分岐DNAからなるDNA機能材料。設計、合成、および応用

DNA Functional Materials Assembled from Branched DNA: Design, Synthesis, and Applications.

• Yuhang Dong
• Chi Yao
• Yi Zhu
• Lu Yang
• Dan Luo
• Dayong Yang

抄録

DNAは伝統的に、生体システムの中心的な遺伝的生体分子として知られています。別の観点から見ると、DNAは、その固有の生物学的属性、分子認識能力、配列プログラム可能性、および生体適合性のために、機能性材料、特に生体材料を構築するための汎用性の高い分子ビルディングブロックである。DNAビルディングブロックのトポロジーには、主に直鎖型、環状型、分岐型があります。分岐型DNAは、最近では、新しい生体材料の合成に利用される多目的ビルディングブロックとして広く利用されており、様々な応用が検討されている。本レビューでは、分岐型DNAを用いた機能性材料の開発の進展について述べる。まず、DNA分子の背景情報を簡単に紹介し、分岐DNAを用いた機能性材料の開発の歴史を概説する。第2部では、ビルディングブロックとしての分岐DNAの合成戦略を、塩基対形成と化学結合に分類し、第3部では、分岐DNAをビルディングブロックとしたDNA機能材料の構築戦略について述べる。第三部では、分岐DNAをベースにした機能性材料の構築戦略を、タイルを介した集合体、DNA折り紙、動的集合体、ハイブリッド集合体などに包括的にまとめた。第四部では、診断学、タンパク質工学、薬物・遺伝子デリバリー、治療学、細胞工学などの応用例を示す。最後に、課題と将来の展望について述べる。分岐DNA機能材料は、独創的な設計と合成によってDNAナノテクノロジーを豊かにするだけでなく、化学、生物学、医学、工学などの学際的な分野の発展を促進し、最終的には生物学や医療関連の応用に対する現実世界での要求の高まりに対応することができると考えている。

DNA is traditionally known as a central genetic biomolecule in living systems. From an alternative perspective, DNA is a versatile molecular building-block for the construction of functional materials, in particular biomaterials, due to its intrinsic biological attributes, molecular recognition capability, sequence programmability, and biocompatibility. The topologies of DNA building-blocks mainly include linear, circular, and branched types. Branched DNA recently has been extensively employed as a versatile building-block to synthesize new biomaterials, and an assortment of promising applications have been explored. In this review, we discuss the progress on DNA functional materials assembled from branched DNA. We first briefly introduce the background information on DNA molecules and sketch the development history of DNA functional materials constructed from branched DNA. In the second part, the synthetic strategies of branched DNA as building-blocks are categorized into base-pairing assembly and chemical bonding. In the third part, construction strategies for the branched DNA-based functional materials are comprehensively summarized including tile-mediated assembly, DNA origami, dynamic assembly, and hybrid assembly. In the fourth part, applications including diagnostics, protein engineering, drug and gene delivery, therapeutics, and cell engineering are demonstrated. In the end, an insight into the challenges and future perspectives is provided. We envision that branched DNA functional materials can not only enrich the DNA nanotechnology by ingenious design and synthesis but also promote the development of interdisciplinary fields in chemistry, biology, medicine, and engineering, ultimately addressing the growing demands on biological and medical-related applications in the real world.