。多年來，生物學家一直在利用DNA的識別特性，特別是利用基因工程中的粘性末端。當螺旋的一條鏈超出另一條鏈幾個未配對的鹼基時，就會出現粘性末端[見對頁底部的插圖]。粘性是懸垂部分與具有相應順序互補鹼基的匹配鏈結合的傾向——一條鏈上的鹼基腺嘌呤與另一條鏈上的胸腺嘧啶配對，胞嘧啶與鳥嘌呤結合。
乍一看，DNA似乎不會形成有趣的結構。天然存在的DNA形成一條線性鏈，就像一長段細繩，因此人們可以想象用它製造的只是直線或圓圈，也許會以某種方式纏繞或打結。但是，線性鏈不是DNA的唯一形式。在某些細胞過程中，DNA會短暫地以分支分子的形式存在。當DNA複製（為細胞分裂做準備）和重組（當匹配的染色體對之間交換遺傳物質時，如在精子和卵子產生時發生的那樣）期間，就會發生這種分支。
當雙螺旋部分解開成兩條鏈時，就會形成分支。在複製過程中，每條鏈都透過在其整個長度上新增互補的核苷酸而變成新的雙螺旋。（核苷酸是鹼基和螺旋相應骨架部分的組合。）更有趣的是重組中發生的交叉，其中兩條DNA斷裂並部分解開，所得的四條鏈連線起來，有點像兩條高速公路交叉的十字路口。
在重組DNA中，分支點發生在四條鏈中的每一條鏈從一個夥伴切換到另一個夥伴的地方。分支點會移動，因為其側翼的鹼基序列中存在二重對稱性（如數字69的對稱性）。這種對稱性意味著每條鏈都可以與另外兩條鏈中的任意一條配對。1979年，我與華盛頓大學的布魯斯·H·羅賓遜合作描述這種運動的性質時，我認識到缺少這種對稱性的合成DNA分子可以形成分支分子，其分支點不會移動。要設計這樣的連線，需要製作四條DNA鏈。對於每條鏈，一半的序列將與第二條鏈的一半匹配，其餘一半將與第三條鏈的一半匹配。
DNA最喜歡的結構是沃森和克里克確定的傳統雙螺旋結構。一種稱為自由能的量決定了哪種結構是首選。通常，自由能決定了化學反應是向前還是向後進行；它還決定了大型分子（如DNA、RNA和蛋白質）的構象——摺疊和連線。化學系統總是傾向於向具有最低自由能的狀態變化。對於兩條互補的核苷酸鏈，當它們配對形成雙螺旋時，自由能最小。
我們不動連線的四條鏈可以結合在一起，只有透過形成分支分子才能形成最大量的傳統DNA雙螺旋。通常，分支點是不受歡迎的——它會增加分子的自由能——但這種增加被由普通雙螺旋DNA製成的四個臂中節省的更大能量所抵消。今天，合成這些鏈並實現這種穩定的分支DNA分子的想法很簡單，但在1979年，它是最先進的化學技術，而我是一名晶體學家，而不是有機化學家，所以大部分時間我只是思考這個系統。（直到1982年，我才學會如何製作DNA。）
來自埃舍爾的靈感
我發現應該有可能製造具有許多臂的分支DNA連線，而不僅僅是四個臂。有一天，在1980年的秋天，我去了校園酒吧思考六臂連線。出於某種原因，我想到了荷蘭藝術家M.C.埃舍爾的木刻《深度》[見第34頁上的插圖]。我意識到那幅畫中每條魚的中心都像一個理想化的六臂連線分支點的圖片。六個特徵從魚的中心點延伸出來：頭部和尾部、頂部鰭和底部鰭、左鰭和右鰭。魚的組織方式與分子晶體中的分子相同，前後、上下、左右都有規律地重複。我突然想到，如果我使用粘性末端將連線點保持在一起，我就可以像埃舍爾用他的想象力將他的魚群組織在一起一樣，在奈米尺度上組織物質。
我們有幾個充分的理由想要構建這樣的結構。首先，我們的目標是製造由設計的分子連線在一起的宏觀物質片段，這些物質的結構由奈米級精度控制。此過程可能會產生具有新穎特性或新穎特性組合的材料。例如，可以透過構建具有特定重複距離的精確定義的陣列來製造具有設計的光學特性的材料，例如光子晶體。
另一個目標是使用DNA作為支架來將其他分子保持在陣列中，包括那些本身不形成規則晶體結構的分子。透過這種方式，可以透過製造包含大型生物分子（如蛋白質）的DNA籠子來製作用於晶體學實驗的晶體[見下一頁的右圖]。這種籠子將使晶體學家能夠確定所包含分子的三維結構——這是合理設計與目標分子的特定部分精確匹配的藥物的關鍵步驟。（這種晶體學應用是我對該領域最感興趣的原因。）目前，許多可能成為優秀藥物靶點的受體分子不適合傳統的晶體學。類似地，可以將奈米電子元件組織成非常小的儲存裝置，正如羅賓遜和我在1987年提出的那樣。
為什麼要將DNA用於這些目的？主要原因是DNA鏈以最可程式設計和可預測的方式相互作用。長度為N個鹼基的粘性末端具有4N種可能的鹼基序列之一。這種巨大的可變性以及末端僅與緊密匹配的序列鍵合的傾向為設計由大量以完全指定的方式相互連線的DNA鏈組成的分子提供了充足的空間。此外，我們知道當兩個粘性末端結合時會形成經典的螺旋DNA結構，而這些螺旋DNA延伸段相對較硬。因此，我們不僅知道哪些鏈與哪些其他鏈連線，還知道連線段的詳細形狀。自20世紀90年代中期以來，已經可以使用其序列對DNA分支物種的形狀進行程式設計。我們沒有關於蛋白質或抗體的這種具體資訊，它們是工作元件的其他候選者。它們也具有巨大的可變性，但是確定蛋白質將採取什麼形狀以及兩個蛋白質或抗體將如何連線在一起是繁瑣的問題，對於每個例子都必須重新解決。
使用 DNA 的另一個原因是生物技術行業可以輕鬆合成 DNA。我們可以使用多種酶來操作 DNA，例如限制性酶（在特定位點切割 DNA）或連線酶（催化兩個分子透過共價鍵連線——共價鍵是原子之間共享電子對形成的牢固化學鍵）。這些工具可用於製造和操作傳統的 DNA，以及奇異的衍生物，其中摻入了與通常四種不同的鹼基，或者在 DNA 主鏈（DNA 梯子的兩側）外部附著了額外的分子。希望使用核酸（DNA 和 RNA）進行治療的醫學研究人員已經制造了許多這樣的變體。DNA 非常適合製造此類衍生物，因為沿螺旋線的每個核苷酸都有可以附著分子的位點。
最後，正如我們將在下文看到的，可以誘導 DNA 形成與標準雙螺旋不同的結構。我們可以構建奈米機械裝置，當從一種 DNA 結構過渡到另一種結構時，其部件會移動——例如閉合的鑷子或旋轉軸。一個缺點是 DNA 物體必須在水溶液中構建。然而，將最終的結構乾燥（例如在雲母上）來製作我們結果的顯微影像沒有問題。
棍狀模型
任何新的科學研究專案的第一步都是確定專案基本的可行性。1991 年，當時在特拉華大學的陳俊輝（Junghuei Chen）和我透過構建一個由棍子組成的立方體形狀的 DNA 分子來完成這項工作[見下面的插圖]。立方體的每條邊都是一段雙螺旋 DNA；每個角都是一個三臂連線點。每個角連線到其他三個角；據說立方體的連線度為三。基因工程師已經制造了許多線性 DNA 結構，但這是第一個連線度大於二的 DNA 分子。立方體由設計為相互粘附的 DNA 片段自組裝而成，但每個片段的末端不會連線在一起。連線酶可以連線這些自由端，從而形成六個閉合環，立方體的每個面上一個。由於 DNA 的螺旋性質，每個環都圍繞其兩側的環扭曲，因此即使連線鹼基對的所有鍵以某種方式斷裂，立方體也不會散開。
現在在馬里蘭州羅克維爾人類基因組科學公司的張宇文（Yuwen Zhang）和我構建了另一個名為截角八面體的形狀，它類似於立方體，但比立方體更復雜[見第 30 頁的插圖]。雖然三臂連線足以製造單個截角八面體，但我們改用四臂連線來構建它們。我們打算在每個角伸出的額外臂可以用來將截角八面體連線在一起形成更大的結構，但最終我們沒有繼續朝這個方向發展。我們只創造了非常少量的截角八面體——足以表徵它們的結構，但數量太少，無法嘗試將它們連線在一起——即使是這微小的樣本也使我們達到了在不徹底改革我們的程式（例如，透過機器人化重複步驟）的情況下所能達到的極限。相反，我們轉向了更簡單的元件。
改變方向的另一個原因是，我們在此過程中意識到我們構建的棍狀多面體並不剛性。DNA 是一個剛性分子：一段長兩到三圈的 DNA（我們用於多面體邊緣的長度）在其螺旋軸周圍擺動的幅度不會超過長兩到三毫米的煮熟的義大利麵條在其中心軸周圍擺動的幅度。這種不靈活確保了我們棍狀圖形的邊緣是剛性的，但我們瞭解到每個角的角度都非常可變。我們構建的多面體很像用牙籤插入角落的棉花糖形成的結構。這種結構可能有用，但構建規則的晶格不是其中之一。用磚狀元件自組裝有序的、類似晶體的物質比用棉花糖自組裝要容易得多。
為了解決這個問題，我的小組研究了在生物重組系統中發現的另一種分支圖案，即 DNA 雙交叉 (DX) 分子。DX 分子由並排排列的兩個雙螺旋組成，鏈在螺旋之間交叉，將它們連線在一起[參見下一頁的方框]。我們表徵了這個分子並確定它是剛性的。我們還證明了包含另一個小的雙螺旋區域（稱為 DX + J 分子）的 DX 分子非常剛性。這個額外的雙螺旋區域在 DX 分子的頂部建立了一個凸起，它可以用作標記——相當於奈米技術中的一滴油漆。
在與加州理工學院的埃裡克·溫弗裡（Erik Winfree）合作中，我在紐約大學的小組的劉芙蓉（Furong Liu）和麗莎·A·溫茲勒（Lisa A. Wenzler）使用 DX 和 DX + J 分子的組合作為瓦片來製造具有明確模式的二維晶體。瓦片透過每個螺旋上的粘性末端連線在一起。一種排列方式，即 DX 瓦片的列與 DX + J 瓦片的列交替排列，會產生以約 32 奈米分隔的條紋圖案。我們將陣列沉積在平坦的雲母表面上，並用原子力顯微鏡檢查它們，以確認該結構具有正確的尺寸。我們透過製作第二個具有修改過的瓦片的晶體來確定該模式不是偶然的，這些瓦片與每個 DX + J 列連線三個 DX 列，以產生分離距離加倍的條紋。
最近，杜克大學的約翰·H·賴夫（John H. Reifs）小組演示了使用這種模式製成的 DNA 條形碼。在這些平鋪中，條紋的位置被程式設計為以代表數字 01101 的模式出現（與我們的 DX 和 DX + J 類似的分子分別用作 0 和 1）。該模式使用輸入 DNA 鏈進行程式設計，該鏈的序列編碼了 01101 模式。DX 和 DX + J 磚的類似物分別在對應於 0 和 1 的 DNA 鏈部分上自組裝。然後許多這樣的五磚序列並行連線在一起，生成 01101 條紋圖案。這些條紋之間的距離約為 15 奈米。透過使用原子力顯微鏡檢查條紋，可以有效地使用條形碼來讀取編碼在輸入 DNA 鏈上的資料。這種讀取 DNA 序列的視覺化方法可以大大加快基於 DNA 的計算的讀取階段，並且還可以用於繪製突變圖。在最近對長 DNA 鏈的使用進行激動人心的擴充套件中，加州理工學院的保羅·羅特蒙德（Paul Rothemund）使用大約 7,000 個核苷酸的病毒鏈構建了複雜的圖案，包括笑臉和西半球地圖。
現在在普渡大學的毛承德（Chengde Mao）和我用類似於我們棍狀多面體的 DNA 平行四邊形制作了二維圖案。可以連線此單元的副本以形成像兩個維度中的華夫餅一樣延伸的晶體。可以透過更改平行四邊形的尺寸來調整陣列中空腔的尺寸。雖然單個分支連線點是鬆軟的，但在平行四邊形陣列中，將四個分支連線點排列在平行四邊形的角上會產生一個性能良好的單元。
奈米機器
奈米技術的核心是分子尺度的機器。事實證明，DNA 非常適合構建這些機器。我們已經用 DNA 構建了幾種裝置，但在這裡我將重點介紹兩種具有明確結構的裝置。在這兩種情況下，其機制都是基於 DNA 分子的結構轉變——從一種構象（例如通常的雙螺旋）變為另一種構象。
傳統的 DNA 是右手螺旋。想象一下，你走上一個螺旋樓梯，你的左手放在內側欄杆上，你的右手放在外側欄杆上。這樣的樓梯是右手螺旋。傳統的右手 DNA 稱為 B-DNA，是典型水性條件下最有利的能量結構。
雙螺旋 DNA 還可以根據其鹼基序列以及其中浸入的溶液中存在的化學物質而呈現多種不同的結構。其中一種是 Z-DNA，其結構最早於 1979 年由麻省理工學院的亞歷山大·裡奇（Alexander Rich）及其同事表徵[見第 33 頁頂部方框]。Z-DNA 是一種左手 DNA 結構。
通常，要製造 Z-DNA，需要一段交替的胞嘧啶和鳥嘌呤鹼基。DNA 主鏈包括帶負電荷的磷酸基團，這些磷酸基團在 Z-DNA 結構中彼此靠近。只有當磷酸鹽的電荷可以透過含有高濃度鹽或特殊效應物質（例如六氨鈷，Co(NH3)6）的水性環境相互遮蔽時，這種形成才被認為是有利的
+++，它在低得多的濃度下執行相同的工作。胞嘧啶-鳥嘌呤序列要求使我們能夠控制 B-Z 躍遷發生在 DNA 分子上的位置（因此控制我們機器執行的操作），環境要求使我們能夠控制躍遷發生的時間（因此控制機器動作）。
我的紐約大學同事孫偉瓊（Weiqiong Sun）和申志勇（Zhiyong Shen）、毛承德（Mao）和我構建了一個由兩個 DX 分子連線的雙螺旋 DNA 軸組成的裝置[見右側插圖]。在軸的中間是一個 20 對的序列，在適當的條件下可以採用 Z 結構。在普通條件下，裝置的每個部分都會形成 B-DNA，並且兩個 DX 分子都將在軸的同一側。當將六氨鈷新增到溶液中時，軸的中心部分會轉換為 Z-DNA，一個 DX 分子相對於另一個分子旋轉約 3.5 圈；奇數半圈意味著它們現在位於軸的相對兩側。去除六氨鈷會使裝置恢復到原始結構。我們透過使用涉及連線到 DX 分子的兩種彩色染料的光譜學證明了運動的發生。
這種 B-Z 裝置相當堅固，但它有一個缺陷。如果將多個不同的 B-Z 裝置整合到一個更大的上層結構中（例如，前面討論過的二維晶格），那麼整個結構將只有兩種狀態：所有機器都處於 B 狀態，或所有機器都處於 Z 狀態。要單獨控制一組機器，需要具有獨立觸發器的裝置。當然，對於 DNA 來說，有一種自然的方法可以做到這一點，即使用 DNA 鏈作為觸發器，並讓不同的鹼基序列觸發每臺機器。
為了實現這個方案，現在在亞利桑那州立大學的郝燕、紐約大學的張曉平、沈和我設計了一個系統，當不同的鏈結合到它時，它的形狀會發生改變。該系統由兩個平行的 DNA 雙螺旋組成，它們在中心交叉區域都簡化為單鏈。根據新增到溶液中的特定鏈，來結合單鏈部分，交叉區域可以呈現兩種不同的狀態 [見下頁的方框]。裝置的兩種狀態分別稱為 PX（副交聯）和 JX（並列）。當裝置處於 PX 狀態時，中心連線處一側的兩個螺旋與 JX 狀態時的位置相比，會旋轉大約半圈。
向溶液中新增特定的鏈對（稱為設定鏈）可以透過結合中心區域而不交叉，使裝置處於 JX 狀態。要更改為 PX 狀態，我們必須首先移除這些設定鏈。2000 年，貝爾納·尤爾克 (Bernard Yurke) 和他在朗訊科技的同事表明，可以透過將鏈的完整互補鏈結合到其上，從 DNA 中提取該鏈。為了實現這個過程，我們的設定鏈具有與機器保持未配對的短端。當我們向溶液中新增完整的互補鏈時，它會首先連線到未配對的延伸部分，然後從裝置上剝離其餘的設定鏈。
當從框架中移除第一組設定鏈後，我們可以新增不同的設定鏈，這些鏈會結合到中心區域並在那裡交叉。這種結合會旋轉兩個雙螺旋，並使裝置處於 PX 狀態。可以透過移除第二組設定鏈並添加回第一組設定鏈來反轉該過程。透過這種方式，可以隨意來回旋轉雙螺旋。透過新增和移除為其各自結合區域設計的設定鏈，可以獨立操作多個不同的 PX-JX 裝置。
我們使用原子力顯微鏡來驗證裝置的移動方式。我們製作了這些裝置的長鏈，並將一個大型梯形 DNA 單元連線到每個裝置的一側。當所有裝置都處於 PX 狀態時，梯形位於鏈的同一側。當所有裝置都處於 JX 狀態時，梯形在兩側交替，呈鋸齒形圖案。
2000 年，尤爾克和他的同事展示了由三條 DNA 鏈製成的奈米級鑷子。尤爾克稱之為燃料鏈的設定鏈開啟和關閉了鑷子。其他研究人員也使用了類似的方法來開啟核酶（由 RNA 製成的酶）的活性。1998 年，德克薩斯大學奧斯汀分校的邁克爾·P·羅賓遜 (Michael P. Robinson) 和安德魯·D·艾靈頓 (Andrew D. Ellington) 透過新增適當的設定鏈，實現了核酶活性 10,000 倍的增強，該設定鏈結合到核酶上，改變了其構象。
一個關鍵目標是將 DNA 裝置整合到框架陣列中。這是朝著基於 DNA 的奈米機器人技術邁出的第一步，該技術涉及複雜的運動和多種狀態。2006 年末，我與現在在勞倫斯伯克利國家實驗室分子鑄造廠的丁寶全一起，報告實現了這一關鍵目標。我還與現在在 Barr 製藥公司的廖世平一起，報告了一種使用 PX-JX 裝置的多種狀態系統，該系統將 DNA 訊號轉換為聚合物組裝指令。使用與此處描述的裝置類似的裝置，我們將能夠以高精度組裝新材料。最近，現在在佛羅里達州立大學的雷竹、紐約大學的詹姆斯·W·卡納裡和菲利普·S·盧克曼以及我，在核酸骨架上組裝了一個由一小塊尼龍製成的原型。我們期望有一天能夠製造出具有特定拓撲結構（骨架的纏繞）和特性的新聚合物和聚合物組合。
未來
基於 DNA 的奈米技術的一個關鍵目標是將二維的成功擴充套件到三維。當實現這一目標時，我們將展示透過指定一系列 DNA 序列然後將它們組合起來來設計固體材料的能力。如果系統高度有序，那麼前面提到的涉及分子在規則重複框架內進行的晶體學實驗將是可行的。
實現此目標主要需要使用 DNA 作為可程式設計元件，但晶體學和奈米電子學都不能僅依賴 DNA。例如，奈米電子元件（如金屬奈米粒子或碳奈米管）必須與 DNA 分子在與 DNA 和其他元件都相容的系統和液體溶液中組合。鑑於這些分子的化學性質各異，很難在 DNA 陣列中組織金屬奈米粒子。但是，我的團隊和明尼蘇達大學的理查德·A·基爾以及郝燕的團隊在這方面取得了成功。此外，即使奈米電子器件可以透過 DNA 自組裝構建，奈米機器最終也需要以比從溶液中新增和移除設定鏈更復雜的方式與宏觀世界互動。這項挑戰可能是巨大的。
奈米技術夢想機器是一種可以複製的機器。然而，與線性 DNA 不同，支鏈 DNA 不容易自複製。然而，在 2003 年末，斯克裡普斯研究所（加利福尼亞州拉霍亞）的威廉·M·施 (William M. Shih)、喬爾·D·奎斯佩 (Joel D. Quispe) 和傑拉爾德·F·喬伊斯 (Gerald F. Joyce) 朝著自複製 DNA 物體邁出了激動人心的第一步。他們使用五條短輔助鏈完成組裝，用一條長鏈 DNA（約 1700 個鹼基）構建了一個八面體 [見下圖]。八面體的每條邊都由兩個相互連線的 DNA 雙螺旋組成，這是一系列 DX 和 PX 分子。每條邊大約長 14 奈米，大約是雙螺旋的四圈。摺疊的八面體無法複製，但在展開狀態下，可以透過一種稱為 PCR（聚合酶鏈式反應）的標準生物技術過程輕鬆地將長鏈克隆數百萬次。這仍然與每個生物體實現的複製相去甚遠，但在沃森-克里克百年紀念日到來時，我們應該會有基於 DNA 的機器也能做到這一點。
作者
納德里安·C·（內德）·西曼接受過晶體學培訓，但他對大分子結晶實驗的挫敗感讓他產生了這樣一個想法：DNA 連線可以用於一種新的結晶方法。從那時起，他一直在努力實現這個概念及其衍生概念。在過去的 19 年裡，西曼一直在紐約大學的化學系工作。當在 20 世紀 80 年代中期有人告訴他他所做的事情是奈米技術時，他的反應類似於莫里哀的《貴人迷》中的主人公喬丹先生，他很高興地發現自己一生都在說散文。