【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心鄧兆祥教授、姚東寶特任副研究員研究團(tuán)隊利用可編程DNA鏈替換反應(yīng)精準(zhǔn)調(diào)控納米粒子催組裝過程，構(gòu)建了一系列無信號泄漏的DNA邏輯運算器件。相關(guān)成果以“Implementation of Digital Computing by Colloidal Crystal Engineering with DNA”為題，近日在線發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)會會志》(Journal of the American Chemical Society)。
 

　　DNA分子嚴(yán)格遵循堿基互補配對原則，具有優(yōu)異的可編程性和結(jié)構(gòu)可設(shè)計性。受傳統(tǒng)半導(dǎo)體電子計算機(jī)的啟發(fā)，能夠執(zhí)行邏輯運算功能的DNA分子計算器件在過去30年中經(jīng)歷了快速發(fā)展。其中，基于toehold介導(dǎo)的DNA鏈替換反應(yīng)所構(gòu)筑的DNA邏輯運算器件展現(xiàn)出很高的復(fù)雜度和優(yōu)異的可集成性。目前報道的大多數(shù)DNA邏輯運算器件以熒光作為信號讀出，并依賴熒光強(qiáng)度進(jìn)行結(jié)果判定。這類器件僅能在分子水平上處理信息，難以避免非特異性反應(yīng)導(dǎo)致的信號泄漏。
 

圖1 基于PAE催組裝的無泄漏信號讀出系統(tǒng)設(shè)計原理
 

　　在DNA膠體晶體工程領(lǐng)域，DNA功能化的納米粒子(也稱為可編程原子等價物，即PAE)可通過傳統(tǒng)的熱退火方法組裝成不同晶體對稱性的微米級超晶格(面心立方、體心立方、氯化銫等)。受田中群院士提出的催組裝(Catassembly)概念啟發(fā)，中科大團(tuán)隊近年來以DNA鏈替換作為催組裝過程的基元反應(yīng)，發(fā)展了系列納米粒子催組裝策略(PNAS2020, 117, 5617；PNAS2023, 120, e2219034120；Angew. Chem. Int. Ed.2024, 63, e202403492)。通過恒溫條件下精準(zhǔn)調(diào)控納米粒子組裝路徑，實現(xiàn)有序超晶格的構(gòu)筑，解決了傳統(tǒng)熱退火方法不能充分利用DNA的可編程性、不利于活性組裝基元(如蛋白酶)引入以及難以實現(xiàn)組裝結(jié)構(gòu)間固相轉(zhuǎn)變的問題。尤其是可去除型DNA催組劑(Catassembler)協(xié)助的催組裝策略(PNAS2023, 120, e2219034120)，為恒溫制造納米粒子超晶體提供了一種簡單且通用的途徑。在該策略中，DNA催組劑類似于化學(xué)反應(yīng)的催化劑，可通過糾正無定形聚集結(jié)構(gòu)中的錯誤DNA連接，加速組裝系統(tǒng)脫離各種動力學(xué)陷阱，實現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)逃逸。
 

　　針對傳統(tǒng)熒光讀出策略構(gòu)筑DNA邏輯器件面臨的問題，中國科大團(tuán)隊成功將DNA鏈替換邏輯運算網(wǎng)絡(luò)與納米粒子催組裝結(jié)合，首次實現(xiàn)DNA分子邏輯驅(qū)動的大尺寸三維膠體超晶體構(gòu)筑，表明納米粒子催組裝可作為無泄漏且直觀可視的邏輯信號讀出系統(tǒng)。在作者設(shè)計的納米粒子催組裝系統(tǒng)中，惰性納米粒子(dPAE，無粘性末端)需要與上游DNA邏輯回路釋放的引發(fā)鏈(Trigger)之間發(fā)生DNA鏈替換反應(yīng)，才能轉(zhuǎn)化為活性納米粒子(PAE，有粘性末端)。一方面，PAE組裝需要足夠數(shù)量的粘性末端以獲得多位點協(xié)同作用；另一方面，過高濃度的DNA催組劑會導(dǎo)致PAE粘性末端被封堵從而破壞組裝結(jié)構(gòu)。因上游DNA邏輯回路非特異性釋放的Trigger不足以啟動PAE的催組裝過程，故不能形成穩(wěn)定的超晶體，即泄漏的噪聲可被完全“過濾”吸收，使得所構(gòu)建的邏輯器件具有優(yōu)異的抗信號泄漏能力。邏輯運算結(jié)果可根據(jù)特定超晶體的小角X射線散射(SAXS)圖案進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，無須人為設(shè)定信號強(qiáng)度閾值(圖1)。當(dāng)PAE超晶體的類型和有序度不影響輸出判斷時，可以更為方便地通過紫外-可見分光光度計或肉眼觀察獲知運算結(jié)果。
 

圖2 以PAE催組裝為信號讀出的雙輸入DNA邏輯門
 

　　通過理性化設(shè)計，作者構(gòu)建了一系列單輸入(YES和NOT)、雙輸入(OR、AND、XOR、NOR、NAND、XNOR、INHIBIT)DNA邏輯門(圖2)以及兩層級聯(lián)DNA邏輯回路(OR-AND、AND-OR、AND-NOR)。借助SAXS信號優(yōu)異的區(qū)分度，基于兩種不同超晶格體系分別構(gòu)建的XOR和AND邏輯門，進(jìn)一步實現(xiàn)了半加法運算。同時，該工作還成功構(gòu)筑了一個具有信息安全保護(hù)功能的雙輸入DNA鍵盤鎖。由于PAE催組裝僅作為DNA邏輯運算系統(tǒng)的最終信號讀出，理論上任何基于DNA鏈替換反應(yīng)的邏輯回路均可適用，從而有利于未來構(gòu)建更復(fù)雜、更大規(guī)模的DNA邏輯體系。本工作基于PAE催組裝實現(xiàn)的無泄漏DNA邏輯門是對現(xiàn)有DNA邏輯系統(tǒng)的顯著改進(jìn)，在構(gòu)筑具有邏輯運算功能和動態(tài)可編程的三維有序大尺寸膠體超晶格方面邁出重要一步。
 

　　中國科大博士研究生劉曉雨和姚東寶特任副研究員為本論文的共同第一作者，中國科大鄧兆祥教授、姚東寶特任副研究員以及上海光源滑文強(qiáng)副研究員為本論文的通訊作者。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委重大項目、科技部重點研發(fā)計劃、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心以及中國科大青年創(chuàng)新重點基金的資助。