【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)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(guó)家研究中心鄧兆祥教授、姚東寶特任副研究員研究團(tuán)隊(duì)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(guò)程，構(gòu)建了一系列無(wú)信號(hào)泄漏的DNA邏輯運(yùn)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(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)志》(Journal of the American Chemical Society)。
 

　　DNA分子嚴(yán)格遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，具有優(yōu)異的可編程性和結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性。受傳統(tǒng)半導(dǎo)體電子計(jì)算機(jī)的啟發(fā)，能夠執(zhí)行邏輯運(yùn)算功能的DNA分子計(jì)算器件在過(guò)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(yùn)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(bào)道的大多數(shù)DNA邏輯運(yùn)算器件以熒光作為信號(hào)讀出，并依賴熒光強(qiáng)度進(jìn)行結(jié)果判定。這類(lèi)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(hào)泄漏。
 

圖1 基于PAE催組裝的無(wú)泄漏信號(hào)讀出系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
 

　　在DNA膠體晶體工程領(lǐng)域，DNA功能化的納米粒子(也稱(chēng)為可編程原子等價(jià)物，即PAE)可通過(guò)傳統(tǒng)的熱退火方法組裝成不同晶體對(duì)稱(chēng)性的微米級(jí)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(duì)近年來(lái)以DNA鏈替換作為催組裝過(guò)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(guò)恒溫條件下精準(zhǔn)調(diào)控納米粒子組裝路徑，實(shí)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(shí)現(xiàn)組裝結(jié)構(gòu)間固相轉(zhuǎn)變的問(wèn)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(jiǎn)單且通用的途徑。在該策略中，DNA催組劑類(lèi)似于化學(xué)反應(yīng)的催化劑，可通過(guò)糾正無(wú)定形聚集結(jié)構(gòu)中的錯(cuò)誤DNA連接，加速組裝系統(tǒng)脫離各種動(dòng)力學(xué)陷阱，實(shí)現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)逃逸。
 

　　針對(duì)傳統(tǒng)熒光讀出策略構(gòu)筑DNA邏輯器件面臨的問(wèn)題，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)成功將DNA鏈替換邏輯運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)與納米粒子催組裝結(jié)合，首次實(shí)現(xiàn)DNA分子邏輯驅(qū)動(dòng)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(wú)泄漏且直觀可視的邏輯信號(hào)讀出系統(tǒng)。在作者設(shè)計(jì)的納米粒子催組裝系統(tǒng)中，惰性納米粒子(dPAE，無(wú)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(diǎn)協(xié)同作用；另一方面，過(guò)高濃度的DNA催組劑會(huì)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(dòng)PAE的催組裝過(guò)程，故不能形成穩(wěn)定的超晶體，即泄漏的噪聲可被完全“過(guò)濾”吸收，使得所構(gòu)建的邏輯器件具有優(yōu)異的抗信號(hào)泄漏能力。邏輯運(yùn)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(wú)須人為設(shè)定信號(hào)強(qiáng)度閾值(圖1)。當(dāng)PAE超晶體的類(lèi)型和有序度不影響輸出判斷時(shí)，可以更為方便地通過(guò)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)或肉眼觀察獲知運(yùn)算結(jié)果。
 

圖2 以PAE催組裝為信號(hào)讀出的雙輸入DNA邏輯門(mén)
 

　　通過(guò)理性化設(shè)計(jì)，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(mén)(圖2)以及兩層級(jí)聯(lián)DNA邏輯回路(OR-AND、AND-OR、AND-NOR)。借助SAXS信號(hào)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(mén)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了半加法運(yùn)算。同時(shí)，該工作還成功構(gòu)筑了一個(gè)具有信息安全保護(hù)功能的雙輸入DNA鍵盤(pán)鎖。由于PAE催組裝僅作為DNA邏輯運(yùn)算系統(tǒng)的最終信號(hào)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(lái)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(shí)現(xiàn)的無(wú)泄漏DNA邏輯門(mén)是對(duì)現(xiàn)有DNA邏輯系統(tǒng)的顯著改進(jìn)，在構(gòu)筑具有邏輯運(yùn)算功能和動(dòng)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(guó)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(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金委重大項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心以及中國(guó)科大青年創(chuàng)新重點(diǎn)基金的資助。