计算机科学技术系张成课题组生物计算-DNA电路领域取得系列进展

发布时间：2019-09-27

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随着信息处理量爆炸性猛增，传统信息处理技术面临着前所未有的巨大挑战。在众多前瞻计算技术中，生物计算和分子智能系统以其高分子并行性、存储能力以及生物兼容性吸引了人们的目光。其中， DNA电路(DNA circuit)是该领域重要的分子信息调控和处理技术。其应用涉及多个领域，包括分子计算与存储、基因编辑和纳米机器等。然而，与硅基电路只消耗输入电信号不同，传统的DNA电路其自身会作为反应物消耗，从而降低了系统的稳定性，并增加了复杂性和DNA编码难度。因此，如何设计构建可重构DNA电路，以实现高稳定和可迭代的生物计算和基因编辑系统已成为领域内亟待解决的重要问题。

近日，北京大学信息学院计算机系张成课题组在可重构DNA电路研究中取得重要进展，在《美国化学会志》在线发表题为“Nicking-Assisted Reactant Recycle to Implement Entropy-Driven DNA Circuit”研究论文(J. Am. Chem. Soc, 2019, research article, https://doi.org/10.1021/jacs.9b07521)。

受生物基因调控的启发，本研究设计DNA缺刻酶催化和熵驱动 DNA链置换双重催化机制，首次构建了自调节可重构DNA电路。其关键机制是：熵驱动DNA反应的双链DNA产物，可以作为底物进入缺刻酶切反应环路；而酶切生成的活性DNA产物，又可作为底物再次进入熵驱动DNA链置换反应环路。因此，和硅基电路只消耗电信号相似，只要持续输入DNA“燃料”信号，两个反应环路就会相互衔接，可重构DNA电路就会持续输出信号，并保持电路的完整。同时，研究还构建了多输入双层可重构DNA电路以证明其拓展性。该方法的建立，为发展新型生物计算和基因编辑技术奠定了基础，提供了新思路。

近年来，信息学院张成/许进课题组聚焦生物计算和分子智能领域，围绕生物计算、分子电路和自组装器件等领域展开系列研究。利用DNA别构效应，构建了多层级联DNA电路，并建立数学模型分析了级联信号传递方式 (Nucleic Acids Research, 2019, 3:20, 1097-1109)。结合DNA适配体和核酸转录技术，实现了DNA/RNA混合分子电路，并用于DNA甲基化检测 (Chemical Communications, 2019, 55, 7378-7381)。引入DNA核酶调控技术，构建了具有自调节功能的DNA电路，实现自反馈分子调节网络 (Nucleic Acids Research, 2018, 46:16, 8532-8541)。使用缺刻酶控制，构建了级联DNA链置换逻辑门电路，探究了混合分子电路的反应特点 (Nanoscale, 2017, 9, 18223-18228)。

北京大学张成副研究员为以上相关论文的通讯作者。以上工作得到了北京大学生物计算团队带头人许进教授的悉心指导和大力支持。该系列研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育联合基金和北京市自然科学基金的经费资助。