核酸作为已知生命形式中必不可少的生物聚合物或生物大分子,承载着储存和编码生命体遗传信息的重要职责。随着DNA纳米技术领域的发展,自然系统中的核酸复杂结构与功能已被广泛研究,核酸自身的特点与优势也被精准剖析,使其不仅能作为纳米材料成功地构建出复杂的纳米结构、器械与反应网络,更是推动了核酸作为可设计性的基因表达网络与强大特异性识别系统在合成生物学、分子生物学以及生物物理学等领域中的应用。而本论文中我们侧重研究了核酸结构的功能化及其在构建可编程DNA分子网络与优化基因编辑领域的应用。Toehold介导的链替换反应作为动态DNA纳米技术中的基础,已证明其在动态分子系统中非凡的可编程能力。而反应中反应底物结构的动态可控对于构建具有数字和动态行为的复杂DNA装置至关重要,因此在第二章中我们通过在传统“线性底物”的Toehold结构域与分支迁移域之间嵌入一个pH控制的分子间三链结构体,开发了一种动态可控分离式的DNA电路体系。该体系可以通过pH值的变化来调节反应速率和可拆卸电路的“开关”状态。由此我们也成功地构建了由三个pH响应DNA模块组成的双输入电路。重要的是,在第三章中我们更是利用了该分子间三链体结构的高度可分离性,构建了一种球形核酸的可重置自组装系统,该装置可以在恒定温度下实现反应重置且无额外DNA废产物产生。此外该策略更是演示了一个从球形核酸自组装系统中回收废弃球形核酸的实例。该策略的提出给复杂分子系统和可重编辑纳米粒子超晶格的动态调节提供了一种简便新颖的思路。另一方面作为储存和编码生命体遗传信息的重要载体,DNA各种不同的表现形态与修正状态对生命体体征的影响也不尽相同。针对靶向基因序列的CRISPR编辑技术因其优秀的可编程性和特异性识别能力提供了在基因序列上更多可操控的编辑空间;而其在人类哺乳细胞尤其是干细胞、原代细胞的有限的基因敲入能力以及高的脱靶效应,严重局限了该技术在更多遗传疾病诊疗技术中的应用。因此在第四章中,我们发现将含有短同源臂的双链DNA的5’末端进行化学小分子的修饰并充当供体模板时,能够有效的提高基因敲入效率。将高稳定性和低毒性的Cas9核糖核蛋白与作为供体模板的末端修饰双链DNA相结合的设计具有高敲入效率、短试验周期、高安全性以及高精度等优点。且在人类胚胎肾脏细胞中0.7/2.5 kb插入长度的DNA片段分别实现了空前的65%/40%敲入效率,并鉴定出5’末端化学修饰的双链DNA供体能够在人类肿瘤细胞和干细胞内不同基因组位点上实现5倍基因敲入效率的提高。针对核酸的化学修饰的设计,不仅给该研究领域提供了一个新颖的优化方向,更是拓宽了基因编辑技术在实际应用中的使用范围。在第五章中,我们更是通过将核酸的动态链替换反应概念应用在CRISPR体系上,高效的抑制了基因编辑中脱靶效应这一大难题。我们通过设计与sgRNA引导序列反义的短单链DNA保护链与sgRNA相结合,经过合理的结构优化实现了脱靶效率的有效抑制;且在人类内源基因位点上实现了高达90%以上的脱靶效率的抑制。该策略的设计不仅实现了生物体系与核酸纳米技术的成功结合,更是通过简单有效的方法实现了基因编辑的精准编辑。