DNA nanoteknolojisi nanoteknolojinin bir alt sahasıdır, DNA ve diğer nükleik asitlerin moleküler tanıma özelliklerini kullanarak yeni moleküler yapılar oluşturmayı amaçlar. Bu sahada, DNA kalıtsal bilgi taşıyıcısı olarak değil, yapısal bir malzeme olarak kullanılır. Bunun uygulaması (İngilizce self assembly) ve DNA hesaplamasıdır.
Tarih
DNA nanoteknoloji kavramı 1980'li yılların başlarında Nadrian Seeman tarafından icat edilmiştir. Bir kristalograf olan Seeman, bazı moleküllerin kristalleştirilmesini sağlayacak şartların bulunmasının tahmine ve tesadüflere dayalı olmasından yılmıştı. 1980'de, M. C. Escher'in Derinlik adlı gravürü ona ilham vermiş, üç boyutlu bir DNA örgüsünün (latisin), kristallenmesi amaçlanan molekülleri yönledirebileceğini fark ettirmiştir. 1991'de Seeman'ın laboratuvarı, DNA'dan oluşan bir kübün sentezi hakkındaki raporunu yayımladı. Seeman, nano-ölçekli bu ilk üç boyutlu cisim için 1995'te almıştır. Nano-kübün ardından, DNA'dan yapılmış gelmiş ama anlaşılmıştır ki bu cisimler üç boyutlu bir örgü oluşturabilecek kadar rijit değildir.
Seeman daha rijit olan "DX" geliştirmiş ve 1988'de ile birlikte iki boyutlu DX "karo"larından oluşan iki boyutlu örgülerin oluşturulmasını yayımlamıştır. Bu karolara dayalı yapıların bir diğer avantajı, DNA hesaplamasının gerşekleştirilme olanağını sağlamalarıydı. Winfree ve 2004'te bunu gösterdiler ve bunun için 2006'da Feynman Nanoteknoloji Ödülü'nü paylaştılar.
Bu saha dallanmaya devam etmektedir. İlk (bir girdinin etkisiyle yapısını değiştiren bir yapısal motif) 1999'da gösterilmiştir. Nanomimari 1987'de Seeman tarafından önerilmiştir ve 2006'da bu sahanın ilk uygulamaları gösterilmiştir. Gene 2006'da Rothemund ilk tekniği ile, herhangi bir şekle sahip katlanmış DNA moleküllerinin kolaylıkla oluşturulabileceğini göstermiştir. 2009'da Seeman üç boyutlu bir örgü (kafes) sentezini yayımlamıştır, bu amaçta çalışmaya başlamasından neredeyse otuz yıl sonra.
Temel kavramlar
DNA nanoteknolojisinde dallı DNA yapıları kullanılınca faydalı özellikleri olan DNA kompleksleri oluşturmak mümkündür. DNA normalde doğrusal bir moleküldür, ama bağlantı noktaları içeren DNA molekülleri yapılabilir. Örneğin, dört kollu bir bağlantı yapmak için birbirine uygun biçimde komplementer olan dört DNA ipliği kullanılabilir. Watson-Crick baz eşleşmesi sayesinde, ipliklerin sadece birbirine komplementer olan kısımları birbirine bağlanarak ikili DNA oluşturur. Bu dört kollu bağlantı Holliday bağlantısının hareketsiz bir tipidir.
Bağlantılar daha karmaşık molekülleri oluşturmakta kullanılabilir. Bunların en önemlisi "çifte krosover" motifidir (İngilizce literatürde buna DX kısaltmasıyla değinilir). Bunda, birbirine paralel iki DNA ikilisi vardır, bunlar iki bağlantı noktasını paylaşırlar; bu bağlantı noktalarında birer iplik bir ikiliden öbürüne geçer. Bu yapının avantajı, belli bir doğrultu ile sınırlandırılmış olmasıdır, oysa dört kollu bağlantı esnektir. Bu sayede, çifte krosover yapısı daha karmaşık kompleksler için bir yapı elemanı olmaya uygundur.
|
Tasarım
DNA nanoteknolojisinin ana hedeflerinden biri, belli bir hedef yapı veya işlevi sağlamak için birbirleriyle birleşecek DNA moleküllerinin dizilerini belirlemektir. Arzu edilen bir yapıyı oluşturmakta kullanılacak DNA dizilerini tasarlamak için birkaç farklı yol vardır.
Karolara dayalı yapılar
DNA nanoyapıları oluşturmanın ilk yöntemi, bunları daha küçük birimlerden inşa etmekti. Parke karolarıyla bir zeminin kaplanmasına benzeyen bu yöntemin avantajı, her bir karoyu oluşturan etkileşimler ile, tüm yapıyı oluşturan etkileşimlerin ayrı tasarlamasını mümkün kılmasıdır. Genelde periyodik örgüler yapmakta kullanılan bu yöntem, algoritmik özkurgu (İng self-assembly) gerçekleştirmekte de kullanılır, bu da DNA hesaplamasının temelini oluşturur.
Katlamalı yapılar
Karoya dayalı yaklaşıma bir alternatif olarak, uzun DNA ipliklerinin arzu edilen şekiller halinde katlanmasını sağlayarak iki boyutlu DNA yapıları oluşturmaktır. Bu katlanma, kısa "zımba" DNA ipliklerin etkisiyle sağlanır. Bu inşaat prensibine örnek olarak bir , bir de Kuzey Amerika'nın basit bir haritası yaratılmıştır. Bu yöntem DNA origamisi olarak adlandırılmıştır.
Kinetik kurgu
DNA nanoteknolojisindeki çoğu tasarım, yapının oluşumunun izlediği reaksiyon yoluna önem vermeden, hedef yapının termodinamik bir minimumda yer almasına odaklanır. Ancak, DNA özkurgusunun kinetiğini kontrolüne de önem verilebilir, kurgu sırasındaki oluşan geçici yapıların dinamikleri de programlanabilir. Bu yöntemin avantajı, yapı oluşumunun sabit sıcaklıkta gerçekleşmesi, yani tamamen termodinamik prensiplere göre yapılmış tasarımlardaki tavlama adımına gerek göstermemesidir.
Dizi tasarımı
Yukarıdaki yaklaşımlardan biri ile hedef molekülün ikincil yapısı tasarladıktan sonra, arzu edilen yapıyı oluşturacak bir nükleotit dizisinin tasarlanması gerekir. Nükleik asit tasarımı, arzu edilen bir biçimde (örneğin bakınız ) birleşecek nükleik asit baz dizilerinin üretimidir. Nükleik asit tasarımı DNA nanoteknoloji sahasında merkezi bir yeri vardır.
Nükleik asit tasarımının amacı benzer: ikisinde de, arzu edilen yapının oluşmasına eğilimli olan ve arzu edilmeyen yapıları oluşmasına eğilimli olmayan monomerler dizisi tasarlanır. Hesaplama yapmak açısından nükleik asit tasarımı daha basit bir problemdir, çünkü Watson-Crick baz eşleşme kurallarının sadeliği, basit yöntemleri mümkün kılar, bunlardan deneysel anlamda sağlam tasarımlar elde edilir. Ancak, nükleik asit yapıları, proteinlere kıyasla işlevleri bakımından daha sınırlıdır.
Hedef yapılar
DNA'dan oluşan pek çok yapı sentezlenmiş ve karakterize edilmiştir.
İki boyutlu örgüler
çifte krosover (DX) molekülleri yapışkan uçlara sahip olurlarsa bunlar birbiriyle birleşerek iki boyutlu periyodik bir örgü (latis) oluşturabilirler. Her bir DX molekülünün dört ucu vardır, bunlar iki çifte sarmal bölgenin uçlarında yer alırlar. Bu uçlar yapışkan olursa bunların arzu edilen belli biçimlerde birleşmesi sağlanabilir. Birden çok DX tipi kullanılarak bunların diziler veya başka tesselasyon biçimleri olarak düzenlenebilir. Meydana gelen yassı yapraklar aslında iki boyutlu DNA kristalleridirler.
İki boyutlu dizilimler başka motifler kullanılarak da yapılmıştır. Bunların arasında Holliday bağlantı eşkenar dörtgen dizilimi ve, üçgen veya altıgen şekilli çeşitli çifte krosover-temelli dizilimler sayılabilir.
Ayrık üç boyutlu yapılar
Küp veya tetrahedron gibi çokyüzlülere benzer bir takım DNA moleküllü yapılar oluşturulmuştur. Bir diğer deyişle, DNA ikilileri bir çokyüzlünün kenarlarını, DNA bağlantıları da köşelerini oluşturur. DNA çokyüzlüsünün en erken gösteriminde, çok sayıda ligasyon ve katı hâl sentez adımı ile bir kafes çokyüzlü yaratılmıştır. Diğer örnekler, doğru şekilde katlanacak şekilde tasarlanmış uzun bir iplikten yapılmış ve dört DNA ipliğinden tek bir adımda meydana gelebilen bir tetrahedrondur.
Katı yüzlü DNA yapıları da inşa edilmiştir, yöntemi ile. Bu yapılar bir uyarı ile açılıp içlerinde taşıdıkları kargoyu boşaltacak şekilde programlanabilirler, böylece bunların programlanabilir uygulamaları olabilir
DNA nanotüpleri
Yassı yapraklara ek olarak, çifte krosover dizilimlerinin, 4-20 çapında içi boş tüpler oluşturması da sağlanabilmiştir. Bu DNA nanotüpleri karbon tüplerine benzer büyüklük ve boyuttadırlar ama daha sağlam ve daha iletkendir, buna karşın DNA nanotüplerini daha kolay modifiye edilebilir ve başka yapılara bağlanabilir.
Genişletilmiş üç boyutlu yapılar
DNA'dan üç boyutlu örgüler yapmak DNA nanoteknolojisinin ilk amaçlarından biriyid ama tahmin edilenden daha zor oldu. Üç boyutlu örgülerin inşasında başarı nihayet 2009'da, kavramina dayalı bir motif ile mümkün oldu. Tensegrite, gerilim ile sıkışma güçleri arasındaki dengedir.
Uygulamalar
DNA nanoteknolojisi tasarlanmış işlevlere ve yapılara sahip moleküller yaratmayı amaçlar. Çeşitli işlevsel sınıflar gösterilmiştir.
Nanomimari
DNA dizilimlerini bir kalıp gibi kullanıp başka işlevsel moleküllerin kurgusunu sağlamak fikri ilk defa Nadrian Seeman tarafından 1987'de önerilmiş, ama ancak 2006'da bu planların pratik uygulaması gösterilebildi. DX temelli bir karoya bir bağlanmış ve DNA yapılarının kendi kendini oluşturmasının (öz kurgusunun) sonucunda DNA'lara bağlı olan nanotaneciklerin de birleştiği gösterilmişir. Bir diğer uygulamada, DX dizilimi üzerinde poliamidleri kullanılarak, DNA diziliminde yer alan belli çeşit karolar üzerinde streptavidin moleküllerinin yerleştirilmesi sağlanabilmiştir.
2006'da Dwyer ve LaBean 4x4'lük bir DX dizilimi üzerinde, streptavidin kullanarak, "D" "N" and "A" harfleri oluşturulmuştu. 2007'de, hiyerarşik bir kurgu yöntemi ile bu yaklaşım daha büyük dizilimlere de uygulanmıştır (8X8 ve 8.96 Mega Dalton kütleli).
DNA nanoteknolojisi ile cihazlar kurma girişimleri de yapılmıştır. Bu amaçla, DNA kullanılarak alan etkili transistör oluşturulmuştur.
Algoritmik özkurgu
DNA nanoteknolojisi, ilgili bir saha olan DNA hesaplamasına da uygulanmıştır. DX karolarının yapışkan uçları uygun şekilde seçilirse bunlar gibi davranıp hesaplama yapabilir. Bir DX diziliminin bir mantık işlemini kodladığı gösterilmiştir. B sayede, bir DNA dizilimi bir hücresel otomat (cellular automaton) oluşturmakta, bu da, olarak adlandırılan bir fraktal üretmektedir. Böylece bir DNA dizilimine hesaplama işlevinin de dahil edilebileceği gösterilmiştir.
DNA hesaplaması ile DNA nanoteknolojisi örtüşen sahalar olmakla beraber ayrıktırlar. DNA nanoteknolojisi, Watson-Crick baz eşleşmesinin spesifisitesini kullanarak DNA'dan yeni, değişik yapılar meydana getirir. Bu yapılar DNA hesaplaması için kullanılabilir ama böyle bir şart yoktur. Buna ek olarak, DNA nanoteknolojisi ile mümkün kılınmış moleküller olmadan da DNA hesaplaması yapmak mümkündür.
DNA nanomekanik cihazlar
Belli bir dürtü sonucu şeklini değiştirebilen DNA kompleksleri imal edilmiştir. Bunlar nanorobotik uygulamaları için tasarlanmıştır. Bu tür cihazların ilk yapılanlarından olan "moleküler cımbız", bir kontrol ipliğinin etkisiyle açık bir hâlden kapalı bir hâle geçebilmektedir.
Burulma hareketi yapabilen DNA kompleksleri de imal edilmiştir. Bunlar B-DNA ile Z-DNA biçimleri arasındaki geçiş yaparak çözeltideki değişen şartlara cevap vermektedir. Bir diğeri, bir kontrol ipliğinden yararlanarak, paranemik krosover konformasyonundan çifte bağlantı konformasyonuna geçiş yapmaktadır.
Malzeme ve yöntemler
Arzu edilen diziye sahip DNA molekülleri ile kolayca elde edilebilir. Bu işlem genelde bir DNA sentezleme makinası kullanılarak otomatikleştirilmiştir ve çoğu şirket aracılığıyla siparişli DNA elde edilebilir.
Hedef yapıyı olşturacak DNA ipliklerinin dizileri bilgisayarla tasarlanır. Moleküler modelleme ve termodinamik modelleme DNA dizilerini optimize etmek için bazen kullanılır.
DNA nanoteknolojisinde kullanılan DNA molekülleri genelde jel elektroforezi ile karakterize edilir. Böylece DNA moleküllerinin büyüklüğü ve şekli hakkında bilgi elde edilir ve bu moleküllerin doğru oluştukları kontrol edilir. Bu moleküllerin yaplarını karakterize etmek için ve
DNA yapılarını görüntülemek için kullanılır, bu yöntem ile düz yüzeyler üzerindeki yapıların resimleri çekilebilir. Bu araç iki boyutlu kristaller için uygundur ama ayrık üç boyutlu yapılar için pek yararlı değildir. Bu tür yapılar için popülerleşen bir yöntemdir. Büyük üç boyutlu yapıların analizi ile yapılır. DNA özkurgusunun kinetiğini araştırmak için ve QCMD kullanılabilir.
Ayrıca bakınız
Dış başlantılar
- Üç boyutlu DNA tasarımı, modelleme ve/veya benzetimi için yazılımlar:
- caDNAno 7 Ağustos 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
- GIDEON 6 Ağustos 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
- NanoEngineer-1 13 Eylül 2019 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
- Uluslararası Nano-ölçekli Bilim, Hesaplama ve Mühendislik Derneği [1] 29 Temmuz 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
Kaynakça
- ^ a b c Pelesko, John A. (2007). Self-assembly: the science of things that put themselves together. New York: Chapman & Hall/CRC. ss. 201, 242, 259. ISBN .
- ^ a b c d Seeman, Nadrian C. (Haziran 2004). "Nanotechnology and the double helix". Scientific American. 290 (6). ss. 64-75. doi:10.1038/scientificamerican0604-64. (PMID) 15195395. 10 Kasım 2013 tarihinde kaynağından . Erişim tarihi: 3 Haziran 2010.
- ^ Problemin sunumu için Nadrian Seeman'ın Web sitesindeki, kristalizasyon protokolüne 30 Kasım 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde . bakınız, önerilen bir çözüm için de gene Nadrian Seeman's sitesinde, yönledirilmiş konuklar içeren DNA kafesleri 1 Kasım 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde . sayfasına bakınız.
- ^ PDB 1M6G 10 Ocak 2010 tarihinde Wayback Machine sitesinde . koordinatlarından yaratılmıştır
- ^ a b Mao, Chengde (Aralık 2004). "The Emergence of Complexity: Lessons from DNA". PLoS Biology. 2 (12). ss. 2036-2038. doi:10.1371/journal.pbio.0020431. ISSN 1544-9173.
- ^ Rothemund, Paul W. K. (2006). "Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns". Nature. Cilt 440. ss. 297-302. doi:10.1038/nature04586. ISSN 0028-0836.
- ^ Yin, Peng; Choi, Harry M. T.; Calvert, Colby R.; Pierce, Niles A. (2008). "Programming biomolecular self-assembly pathways". Nature. 451 (7176). s. 318. doi:10.1038/nature06451. (PMID) 18202654.
- ^ Dirks, Robert M. (2004). "Paradigms for computational nucleic acid design". Nucleic Acids Research. 32 (4). ss. 1392-1403. doi:10.1093/nar/gkh291. (PMC) 390280 $2. (PMID) 14990744.
- ^ Dirks, Robert M.; Bois, Justin S.; Schaeffer, Joseph M.; Winfree, Erik; Pierce, Niles A. (2007). "Thermodynamic Analysis of Interacting Nucleic Acid Strands". SIAM Review. Cilt 49. s. 65. doi:10.1137/060651100.
- ^ Strong, Michael (2004). "Protein Nanomachines". PLoS Biology. 2 (3). ss. e73. doi:10.1371/journal.pbio.0020073. (PMC) 368168 $2. (PMID) 15024422.
- ^ Winfree, Erik (6 Ağustos 1998). "Design and self-assembly of two-dimensional DNA crystals". Nature. Cilt 394. ss. 529-544. doi:10.1038/28998. ISSN 0028-0836.
- ^ Liu, Furong (10 Şubat 1999). "Modifying the Surface Features of Two-Dimensional DNA Crystals". Journal of the American Chemical Society. 121 (5). ss. 917-922. doi:10.1021/ja982824a. ISSN 0002-7863.
- ^ Mao, Chengde (16 Haziran 1999). "Designed Two-Dimensional DNA Holliday Junction Arrays Visualized by Atomic Force Microscopy". Journal of the American Chemical Society. 121 (23). ss. 5437-5443. doi:10.1021/ja9900398. ISSN 0002-7863.
- ^ Constantinou, Pamela E. (2006). "Double cohesion in structural DNA nanotechnology". Organic and Biomolecular Chemistry. Cilt 4. ss. 3414-3419. doi:10.1039/b605212f.
- ^ Mathieu, Frederick (Nisan 2005). "Six-Helix Bundles Designed from DNA". Nano Letters. 5 (4). ss. 661-665. doi:10.1021/nl050084f. ISSN 1530-6984.
- ^ a b Goodman, R.P. (9 Aralık 2005). "Rapid chiral assembly of rigid DNA building blocks for molecular nanofabrication". Science. 310 (5754). ss. 1661-1665. doi:10.1126/science.1120367. ISSN 0036-8075.
- ^ Zhang, Yuwen (1994). "Construction of a DNA-truncated octahedron". Journal of the American Chemical Society. 116 (5). ss. 1661-1669. doi:10.1021/ja00084a006. ISSN 0002-7863.
- ^ Shih, William M. (12 Şubat 2004). "A 1.7-kilobase single-stranded DNA that folds into a nanoscale octahedron". Nature. Cilt 427. ss. 618-621. doi:10.1038/nature02307. ISSN 0028-0836.
- ^ Andersen, Ebbe S.; Dong, Mingdong; Nielsen, Morten M.; Jahn, Kasper; Subramani, Ramesh; Mamdouh, Wael; Golas, Monika M.; Sander, Bjoern; Stark, Holger (2009). "Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid". Nature. 459 (7243). s. 73. doi:10.1038/nature07971. (PMID) 19424153.
- ^ Ke, Yonggang; Sharma, Jaswinder; Liu, Minghui; Jahn, Kasper; Liu, Yan; Yan, Hao (2009). "Scaffolded DNA Origami of a DNA Tetrahedron Molecular Container". Nano Letters. 9 (6). s. 2445. doi:10.1021/nl901165f. (PMID) 19419184.
- ^ Rothemund, Paul W. K. (22 Aralık 2004). "Design and Characterization of Programmable DNA Nanotubes". Journal of the American Chemical Society. 126 (50). ss. 16344-16352. doi:10.1021/ja044319l. ISSN 0002-7863.
- ^ Zheng, Jianping; Birktoft, Jens J.; Chen, Yi; Wang, Tong; Sha, Ruojie; Constantinou, Pamela E.; Ginell, Stephan L.; Mao, Chengde; Seeman, Nadrian C. (2009). "From molecular to macroscopic via the rational design of a self-assembled 3D DNA crystal". Nature. 461 (7260). s. 74. doi:10.1038/nature08274. (PMC) 2764300 $2. (PMID) 19727196.
- ^ Robinson, Bruche H. (Ağustos 1987). . Protein Engineering. 1 (4). ss. 295-300. doi:10.1093/protein/1.4.295. ISSN 0269-2139. (PMID) 3508280. 25 Mayıs 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Haziran 2010.
- ^ Zheng, Jiwen (2006). "2D Nanoparticle Arrays Show the Organizational Power of Robust DNA Motifs". Nano Letters. Cilt 6. ss. 1502-1504. doi:10.1021/nl060994c. ISSN 1530-6984.
- ^ Cohen, Justin D. (2007). "Addressing Single Molecules on DNA Nanostructures". Angewandte Chemie. 46 (42). ss. 7956-7959. doi:10.1002/anie.200702767. ISSN 0570-0833.
- ^ Park, Sung Ha (Ekim 2006). . Angewandte Chemie. 118 (40). ss. 749-753. doi:10.1002/ange.200690141. ISSN 1521-3757. 25 Mayıs 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Haziran 2010.
- ^ Pistol, Constantin (Mart 2007). "Scalable, Low-cost, Hierarchical Assembly of Programmable DNA Nanostructures". Nanotechnology. 18 (12). ss. 125305-9. doi:10.1088/0957-4484/18/12/125305. ISSN 0957-4484.
- ^ Keren, K. (Kasım 2003). "DNA-Templated Carbon Nanotube Field-Effect Transistor". Science. 302 (6549). ss. 1380-1382. doi:10.1126/science.1091022. ISSN 1095-9203. 17 Eylül 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Haziran 2010.
- ^ a b Rothemund, Paul W. K. (Aralık 2004). "Algorithmic Self-Assembly of DNA Sierpinski Triangles". PLoS Biology. 2 (12). ss. 2041-2053. doi:10.1371/journal.pbio.0020424. ISSN 1544-9173.
- ^ Yurke, Bernard (10 Ağustos 2000). "A DNA-fuelled molecular machine made of DNA". Nature. Cilt 406. ss. 605-609. doi:10.1038/35020524. ISSN 0028-0836.
- ^ Mao, Chengde (14 Ocak 1999). "A DNA Nanomechanical Device Based on the B-Z Transition". Nature. Cilt 397. ss. 144-146. doi:10.1038/16437. ISSN 0028-0836.
- ^ Yan, Hao (3 Ocak 2002). "A robust DNA mechanical device controlled by hybridization topology". Nature. Cilt 415. ss. 62-65. doi:10.1038/415062a. ISSN 0028-0836.
wikipedia, wiki, viki, vikipedia, oku, kitap, kütüphane, kütübhane, ara, ara bul, bul, herşey, ne arasanız burada,hikayeler, makale, kitaplar, öğren, wiki, bilgi, tarih, yukle, izle, telefon için, turk, türk, türkçe, turkce, nasıl yapılır, ne demek, nasıl, yapmak, yapılır, indir, ücretsiz, ücretsiz indir, bedava, bedava indir, mp3, video, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, resim, müzik, şarkı, film, film, oyun, oyunlar, mobil, cep telefonu, telefon, android, ios, apple, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, pc, web, computer, bilgisayar
DNA nanoteknolojisi nanoteknolojinin bir alt sahasidir DNA ve diger nukleik asitlerin molekuler tanima ozelliklerini kullanarak yeni molekuler yapilar olusturmayi amaclar Bu sahada DNA kalitsal bilgi tasiyicisi olarak degil yapisal bir malzeme olarak kullanilir Bunun uygulamasi Ingilizce self assembly ve DNA hesaplamasidir TarihM C Escher in gravuru Derinlik Nadrian Seeman a ilham vermis uc boyutlu DNA orguleri ile zor kristallesen molekullerin dorultularini duzeltilebilecegini dusundurmustur Bu fikir DNA nanoteknoloji sahasinin baslangici olmustur DNA nanoteknoloji kavrami 1980 li yillarin baslarinda Nadrian Seeman tarafindan icat edilmistir Bir kristalograf olan Seeman bazi molekullerin kristallestirilmesini saglayacak sartlarin bulunmasinin tahmine ve tesaduflere dayali olmasindan yilmisti 1980 de M C Escher in Derinlik adli gravuru ona ilham vermis uc boyutlu bir DNA orgusunun latisin kristallenmesi amaclanan molekulleri yonledirebilecegini fark ettirmistir 1991 de Seeman in laboratuvari DNA dan olusan bir kubun sentezi hakkindaki raporunu yayimladi Seeman nano olcekli bu ilk uc boyutlu cisim icin 1995 te almistir Nano kubun ardindan DNA dan yapilmis gelmis ama anlasilmistir ki bu cisimler uc boyutlu bir orgu olusturabilecek kadar rijit degildir Seeman daha rijit olan DX gelistirmis ve 1988 de ile birlikte iki boyutlu DX karo larindan olusan iki boyutlu orgulerin olusturulmasini yayimlamistir Bu karolara dayali yapilarin bir diger avantaji DNA hesaplamasinin gerseklestirilme olanagini saglamalariydi Winfree ve 2004 te bunu gosterdiler ve bunun icin 2006 da Feynman Nanoteknoloji Odulu nu paylastilar Bu saha dallanmaya devam etmektedir Ilk bir girdinin etkisiyle yapisini degistiren bir yapisal motif 1999 da gosterilmistir Nanomimari 1987 de Seeman tarafindan onerilmistir ve 2006 da bu sahanin ilk uygulamalari gosterilmistir Gene 2006 da Rothemund ilk teknigi ile herhangi bir sekle sahip katlanmis DNA molekullerinin kolaylikla olusturulabilecegini gostermistir 2009 da Seeman uc boyutlu bir orgu kafes sentezini yayimlamistir bu amacta calismaya baslamasindan neredeyse otuz yil sonra Temel kavramlarDNA nanoteknolojisinde dalli DNA yapilari kullanilinca faydali ozellikleri olan DNA kompleksleri olusturmak mumkundur DNA normalde dogrusal bir molekuldur ama baglanti noktalari iceren DNA molekulleri yapilabilir Ornegin dort kollu bir baglanti yapmak icin birbirine uygun bicimde komplementer olan dort DNA ipligi kullanilabilir Watson Crick baz eslesmesi sayesinde ipliklerin sadece birbirine komplementer olan kisimlari birbirine baglanarak ikili DNA olusturur Bu dort kollu baglanti Holliday baglantisinin hareketsiz bir tipidir Baglantilar daha karmasik molekulleri olusturmakta kullanilabilir Bunlarin en onemlisi cifte krosover motifidir Ingilizce literaturde buna DX kisaltmasiyla deginilir Bunda birbirine paralel iki DNA ikilisi vardir bunlar iki baglanti noktasini paylasirlar bu baglanti noktalarinda birer iplik bir ikiliden oburune gecer Bu yapinin avantaji belli bir dogrultu ile sinirlandirilmis olmasidir oysa dort kollu baglanti esnektir Bu sayede cifte krosover yapisi daha karmasik kompleksler icin bir yapi elemani olmaya uygundur 4 kollu bir baglanti Sol Bir sema Sag Daha gercekci bir model DNA nin dort ayri ipligi farkli renklerde gosterilmistir Bir cifte krosover molekulu Bu molekul bes DNA ipliginden olusur bunlar iki cift sarmalli bolge olustururlar resmin solunda ve saginda Ipliklerin bir bolgeden oburune gectikleri yerlerde iki adet krosover noktasi bulunur TasarimDNA nanoteknolojisinin ana hedeflerinden biri belli bir hedef yapi veya islevi saglamak icin birbirleriyle birlesecek DNA molekullerinin dizilerini belirlemektir Arzu edilen bir yapiyi olusturmakta kullanilacak DNA dizilerini tasarlamak icin birkac farkli yol vardir Karolara dayali yapilar DX dizilimlerinin kurgusu Her bir cubuk DNA nin cifte sarmal bolgesini cubuklarin uclarindaki sekiller ise komplementer temsil etmektedir Yukaridaki DX molekulu asagida gosterilen iki boyutlu DNA dizilimi ile birlesecektir DNA nanoyapilarini olusturmak icin karoya dayali stratejinin bir ornegidir bu DNA nanoyapilari olusturmanin ilk yontemi bunlari daha kucuk birimlerden insa etmekti Parke karolariyla bir zeminin kaplanmasina benzeyen bu yontemin avantaji her bir karoyu olusturan etkilesimler ile tum yapiyi olusturan etkilesimlerin ayri tasarlamasini mumkun kilmasidir Genelde periyodik orguler yapmakta kullanilan bu yontem algoritmik ozkurgu Ing self assembly gerceklestirmekte de kullanilir bu da DNA hesaplamasinin temelini olusturur Katlamali yapilar Karoya dayali yaklasima bir alternatif olarak uzun DNA ipliklerinin arzu edilen sekiller halinde katlanmasini saglayarak iki boyutlu DNA yapilari olusturmaktir Bu katlanma kisa zimba DNA ipliklerin etkisiyle saglanir Bu insaat prensibine ornek olarak bir bir de Kuzey Amerika nin basit bir haritasi yaratilmistir Bu yontem DNA origamisi olarak adlandirilmistir Kinetik kurgu DNA nanoteknolojisindeki cogu tasarim yapinin olusumunun izledigi reaksiyon yoluna onem vermeden hedef yapinin termodinamik bir minimumda yer almasina odaklanir Ancak DNA ozkurgusunun kinetigini kontrolune de onem verilebilir kurgu sirasindaki olusan gecici yapilarin dinamikleri de programlanabilir Bu yontemin avantaji yapi olusumunun sabit sicaklikta gerceklesmesi yani tamamen termodinamik prensiplere gore yapilmis tasarimlardaki tavlama adimina gerek gostermemesidir Dizi tasarimi Yukaridaki yaklasimlardan biri ile hedef molekulun ikincil yapisi tasarladiktan sonra arzu edilen yapiyi olusturacak bir nukleotit dizisinin tasarlanmasi gerekir Nukleik asit tasarimi arzu edilen bir bicimde ornegin bakiniz birlesecek nukleik asit baz dizilerinin uretimidir Nukleik asit tasarimi DNA nanoteknoloji sahasinda merkezi bir yeri vardir Nukleik asit tasariminin amaci benzer ikisinde de arzu edilen yapinin olusmasina egilimli olan ve arzu edilmeyen yapilari olusmasina egilimli olmayan monomerler dizisi tasarlanir Hesaplama yapmak acisindan nukleik asit tasarimi daha basit bir problemdir cunku Watson Crick baz eslesme kurallarinin sadeligi basit yontemleri mumkun kilar bunlardan deneysel anlamda saglam tasarimlar elde edilir Ancak nukleik asit yapilari proteinlere kiyasla islevleri bakimindan daha sinirlidir Hedef yapilarDNA dan olusan pek cok yapi sentezlenmis ve karakterize edilmistir Iki boyutlu orguler Solda iki boyutlu periyodik bir orgu yapmak icin kullanila bir DNA karosunun modeli Sagda meydana gelen orgunun cifte krosover DX molekulleri yapiskan uclara sahip olurlarsa bunlar birbiriyle birleserek iki boyutlu periyodik bir orgu latis olusturabilirler Her bir DX molekulunun dort ucu vardir bunlar iki cifte sarmal bolgenin uclarinda yer alirlar Bu uclar yapiskan olursa bunlarin arzu edilen belli bicimlerde birlesmesi saglanabilir Birden cok DX tipi kullanilarak bunlarin diziler veya baska tesselasyon bicimleri olarak duzenlenebilir Meydana gelen yassi yapraklar aslinda iki boyutlu DNA kristalleridirler Iki boyutlu dizilimler baska motifler kullanilarak da yapilmistir Bunlarin arasinda Holliday baglanti eskenar dortgen dizilimi ve ucgen veya altigen sekilli cesitli cifte krosover temelli dizilimler sayilabilir Bir DNA tetrahedron yapsini modeli Tetrahedronun her kenari 20 baz cifti uzunlugunda bir DNA ikilisidir her kose ise bir uc kol baglantisidir Ayrik uc boyutlu yapilar Kup veya tetrahedron gibi cokyuzlulere benzer bir takim DNA molekullu yapilar olusturulmustur Bir diger deyisle DNA ikilileri bir cokyuzlunun kenarlarini DNA baglantilari da koselerini olusturur DNA cokyuzlusunun en erken gosteriminde cok sayida ligasyon ve kati hal sentez adimi ile bir kafes cokyuzlu yaratilmistir Diger ornekler dogru sekilde katlanacak sekilde tasarlanmis uzun bir iplikten yapilmis ve dort DNA ipliginden tek bir adimda meydana gelebilen bir tetrahedrondur Kati yuzlu DNA yapilari da insa edilmistir yontemi ile Bu yapilar bir uyari ile acilip iclerinde tasidiklari kargoyu bosaltacak sekilde programlanabilirler boylece bunlarin programlanabilir uygulamalari olabilir DNA nanotupleri Yassi yapraklara ek olarak cifte krosover dizilimlerinin 4 20 capinda ici bos tupler olusturmasi da saglanabilmistir Bu DNA nanotupleri karbon tuplerine benzer buyukluk ve boyuttadirlar ama daha saglam ve daha iletkendir buna karsin DNA nanotuplerini daha kolay modifiye edilebilir ve baska yapilara baglanabilir Genisletilmis uc boyutlu yapilar DNA dan uc boyutlu orguler yapmak DNA nanoteknolojisinin ilk amaclarindan biriyid ama tahmin edilenden daha zor oldu Uc boyutlu orgulerin insasinda basari nihayet 2009 da kavramina dayali bir motif ile mumkun oldu Tensegrite gerilim ile sikisma gucleri arasindaki dengedir UygulamalarDNA nanoteknolojisi tasarlanmis islevlere ve yapilara sahip molekuller yaratmayi amaclar Cesitli islevsel siniflar gosterilmistir Nanomimari DNA dizilimlerini bir kalip gibi kullanip baska islevsel molekullerin kurgusunu saglamak fikri ilk defa Nadrian Seeman tarafindan 1987 de onerilmis ama ancak 2006 da bu planlarin pratik uygulamasi gosterilebildi DX temelli bir karoya bir baglanmis ve DNA yapilarinin kendi kendini olusturmasinin oz kurgusunun sonucunda DNA lara bagli olan nanotaneciklerin de birlestigi gosterilmisir Bir diger uygulamada DX dizilimi uzerinde poliamidleri kullanilarak DNA diziliminde yer alan belli cesit karolar uzerinde streptavidin molekullerinin yerlestirilmesi saglanabilmistir 2006 da Dwyer ve LaBean 4x4 luk bir DX dizilimi uzerinde streptavidin kullanarak D N and A harfleri olusturulmustu 2007 de hiyerarsik bir kurgu yontemi ile bu yaklasim daha buyuk dizilimlere de uygulanmistir 8X8 ve 8 96 Mega Dalton kutleli DNA nanoteknolojisi ile cihazlar kurma girisimleri de yapilmistir Bu amacla DNA kullanilarak alan etkili transistor olusturulmustur Algoritmik ozkurgu Sierpinski ucgeninin bir temsilini sergileyen DNA dizilimleri Resme tiklayarak daha cok ayrinti edinebilirsiniz DNA nanoteknolojisi ilgili bir saha olan DNA hesaplamasina da uygulanmistir DX karolarinin yapiskan uclari uygun sekilde secilirse bunlar gibi davranip hesaplama yapabilir Bir DX diziliminin bir mantik islemini kodladigi gosterilmistir B sayede bir DNA dizilimi bir hucresel otomat cellular automaton olusturmakta bu da olarak adlandirilan bir fraktal uretmektedir Boylece bir DNA dizilimine hesaplama islevinin de dahil edilebilecegi gosterilmistir DNA hesaplamasi ile DNA nanoteknolojisi ortusen sahalar olmakla beraber ayriktirlar DNA nanoteknolojisi Watson Crick baz eslesmesinin spesifisitesini kullanarak DNA dan yeni degisik yapilar meydana getirir Bu yapilar DNA hesaplamasi icin kullanilabilir ama boyle bir sart yoktur Buna ek olarak DNA nanoteknolojisi ile mumkun kilinmis molekuller olmadan da DNA hesaplamasi yapmak mumkundur DNA nanomekanik cihazlarBelli bir durtu sonucu seklini degistirebilen DNA kompleksleri imal edilmistir Bunlar nanorobotik uygulamalari icin tasarlanmistir Bu tur cihazlarin ilk yapilanlarindan olan molekuler cimbiz bir kontrol ipliginin etkisiyle acik bir halden kapali bir hale gecebilmektedir Burulma hareketi yapabilen DNA kompleksleri de imal edilmistir Bunlar B DNA ile Z DNA bicimleri arasindaki gecis yaparak cozeltideki degisen sartlara cevap vermektedir Bir digeri bir kontrol ipliginden yararlanarak paranemik krosover konformasyonundan cifte baglanti konformasyonuna gecis yapmaktadir Malzeme ve yontemlerArzu edilen diziye sahip DNA molekulleri ile kolayca elde edilebilir Bu islem genelde bir DNA sentezleme makinasi kullanilarak otomatiklestirilmistir ve cogu sirket araciligiyla siparisli DNA elde edilebilir Hedef yapiyi olsturacak DNA ipliklerinin dizileri bilgisayarla tasarlanir Molekuler modelleme ve termodinamik modelleme DNA dizilerini optimize etmek icin bazen kullanilir DNA nanoteknolojisinde kullanilan DNA molekulleri genelde jel elektroforezi ile karakterize edilir Boylece DNA molekullerinin buyuklugu ve sekli hakkinda bilgi elde edilir ve bu molekullerin dogru olustuklari kontrol edilir Bu molekullerin yaplarini karakterize etmek icin ve DNA yapilarini goruntulemek icin kullanilir bu yontem ile duz yuzeyler uzerindeki yapilarin resimleri cekilebilir Bu arac iki boyutlu kristaller icin uygundur ama ayrik uc boyutlu yapilar icin pek yararli degildir Bu tur yapilar icin populerlesen bir yontemdir Buyuk uc boyutlu yapilarin analizi ile yapilir DNA ozkurgusunun kinetigini arastirmak icin ve QCMD kullanilabilir Ayrica bakinizDNA yapisiDis baslantilarUc boyutlu DNA tasarimi modelleme ve veya benzetimi icin yazilimlar caDNAno 7 Agustos 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde GIDEON 6 Agustos 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde NanoEngineer 1 13 Eylul 2019 tarihinde Wayback Machine sitesinde Uluslararasi Nano olcekli Bilim Hesaplama ve Muhendislik Dernegi 1 29 Temmuz 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde Kaynakca a b c Pelesko John A 2007 Self assembly the science of things that put themselves together New York Chapman amp Hall CRC ss 201 242 259 ISBN 978 1 58488 687 7 a b c d Seeman Nadrian C Haziran 2004 Nanotechnology and the double helix Scientific American 290 6 ss 64 75 doi 10 1038 scientificamerican0604 64 PMID 15195395 10 Kasim 2013 tarihinde kaynagindan Erisim tarihi 3 Haziran 2010 Problemin sunumu icin Nadrian Seeman in Web sitesindeki kristalizasyon protokolune 30 Kasim 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde bakiniz onerilen bir cozum icin de gene Nadrian Seeman s sitesinde yonledirilmis konuklar iceren DNA kafesleri 1 Kasim 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde sayfasina bakiniz PDB 1M6G 10 Ocak 2010 tarihinde Wayback Machine sitesinde koordinatlarindan yaratilmistir a b Mao Chengde Aralik 2004 The Emergence of Complexity Lessons from DNA PLoS Biology 2 12 ss 2036 2038 doi 10 1371 journal pbio 0020431 ISSN 1544 9173 Rothemund Paul W K 2006 Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns Nature Cilt 440 ss 297 302 doi 10 1038 nature04586 ISSN 0028 0836 Yin Peng Choi Harry M T Calvert Colby R Pierce Niles A 2008 Programming biomolecular self assembly pathways Nature 451 7176 s 318 doi 10 1038 nature06451 PMID 18202654 Dirks Robert M 2004 Paradigms for computational nucleic acid design Nucleic Acids Research 32 4 ss 1392 1403 doi 10 1093 nar gkh291 PMC 390280 2 PMID 14990744 Dirks Robert M Bois Justin S Schaeffer Joseph M Winfree Erik Pierce Niles A 2007 Thermodynamic Analysis of Interacting Nucleic Acid Strands SIAM Review Cilt 49 s 65 doi 10 1137 060651100 Strong Michael 2004 Protein Nanomachines PLoS Biology 2 3 ss e73 doi 10 1371 journal pbio 0020073 PMC 368168 2 PMID 15024422 Winfree Erik 6 Agustos 1998 Design and self assembly of two dimensional DNA crystals Nature Cilt 394 ss 529 544 doi 10 1038 28998 ISSN 0028 0836 Liu Furong 10 Subat 1999 Modifying the Surface Features of Two Dimensional DNA Crystals Journal of the American Chemical Society 121 5 ss 917 922 doi 10 1021 ja982824a ISSN 0002 7863 Mao Chengde 16 Haziran 1999 Designed Two Dimensional DNA Holliday Junction Arrays Visualized by Atomic Force Microscopy Journal of the American Chemical Society 121 23 ss 5437 5443 doi 10 1021 ja9900398 ISSN 0002 7863 Constantinou Pamela E 2006 Double cohesion in structural DNA nanotechnology Organic and Biomolecular Chemistry Cilt 4 ss 3414 3419 doi 10 1039 b605212f Mathieu Frederick Nisan 2005 Six Helix Bundles Designed from DNA Nano Letters 5 4 ss 661 665 doi 10 1021 nl050084f ISSN 1530 6984 a b Goodman R P 9 Aralik 2005 Rapid chiral assembly of rigid DNA building blocks for molecular nanofabrication Science 310 5754 ss 1661 1665 doi 10 1126 science 1120367 ISSN 0036 8075 Zhang Yuwen 1994 Construction of a DNA truncated octahedron Journal of the American Chemical Society 116 5 ss 1661 1669 doi 10 1021 ja00084a006 ISSN 0002 7863 Shih William M 12 Subat 2004 A 1 7 kilobase single stranded DNA that folds into a nanoscale octahedron Nature Cilt 427 ss 618 621 doi 10 1038 nature02307 ISSN 0028 0836 Andersen Ebbe S Dong Mingdong Nielsen Morten M Jahn Kasper Subramani Ramesh Mamdouh Wael Golas Monika M Sander Bjoern Stark Holger 2009 Self assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid Nature 459 7243 s 73 doi 10 1038 nature07971 PMID 19424153 Ke Yonggang Sharma Jaswinder Liu Minghui Jahn Kasper Liu Yan Yan Hao 2009 Scaffolded DNA Origami of a DNA Tetrahedron Molecular Container Nano Letters 9 6 s 2445 doi 10 1021 nl901165f PMID 19419184 Rothemund Paul W K 22 Aralik 2004 Design and Characterization of Programmable DNA Nanotubes Journal of the American Chemical Society 126 50 ss 16344 16352 doi 10 1021 ja044319l ISSN 0002 7863 Zheng Jianping Birktoft Jens J Chen Yi Wang Tong Sha Ruojie Constantinou Pamela E Ginell Stephan L Mao Chengde Seeman Nadrian C 2009 From molecular to macroscopic via the rational design of a self assembled 3D DNA crystal Nature 461 7260 s 74 doi 10 1038 nature08274 PMC 2764300 2 PMID 19727196 Robinson Bruche H Agustos 1987 Protein Engineering 1 4 ss 295 300 doi 10 1093 protein 1 4 295 ISSN 0269 2139 PMID 3508280 25 Mayis 2020 tarihinde kaynagindan arsivlendi Erisim tarihi 3 Haziran 2010 Zheng Jiwen 2006 2D Nanoparticle Arrays Show the Organizational Power of Robust DNA Motifs Nano Letters Cilt 6 ss 1502 1504 doi 10 1021 nl060994c ISSN 1530 6984 Cohen Justin D 2007 Addressing Single Molecules on DNA Nanostructures Angewandte Chemie 46 42 ss 7956 7959 doi 10 1002 anie 200702767 ISSN 0570 0833 Park Sung Ha Ekim 2006 Angewandte Chemie 118 40 ss 749 753 doi 10 1002 ange 200690141 ISSN 1521 3757 25 Mayis 2020 tarihinde kaynagindan arsivlendi Erisim tarihi 3 Haziran 2010 Pistol Constantin Mart 2007 Scalable Low cost Hierarchical Assembly of Programmable DNA Nanostructures Nanotechnology 18 12 ss 125305 9 doi 10 1088 0957 4484 18 12 125305 ISSN 0957 4484 Keren K Kasim 2003 DNA Templated Carbon Nanotube Field Effect Transistor Science 302 6549 ss 1380 1382 doi 10 1126 science 1091022 ISSN 1095 9203 17 Eylul 2012 tarihinde kaynagindan arsivlendi Erisim tarihi 3 Haziran 2010 a b Rothemund Paul W K Aralik 2004 Algorithmic Self Assembly of DNA Sierpinski Triangles PLoS Biology 2 12 ss 2041 2053 doi 10 1371 journal pbio 0020424 ISSN 1544 9173 Yurke Bernard 10 Agustos 2000 A DNA fuelled molecular machine made of DNA Nature Cilt 406 ss 605 609 doi 10 1038 35020524 ISSN 0028 0836 Mao Chengde 14 Ocak 1999 A DNA Nanomechanical Device Based on the B Z Transition Nature Cilt 397 ss 144 146 doi 10 1038 16437 ISSN 0028 0836 Yan Hao 3 Ocak 2002 A robust DNA mechanical device controlled by hybridization topology Nature Cilt 415 ss 62 65 doi 10 1038 415062a ISSN 0028 0836