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脫氧核醣核酸
（英語：DeoxyriboNucleic Acid；縮寫：DNA）又稱去氧核醣核酸，是一種生物大分子，可組成遺傳指令，引導生物發育與生命機能運作。主要功能是資訊儲存，可比喻為「藍圖」或「食譜」。其中包含的指令，是建構細胞內其他的化合物，如蛋白質與核醣核酸所需。帶有蛋白質編碼的DNA片段稱為基因。其他的DNA序列，有些直接以本身構造發揮作用，有些則參與調控遺傳訊息的表現。
DNA是一種長鏈聚合物，組成單位稱為核苷酸，而糖類與磷酸藉由酯鍵相連，組成其長鏈骨架。每個糖單位都與四種鹼基裡的其中一種相接，這些鹼基沿著DNA長鏈所排列而成的序列，可組成遺傳密碼，是蛋白質胺基酸序列合成的依據。讀取密碼的過程稱為轉錄，是根據DNA序列複製出一段稱為RNA的核酸分子。多數RNA帶有合成蛋白質的訊息，另有一些本身就擁有特殊功能，例如核糖體RNA、小核RNA與小干擾RNA。
在細胞內，DNA能組織成染色體結構，整組染色體則統稱為基因組。染色體在細胞分裂之前會先行複製，此過程稱為DNA複製。對真核生物，如動物、植物及真菌而言，染色體是存放於細胞核內；對於原核生物而言，如細菌，則是存放在細胞質中的擬核裡。染色體上的染色質蛋白，如組織蛋白，能夠將DNA組織並壓縮，以幫助DNA與其他蛋白質進行交互作用，進而調節基因的轉錄。
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歷史
最早分離出脫氧核醣核酸的弗雷德里希·米歇爾是一名瑞士醫生，他在1869年，從廢棄繃帶裡所殘留的膿液中，發現一些只有顯微鏡可觀察的物質。由於這些物質位於細胞核中，因此米歇爾稱之為「核素」（nuclein）。到了1919年，菲巴斯·利文進一步辨識出組成脫氧核醣核酸的鹼基、糖類以及磷酸核苷酸單元，他認為脫氧核醣核酸可能是許多核苷酸經由磷酸基團的聯結，而串聯在一起。不過他所提出概念中，脫氧核醣核酸長鏈較短，且其中的鹼基是以固定順序重複排列。1937年，威廉·阿斯特伯里完成了第一張X光繞射圖，闡明了脫氧核醣核酸結構的規律性。
1928年，弗雷德里克·格里菲斯從格里菲斯實驗中發現，平滑型的肺炎球菌，能轉變成為粗糙型的同種細菌，方法是將已死的平滑型與粗糙型活體混合在一起。這種現象稱為「轉型」。但造成此現象的因子，也就是脫氧核醣核酸，是直到1943年，才由奧斯瓦爾德·埃弗里等人所辨識出來。1953年，阿弗雷德·赫希與瑪莎·蔡斯確認了脫氧核醣核酸的遺傳功能，他們在赫希-蔡斯實驗中發現，脫氧核醣核酸是T2噬菌體的遺傳物質。
劍橋大學裡一面紀念克里克與脫氧核醣核酸結構的彩繪窗。到了1953年，當時在卡文迪許實驗室的詹姆斯·沃森與佛朗西斯·克里克，依據倫敦國王學院的羅莎琳·富蘭克林所拍攝的X光繞射圖及相關資料，提出了最早的核酸分子結構精確模型，並發表於《自然》期刊。五篇關於此模型的實驗證據論文，也同時以同一主題發表於《自然》。其中包括富蘭克林與雷蒙·葛斯林的論文，此文所附帶的X光繞射圖，是沃森與克里克闡明脫氧核醣核酸結構的關鍵證據。此外莫里斯·威爾金斯團隊也是同期論文的發表者之一。富蘭克林與葛斯林隨後又提出了A型與B型脫氧核醣核酸雙螺旋結構之間的差異。1962年，沃森、克里克以及威爾金斯共同獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。
克里克在1957年的一場演說中，提出了分子生物學的中心法則，預測了脫氧核醣核酸、RNA以及蛋白質之間的關係，並闡述了「轉接子假說」（即後來的tRNA）。1958年，馬修·梅瑟生與富蘭克林·史達在梅瑟生-史達實驗中，確認了脫氧核醣核酸的複製機制。後來克里克團隊的研究顯示，遺傳密碼是由三個鹼基以不重複的方式所組成，稱為密碼子。這些密碼子所構成的遺傳密碼，最後是由哈爾·葛賓·科拉納、羅伯特·W·霍利以及馬歇爾·沃倫·尼倫伯格解出。為了測出所有人類的脫氧核醣核酸序列，人類基因組計畫於1990年代展開。到了2001年，多國合作的國際團隊與私人企業塞雷拉基因組公司，分別將人類基因組序列草圖發表於《自然》與《科學》兩份期刊。
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技術應用
遺傳工程
重組脫氧核醣核酸技術在現代生物學與生物化學中受到廣泛應用，所謂重組DNA，是指集合其他脫氧核醣核酸序列所製成的人造脫氧核醣核酸，可以質體或以病毒載體搭載所想要的格式，將脫氧核醣核酸轉型到生物個體中。經過遺傳改造處裡之後的生物體，可用來生產重組蛋白質，以供醫學研究使用，或是於農業上栽種，此項農產品的相關技術使用已有近一個世紀歷史，替許多公司帶來巨大財富，但也造成人體健康、自然環境改變等嚴重影響，世界人民逐漸發現這些基因汙染已進入所有人的生活周遭，也會間接改變生畜肉類品質，產生極大爭議(例如：孟山都(MONSANTO)公司)。
法醫鑑識
法醫可利用犯罪現場遺留的血液、精液、皮膚、唾液或毛髮中的脫氧核醣核酸，來辨識可能的加害人。此過程稱為遺傳指紋分析或脫氧核醣核酸特徵測定，此分析方法比較不同人類個體中許多的重複脫氧核醣核酸片段的長度，這些脫氧核醣核酸片段包括短串聯重複序列與小衛星序列等，一般來說是最為可靠的罪犯辨識技術。不過如果犯罪現場遭受多人的脫氧核醣核酸污染，那麼將會變得較為複雜難解。首先於1984年發展脫氧核醣核酸特徵測定的人是一名英國遺傳學家阿萊克·傑弗里斯。到了1988年，英國的謀殺案嫌犯科林·皮奇福克，成為第一位因脫氧核醣核酸特徵測定證據而遭定罪者。利用特定類型犯罪者的脫氧核醣核酸樣本，可建立出資料庫，幫助調查者解決一些只從現場採集到脫氧核醣核酸樣本的舊案件。此外，脫氧核醣核酸特徵測定也可用來辨識重大災害中的罹難者。
歷史學與人類學
由於脫氧核醣核酸在經歷一段時間後會積聚一些具有遺傳能力突變，因此其中所包含的歷史訊息，可經由脫氧核醣核酸序列的比較，使遺傳學家瞭解生物體的演化歷史，也就是種系。這些研究是種系發生學的一部分，也是演化生物學上的有利工具。假如對物種以內範圍的脫氧核醣核酸序列進行比較，那麼群體遺傳學家就可得知特定族群的歷史。此方法的應用範圍可從生態遺傳學到人類學，舉例而言，脫氧核醣核酸證據已被試圖用來尋找失蹤的以色列十支派。DNA也可以用來調查現代家族的親戚關係，例如建構莎麗·海明斯與湯瑪斯·傑佛遜的後代之間的家族關係，研究方式則與上述的犯罪調查相當類似，因此有時候某些犯罪調查案件之所以能解決，是因為犯罪現場的脫氧核醣核酸與犯罪者親屬的脫氧核醣核酸相符。
生物資訊學
生物資訊學影響了脫氧核醣核酸序列資料的運用、搜尋與資料挖掘工作，並發展出各種用於儲存並搜尋脫氧核醣核酸序列的技術，可進一步應用於電腦科學，尤其是字串搜尋演算法、機器學習以及資料庫理論。字串搜尋或比對演算法是從較大的序列或較多的字母中，尋找單一序列或少數字母的出現位置，可發展用來搜尋特定的核苷酸序列。在其他如文本編輯器的應用裡，通常可用簡單的演算法來解決問題，但只有少量可辨識特徵的脫氧核醣核酸序列，卻造成這些演算法的運作不良。序列比對則試圖辨識出同源序列，並定位出使這些序列產生差異的特定突變位置，其中的多重序列比對技術可用來研究種系發生關係及蛋白質的功能。由整個基因組所構成的資料含有的大量脫氧核醣核酸序列，例如人類基因組計畫的研究對象。若要將每個染色體上的每個基因，以及負責調控基因的位置都標示出來，會相當困難。脫氧核醣核酸序列上具有蛋白質或RNA編碼特徵的區域，可利用基因識別演算法辨識出來，使研究者得以在進行實驗以前，就預測出生物體內可能表現出來的特殊基因產物。
脫氧核醣核酸與電腦
脫氧核醣核酸最早在運算上應用，是解決了一個屬於NP完全的小型直接漢彌爾頓路徑問題。脫氧核醣核酸可作為「軟體」，將訊息寫成核苷酸序列；並以酵素或其他分子作為「硬體」進行讀取或修飾。舉例來說，作為硬體的限制酶FokI可以搭載一段具有軟體功能的GGATG序列脫氧核醣核酸，再以其他的脫氧核醣核酸片段進行輸入，並與軟硬體複合物產生反應，最後輸出另一段脫氧核醣核酸。這種類似圖靈機的裝置可應用於藥物治療。此外脫氧核醣核酸運算在能源消耗、空間需求以及效率上優於電子電腦，且脫氧核醣核酸運算為具有高度平行（見平行運算）的計算方式。許多其他問題，包括多種抽象機器的模擬、布爾可滿足性問題，以及有界形式的旅行推銷員問題，皆曾利用脫氧核醣核酸運算做過分析。由於小巧緊密的特性，脫氧核醣核酸也成為密碼學理論的一部分，尤其在於能夠利用脫氧核醣核酸有效地建構並使用無法破解的一次性密碼本。
脫氧核醣核酸與奈米科技
脫氧核醣核酸的分子性質，例如自我組裝特性，使其可用於某些奈米尺度的建構技術，例如利用脫氧核醣核酸作為模板，可導引半導體晶體的生長。或是利用脫氧核醣核酸本身，來製成一些特殊結構，例如由脫氧核醣核酸長鏈交叉形成的脫氧核醣核酸「瓦片」（tile）或是多面體。此外也可以做出一些可活動的元件，例如奈米機械開關，此機械可經由使脫氧核醣核酸在不同的光學異構物（B型與Z型）之間進行轉變，而使構形發生變化，導致開關的開啟或關閉。還有一種脫氧核醣核酸機械含有類似鑷子的構造，可加入外來脫氧核醣核酸使鑷子開合，並排出廢物脫氧核醣核酸，此時脫氧核醣核酸的作用類似「燃料」。脫氧核醣核酸所建構出來的裝置，也可用來作為上述的脫氧核醣核酸運算工具。
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佛朗西斯·克里克所繪，最早的脫氧核醣核酸雙螺旋草圖。
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DNA和RNA的組成與結構。左為RNA，右為DNA。
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