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(fā)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(fā)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(fā)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(lián)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(lián)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(yī)學工程技術研究所研究員繆鵬課題組發(fā)展出一種基于DNA雙足步行的電化學納米機器,并通過級聯(lián)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(lián)關系。研究首先在電極界面修飾莖環(huán)結構的軌道探針分子;在上游均相體系中引入目標觸發(fā)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(huán)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(lián)鏈置換反應構建出AND、OR門,并與NOT門聯(lián)合發(fā)展出NAND、NOR、XOR、XNOR門。研究構建的雙輸入邏輯電路表現(xiàn)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(yī)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(fā)表在ACS Central Science上。研究工作得到國家重點研發(fā)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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