近年來，作為前瞻信息處理和未來生物技術(shù)領(lǐng)域中的前沿熱點技術(shù)，人工DNA回路系統(tǒng)發(fā)展迅速。由于具有高并行性、海量存儲能力以及生物兼容性等優(yōu)點，其在DNA存儲、新型計算模型、基因編輯和納米操控方面有著廣泛的潛在應(yīng)用。與生物系統(tǒng)類似，人工DNA電路能夠通過多種分子信號網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用，實現(xiàn)對DNA分子網(wǎng)絡(luò)和分子機器的精確調(diào)控。目前，常見的理化分子調(diào)控信號包括：化學(xué)鍵、分子間力、別構(gòu)效應(yīng)等。其中，分子別構(gòu)是生命活動中重要的調(diào)節(jié)方式之一，基于別構(gòu)信號傳導(dǎo)的生物分子網(wǎng)絡(luò)調(diào)控具有高選擇性和高精準度等特點。然而，由于現(xiàn)有DNA別構(gòu)信號的級聯(lián)和調(diào)控手段仍較為單一，缺乏拓展和級聯(lián)能力，所以亟需發(fā)展一種新型可編程設(shè)計的DNA別構(gòu)級聯(lián)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制。通過構(gòu)建可級聯(lián)的DNA別構(gòu)信號通路網(wǎng)絡(luò)，來實現(xiàn)DNA別構(gòu)信號網(wǎng)絡(luò)的分子信息整合、調(diào)整、傳遞等復(fù)雜功能，該方向已經(jīng)成為生物計算、基因編輯和DNA存儲等領(lǐng)域的研究焦點之一。

(A) 可編程DNA別構(gòu)轉(zhuǎn)導(dǎo)基本模型；(B)雙位點別構(gòu)信號調(diào)控；(C)四層級聯(lián)DNA別構(gòu)信號回路；(D)遠程DNA別構(gòu)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)納米機器

近期，北京大學(xué)計算機學(xué)院生物計算團隊（張成/許進課題組），聯(lián)合華北電力大學(xué)、美國亞利桑那州立大學(xué)、埃默里大學(xué)、東南大學(xué)和清華大學(xué)等多家國內(nèi)外科研團隊，設(shè)計提出“納米彈弓”結(jié)構(gòu)的新型DNA別構(gòu)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制，成功實現(xiàn)了DNA別構(gòu)信號的可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)、多層級聯(lián)構(gòu)建和精細結(jié)構(gòu)信號調(diào)控。2022年2月2日，相關(guān)成果以“Programmable Allosteric DNA Regulations for Molecular Networks and Nanomachines”為題，以research article形式在線發(fā)表于《科學(xué)·進展》（Science Advances）。

實驗結(jié)果表明，該DNA別構(gòu)信號可以通過改變結(jié)構(gòu)信號的大小、位置甚至數(shù)量而實現(xiàn)別構(gòu)精細調(diào)控。利用該DNA別構(gòu)機制，聯(lián)合研究團隊實現(xiàn)了“扇入/扇出”、多層“級聯(lián)”等基本DNA電路網(wǎng)絡(luò)操作。同時，構(gòu)建的計算仿真模型也得到了類似的別構(gòu)調(diào)控效果。通過嘗試對納米機器進行遠距離DNA別構(gòu)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和精細調(diào)控，在100nm尺度的自組裝納米機器上實現(xiàn)了別構(gòu)信號隔空傳遞和15nm單納米顆粒的響應(yīng)釋放。該研究不僅證明了新型DNA別構(gòu)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的可編程設(shè)計和精準調(diào)控能力，同時還拓展了其在分子信息處理、納米機器和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

北京大學(xué)計算機學(xué)院為該研究工作的第一完成單位，張成副研究員為論文的第一/通訊作者。北京大學(xué)許進教授、歐陽頎院士對本研究給予了悉心指導(dǎo)。該研究獲得科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和北京市國際合作專項等資助，得到北京大學(xué)計算機學(xué)院和高可信軟件技術(shù)教育部重點實驗室的支持。

來源：北京大學(xué)