基于DNA堿基之間的互補配對原則可以設計組裝多種復雜的二級結構,進而開發出具有特定功能的DNA分子器件,包括分子開關、納米機器、分子框架、邏輯電路等。這些分子器件不僅在生命科學研究領域內發揮著重要作用,并在能源、信息、生物計算等研究領域均有重要意義。DNA邏輯門是將DNA等生物分子或其他外界信息作為輸入(input),通過DNA結構變化引發的各種表征結果作為輸出(output),布爾運算后可以使得各種輸入之間的相互識別關聯關系得以明確。此外,通過將前一個邏輯門的輸出作為后一個邏輯門的輸入,可以構建多個級聯的邏輯門,即邏輯電路。邏輯電路的組合、信號輸出方式具有多樣化的特點,有廣泛應用前景。

中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所研究員繆鵬課題組發展出一種基于DNA雙足步行的電化學納米機器,并通過級聯鏈置換構建出系列DNA邏輯電路,用于研究復雜生物樣本中多種生物分子的關聯關系。研究首先在電極界面修飾莖環結構的軌道探針分子;在上游均相體系中引入目標觸發的鏈置換聚合反應,用于特定序列單鏈的大量合成;利用DNA三通結結構完成雙足步行鏈的組裝;在莖環結構驅動鏈的存在條件下使其在電極界面交替行走,完成電化學信號分子的富集探測(圖1)。進一步地,科研人員利用不完整三通結及雙鏈結構的設計,進行級聯鏈置換反應構建出AND、OR門,并與NOT門聯合發展出NAND、NOR、XOR、XNOR門。研究構建的雙輸入邏輯電路表現出良好的邏輯運算、操作性能(圖2)。隨后,科研人員通過四通結及雙鏈結構的設計完成了三輸入AND、OR門的搭建。該系列邏輯電路不僅可應用于超靈敏生物醫學檢驗,也可為生物分子信息控制、通信、生物計算機等領域的研究工作提供新思路。

相關研究成果發表在ACS Central Science上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等的資助。

圖1.DNA雙足步行器的示意圖及結果

圖2.雙輸入的邏輯電路示意圖及結果

圖3.三輸入的邏輯電路示意圖及結果

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