با استفاده از کریستالوگرافی اشعه ایکس، محققان ۳۶ اتصال مولکولی مبتنی بر DNA را مورد مطالعه قرار دادند و فاکتورهایی را کشف کردند که ساختارهای شبکه سه‌بعدی خودآرا را ایجاد می‌کنند. این کار مجموعه بلوک‌های ساختمانی شبکه‌هایی را گسترش می‌دهد که می‌توانند مولکول‌ها را به آرایه‌های منظم، از پروتئین‌ها برای مطالعات ساختاری گرفته تا نانوذرات، برای تولید نانو آنتن‌ها و حسگرهای تک‌ذره‌ای تبدیل کنند.
یافته‌ای که به طراحی زیست‌ساختارهای سه‌بعدی خودآرا کمک می‌کند
طبیعت از مارپیچ دوگانه DNA برای ذخیره نقشه تمام اشکال زنده استفاده کرده و از الفبای چهار حرفی نوکلئوتیدها برای این منظور استفاده می‌کند. محققان حوزه نانوفناوری DNA به دنبال تقلید و حتی گسترش امکانات معماری DNA فراتر از آن چیزی هستند که طبیعت ایجاد کرده است.
یکی از بلوک‌های ساختمانی اساسی که در ساخت بسیاری از نانوفرم‌های DNA استفاده می‌شود، به‌عنوان اتصال هالیدی (Holliday junction) شناخته می‌شود. این پیوند از دو بخش از DNA دو رشته‌ای برای تشکیل شبکه‌های بلوری پیچیده و خودآرایی در مقیاس نانومتری استفاده می‌کند.
در این کار، محققان ویژگی‌های ۳۶ نوع اتصال هالیدی را بررسی کردند. آن‌ها دریافتند که اثربخشی یک نوع معین از این اتصالات برای نانومعماری کریستالی، نه تنها به آرایش چهار جفت نوکلئوتیدی که محل اتصال را تشکیل می‌دهند بستگی دارد، بلکه به توالی‌هایی که چهار بازو پیوند را تشکیل می‌دهند وابسته بوده و به حضور یون‌هایی که درون آن‌ها جذب می‌شوند نیز وابسته است. این مجموعه بلوک‌های سازنده DNA، چینش دقیق اجزای مولکولی را در مقیاس نانو ممکن می‌سازد.
هدف اساسی نانوفناوری DNA ساختاری طراحی منطقی بلورهای سه‌بعدی خودآرایی داده با اتصالات DNA است. این داربست‌ها می‌توانند روزی دانشمندان را قادر سازند تا پروتئین‌ها، پپتیدها، مولکول‌های کوچک و نانوذرات را در آرایه‌های منظم قرار دهند و روش‌های غربالگری کریستالیزاسیون استاندارد را برای مجموعه‌ای از مولکول‌های هدف دور بزنند.
این داربست‌های DNA می‌توانند به‌عنوان اسفنج‌های مولکولی که اهداف را جذب می‌کنند استفاده شده و از آن‌ها خواه برای موقعیت‌یابی پروتئین‌های دخیل در آبشارهای آنزیمی و چه برای جهت‌دهی نانوذرات مختلف برای کاربردهای نانوالکترونیک یا نانوفوتونیکی (مانند نانوآنتن‌ها، فرامواد، و تک‌مولکول‌های حسگر) استفاده کرد.
در اینجا، محققان اولین مطالعه سیستماتیک اتصالات هالیدی را برای بلورهای DNA خودآرا با استفاده از کریستالوگرافی اشعه ایکس انجام دادند. در این پروژه۱۳۴ ساختار بلوری منحصر به فرد بررسی شد.
برای دهه‌ها، یک توالی نوکلئوتیدی اتصال هالیدی (J1) برای همه سیستم‌های کریستالی DNA خودآرایی استفاده می‌شد، زیرا در ابتدا به عنوان مطلوب‌ترین توالی از نظر انرژی توصیف می‌شد. با این حال، در این مطالعه، محققان مجموعه‌ای از اتصالات برتر را شناسایی کردند که نه تنها وضوح را بهبود می‌بخشد، بلکه تقارن کریستال را نیز کنترل می‌کند.
به طور غیرمنتظره‌ای، معلوم شد که نوکلئوتیدهای مجاور محل اتصال می توانند تأثیر قابل توجهی بر روی معماری شبکه و همچنین بر وضوح داشته باشند. علاوه بر این، شش توالی اتصال کاملاً در برابر تبلور مقاوم بودند. شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی نشان داد که این اتصالات همیشه فاقد دو محل اتصال یونی هستند که برای تشکیل کریستال مهم هستند.
در حال حاضر تلاش‌هایی برای طراحی منطقی سیستم‌های کریستالی جدید با تقارن‌های متفاوت برای میزبانی از مواد مهمان در حال انجام است. از نتایج این کار می‌توان برای ایجاد جعبه ابزار برای مهندسی مولکولی پلتفرم‌های مبتنی بر DNA برای نانوالکترونیک کاربردی، نانو فوتونیک و کاتالیست استفاده کرد.
