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JACS:北京大学张成/许进课题组构建可重构DNA电路

随着信息处理量爆炸性猛增,传统信息处理技术面临着前所未有的巨大挑战。在众多前瞻计算技术中,DNA计算和分子智能系统以其高分子并行性、存储能力以及生物兼容性吸引了人们的目光。其中,DNA电路(DNA circuit)是该领域重要的分子信息调控和处理技术。其应用涉及多个领域,包括分子计算与存储、基因编辑和纳米机器等。然而,与硅基电路只消耗输入电信号不同,传统的DNA电路其自身会作为反应物消耗,从而降低了系统的稳定性,并增加了复杂性和DNA编码难度。因此,如何设计构建可重构DNA电路,以实现高稳定和可迭代的生物计算和基因编辑系统已成为领域内亟待解决的重要问题。


近日,北京大学信息学院计算机系张成课题组在可重构DNA电路研究中取得重要进展,相关论文发表在《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc.)。这是北京大学计算机系首次以第一单位在JACS期刊上发表文章。同时,体现了北京大学近年来以“学科交叉与融合为重点”的学科建设指导思想。



受生物基因调控的启发,本研究设计DNA缺刻酶催化和熵驱动DNA链置换双重催化机制,首次构建了自调节可重构DNA电路。其关键机制是:熵驱动DNA反应的双链DNA产物,可以作为底物进入缺刻酶切反应环路;而酶切生成的活性DNA产物,又可作为底物再次进入熵驱动DNA链置换反应环路。因此,和硅基电路只消耗电信号相似,只要持续输入DNA“燃料”信号,两个反应环路就会相互衔接,可重构DNA电路就会持续输出信号,并保持电路的完整。同时,研究还构建了多输入双层可重构DNA电路以证明其拓展性。该方法的建立,为发展新型生物计算和基因编辑技术奠定了基础,提供了新思路。


近年来,北京大学信息学院张成/许进课题组聚焦生物计算和分子智能领域,围绕DNA计算、分子电路和自组装器件等领域展开系列研究。利用DNA别构效应,构建了多层级联DNA电路,并建立数学模型分析了级联信号传递方式 (Nucleic Acids Research, 2019, 3, 1097)。结合DNA适配体和核酸转录技术,实现了DNA/RNA混合分子电路,并用于DNA甲基化检测 (Chem. Commun., 2019, 55, 7378)。引入DNA核酶调控技术,构建了具有自调节功能的DNA电路,实现自反馈分子调节网络 (Nucleic Acids Research, 2018, 46, 8532)。使用缺刻酶控制,构建了级联DNA链置换逻辑门电路,探究了混合分子电路的反应特点 (Nanoscale, 2017, 9, 18223)。结合DNA核酶和自组装折纸技术,构建了基于二维平面结构的DNA电路,实现了模块化智能纳米组装(Nano Lett., 2016, 16, 736)。


北京大学张成副研究员为以上相关论文的第一/通讯作者。以上研究工作得到了北京大学生物计算团队学术带头人许进教授的悉心指导和大力支持。同时,国内外多个科研团队合作参与了以上科研工作:亚利桑那州立大学Hao Yan教授,埃默里大学Yonggang Ke教授,普渡大学Chengde Mao教授,华中科技大学潘林强教授,大连理工大学张强教授,东南大学陆祖宏教授等。该系列研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育联合基金和北京市自然科学基金的资助。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Nicking-Assisted Reactant Recycle To Implement Entropy-Driven DNA Circuit

Cheng Zhang,* Zhiyu Wang, Yan Liu, Jing Yang, Xinxin Zhang, Yifan Li, Linqiang Pan, Yonggang Ke,* Hao Yan*

J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b07521


延伸阅读:

科技日报(2019年5月15日稿):科学家研发出DNA计算机:未来程序员拿试管写代码?

http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2019-05/15/node_9.htm?from=singlemessage&isappinstalled=0

https://mp.weixin.qq.com/s/ULwa16SQo9oOA8RjxPW6kg


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