【儀表網 研發快訊】中國科學技術大學化學與材料科學學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心鄧兆祥教授、姚東寶特任副研究員研究團隊利用可編程DNA鏈替換反應精準調控納米粒子催組裝過程，構建了一系列無信號泄漏的DNA邏輯運算器件。相關成果以“Implementation of Digital Computing by Colloidal Crystal Engineering with DNA”為題，近日在線發表于國際著名學術期刊《美國化學會會志》(Journal of the American Chemical Society)。
 

　　DNA分子嚴格遵循堿基互補配對原則，具有優異的可編程性和結構可設計性。受傳統半導體電子計算機的啟發，能夠執行邏輯運算功能的DNA分子計算器件在過去30年中經歷了快速發展。其中，基于toehold介導的DNA鏈替換反應所構筑的DNA邏輯運算器件展現出很高的復雜度和優異的可集成性。目前報道的大多數DNA邏輯運算器件以熒光作為信號讀出，并依賴熒光強度進行結果判定。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導致的信號泄漏。
 

圖1 基于PAE催組裝的無泄漏信號讀出系統設計原理
 

　　在DNA膠體晶體工程領域，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，中科大團隊近年來以DNA鏈替換作為催組裝過程的基元反應，發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調控納米粒子組裝路徑，實現有序超晶格的構筑，解決了傳統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)引入以及難以實現組裝結構間固相轉變的問題。尤其是可去除型DNA催組劑(Catassembler)協助的催組裝策略(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催組劑類似于化學反應的催化劑，可通過糾正無定形聚集結構中的錯誤DNA連接，加速組裝系統脫離各種動力學陷阱，實現亞穩態逃逸。
 

　　針對傳統熒光讀出策略構筑DNA邏輯器件面臨的問題，中國科大團隊成功將DNA鏈替換邏輯運算網絡與納米粒子催組裝結合，首次實現DNA分子邏輯驅動的大尺寸三維膠體超晶體構筑，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。在作者設計的納米粒子催組裝系統中，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鏈(Trigger)之間發生DNA鏈替換反應，才能轉化為活性納米粒子(PAE，有粘性末端)。一方面，PAE組裝需要足夠數量的粘性末端以獲得多位點協同作用；另一方面，過高濃度的DNA催組劑會導致PAE粘性末端被封堵從而破壞組裝結構。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，故不能形成穩定的超晶體，即泄漏的噪聲可被完全“過濾”吸收，使得所構建的邏輯器件具有優異的抗信號泄漏能力。邏輯運算結果可根據特定超晶體的小角X射線散射(SAXS)圖案進行準確判斷，無須人為設定信號強度閾值(圖1)。當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
 

　　通過理性化設計，作者構建了一系列單輸入(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DNA邏輯回路(OR-AND、AND-OR、AND-NOR)。借助SAXS信號優異的區分度，基于兩種不同超晶格體系分別構建的XOR和AND邏輯門，進一步實現了半加法運算。同時，該工作還成功構筑了一個具有信息安全保護功能的雙輸入DNA鍵盤鎖。由于PAE催組裝僅作為DNA邏輯運算系統的最終信號讀出，理論上任何基于DNA鏈替換反應的邏輯回路均可適用，從而有利于未來構建更復雜、更大規模的DNA邏輯體系。本工作基于PAE催組裝實現的無泄漏DNA邏輯門是對現有DNA邏輯系統的顯著改進，在構筑具有邏輯運算功能和動態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基金委重大項目、科技部重點研發計劃、合肥微尺度物質科學國家研究中心以及中國科大青年創新重點基金的資助。