Structural DNA Nanotechnology and Algorithmic Self-Assembly

Sung Ha Park (SKKU)

Although it is well known as molecules for storage of genetic information in biology, DNA has also been recognized as an efficient building material in the field of DNA nanotechnology. DNA molecules provide basic building blocks for constructing functionalized nanostructures with two major features: self-assembly and programmability. Here we present on self-assembled various DNA nanostructures and their applications. 1D and 2D periodically patterned nanostructures utilizing several distinct DNA motifs such as cross tiles, double crossover tiles as well as single- stranded tiles will be discussed with unique design schemes and characteristics. We have demonstrated fabrication of size-controllable, fully addressable, and precisely programmable DNA-based nanostructures. Especially in construction of “working” devices, properly designed DNA lattices can serve as a controllable and programmable scaffold for organizing nanomaterials such as protein or nanoparticles. We also discuss DNA algorithmic self assembly which has been proposed as an effective method for the bottom-up fabrication of complicated patterns. In order to achieve an algorithmic DNA crystal with relatively low error rates and high crystal nucleation, we introduce a rationally designed error correction scheme of a proofreading crystal and a rigid nucleating structure.

DNA 나노구조물 및 DNA 알고리즘

박성하 (성균관대학교 물리학과및 성균나노과학기술원)

DNA 나노기술은 DNA가 가지고 있는 생화학적 특성인 자기조립을 이용하여 마이크론 크기의 구조를 제작하는 기술로 나노미터의 정확성으로 구조물을 제어 할 수 있는 과학기술이다. 초기 설계방법에 따라 형태적으로는 선형, 평면 및 입체구조물의 조립이 가능하고, 기능적인 측면에서는 움직임이 수반되는 기계적인 모터와 DNA 구조물을 주형(scaffold)으로 한 나노전자기소자 및 나노바이오센서의 제작도 가능하다. 또한, 몇 개의 DNA가닥에 인위적인 정보를 입력함으로서 컴퓨터의 중요한 기능중의 하나인 알고리듬을 이용한 패턴제작도 실험적으로 가능함이 입증되었다. 본 연구발표에서는 DNA를 이용한 몇 개의 기본 타일을 이용한 다양한 DNA 나노구조물이 어떻게 만들어지는지 설명하고자 한다. 이러한 인위적으로 디자인된, 크기 및 직경 제어가 가능한 DNA 나노구조물을 이용하면 다양한 응용 연구가 가능하다. 예를 들어 금속을 입힌 DNA 나노와이어, DNA 격자를 이용한 단백질 정렬, 그리고 알고리듬 DNA 격자구조물등이 있다. DNA 분자를 이용한 본 연구의 결과들은 향후 DNA 나노구조물에 물리적, 생화학적특성을 가진 물질들을 접합함으로서, 다양한 소자 및 센서 개발 등에 적용 될 것으로 기대된다.