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  隨著信息處理量爆炸性猛增，傳統(tǒng)信息處理技術(shù)面臨著前所未有的巨大挑戰(zhàn)。在眾多前瞻計(jì)算技術(shù)中，DNA計(jì)算和分子智能系統(tǒng)以其高分子并行性、存儲能力以及生物兼容性吸引了人們的目光。其中， DNA電路(DNA circuit)是該領(lǐng)域重要的分子信息調(diào)控和處理技術(shù)。其應(yīng)用涉及多個(gè)領(lǐng)域，包括分子計(jì)算與存儲、基因編輯和納米機(jī)器等。然而，與硅基電路只消耗輸入電信號不同，傳統(tǒng)的DNA電路其自身會作為反應(yīng)物消耗，從而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并增加了復(fù)雜性和DNA編碼難度。因此，如何設(shè)計(jì)構(gòu)建可重構(gòu)DNA電路，以實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定和可迭代的生物計(jì)算和基因編輯系統(tǒng)已成為領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的重要問題。

  近日，北京大學(xué)信息學(xué)院計(jì)算機(jī)系張成/許進(jìn)團(tuán)隊(duì)在可重構(gòu)DNA電路研究中取得重要進(jìn)展，在《美國化學(xué)會志》在線發(fā)表題為“Nicking-Assisted Reactant Recycle to Implement Entropy-Driven DNA Circuit”研究論文(J. Am. Chem. Soc, 2019, research article)。這是北京大學(xué)計(jì)算機(jī)系首次以第一單位在JACS期刊上發(fā)表文章。同時(shí)，體現(xiàn)了北京大學(xué)近年來以“學(xué)科交叉與融合為重點(diǎn)”的學(xué)科建設(shè)指導(dǎo)思想。

  受生物基因調(diào)控的啟發(fā)，本研究設(shè)計(jì)DNA缺刻酶催化和熵驅(qū)動(dòng) DNA鏈置換雙重催化機(jī)制，首次構(gòu)建了自調(diào)節(jié)可重構(gòu)DNA電路。其關(guān)鍵機(jī)制是：熵驅(qū)動(dòng)DNA反應(yīng)的雙鏈DNA產(chǎn)物，可以作為底物進(jìn)入缺刻酶切反應(yīng)環(huán)路；而酶切生成的活性DNA產(chǎn)物，又可作為底物再次進(jìn)入熵驅(qū)動(dòng)DNA鏈置換反應(yīng)環(huán)路。因此，和硅基電路只消耗電信號相似，只要持續(xù)輸入DNA“燃料”信號，兩個(gè)反應(yīng)環(huán)路就會相互銜接，可重構(gòu)DNA電路就會持續(xù)輸出信號，并保持電路的完整。同時(shí)，研究還構(gòu)建了多輸入雙層可重構(gòu)DNA電路以證明其拓展性。該方法的建立，為發(fā)展新型生物計(jì)算和基因編輯技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，提供了新思路。

  近年來，北京大學(xué)信息學(xué)院張成/許進(jìn)課題組聚焦生物計(jì)算和分子智能領(lǐng)域，圍繞DNA計(jì)算、分子電路和自組裝器件等領(lǐng)域展開系列研究。利用DNA別構(gòu)效應(yīng)，構(gòu)建了多層級聯(lián)DNA電路，并建立數(shù)學(xué)模型分析了級聯(lián)信號傳遞方式 (Nucleic Acids Research, 2019, 3:20, 1097-1109)。結(jié)合DNA適配體和核酸轉(zhuǎn)錄技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了DNA/RNA混合分子電路，并用于DNA甲基化檢測 (Chemical Communications, 2019, 55, 7378-7381)。引入DNA核酶調(diào)控技術(shù)，構(gòu)建了具有自調(diào)節(jié)功能的DNA電路，實(shí)現(xiàn)自反饋分子調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò) (Nucleic Acids Research, 2018, 46:16, 8532-8541)。使用缺刻酶控制，構(gòu)建了級聯(lián)DNA鏈置換邏輯門電路，探究了混合分子電路的反應(yīng)特點(diǎn) (Nanoscale, 2017, 9, 18223-18228)。結(jié)合DNA核酶和自組裝折紙技術(shù)，構(gòu)建了基于二維平面結(jié)構(gòu)的DNA電路，實(shí)現(xiàn)了模塊化智能納米組裝（Nano Letters, 2016, 16, 736-741）。

  北京大學(xué)張成副研究員為以上相關(guān)論文的第一/通訊作者。以上研究工作得到了北京大學(xué)生物計(jì)算團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人許進(jìn)教授的悉心指導(dǎo)和大力支持。同時(shí)，國內(nèi)外多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)合作參與了以上科研工作：亞利桑那州立大學(xué)Hao Yan教授，埃默里大學(xué)Yonggang Ke教授，普渡大學(xué)Chengde Mao教授，華中科技大學(xué)潘林強(qiáng)教授，大連理工大學(xué)張強(qiáng)教授，東南大學(xué)陸祖宏教授等。該系列研究得到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、教育聯(lián)合基金和北京市自然科學(xué)基金的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.9b07521