清華新聞網(wǎng)8月30日電 DNA自組裝形成的復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)和裝置作為合成生物學(xué)元件，能夠在生命科學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域中提供微納米技術(shù)解決方案。在DNA納米技術(shù)領(lǐng)域中，有許多方法能夠?qū)崿F(xiàn)DNA納米結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變構(gòu)，包括調(diào)節(jié)環(huán)境因素實(shí)現(xiàn)不同DNA結(jié)構(gòu)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換、利用酶對(duì)DNA分子的作用實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變換，以及經(jīng)典的黏性末端鏈置換方法等等。許多的DNA動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和裝置被成功構(gòu)建。
近日，生命學(xué)院魏迪明副教授課題組在研究中提出用一種更簡(jiǎn)便、有效的基于非黏性末端鏈置換方法的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)DNA納米結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。在該系統(tǒng)中，封閉鏈（blockers）能夠通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)置換將已經(jīng)形成互補(bǔ)配對(duì)的DNA鏈分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的DNA結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的二維、三維DNA納米結(jié)構(gòu)的變換。通過(guò)調(diào)節(jié)封閉鏈和被競(jìng)爭(zhēng)結(jié)構(gòu)的濃度比，可有效地實(shí)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)狀態(tài)的可逆轉(zhuǎn)換?；诟怕誓Ｐ秃头磻?yīng)平衡模型，計(jì)算機(jī)模擬揭示了該體系與傳統(tǒng)方法相比的區(qū)別和優(yōu)勢(shì)?？赡娴膭?dòng)態(tài)變構(gòu)反應(yīng)和簡(jiǎn)便的反應(yīng)方向控制是本方法的顯著特點(diǎn)。
為了進(jìn)一步應(yīng)用在復(fù)雜的DNA結(jié)構(gòu)中，研究采用了二維長(zhǎng)方形DNA納米結(jié)構(gòu)和三維長(zhǎng)方體DNA納米結(jié)構(gòu)用于結(jié)構(gòu)變換。在二維體系中，隨著結(jié)構(gòu)之間的反應(yīng)位點(diǎn)從單一位點(diǎn)到多位點(diǎn)發(fā)展，結(jié)構(gòu)之間的相互作用呈現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，非黏性末端鏈置換方法仍然可以發(fā)揮轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的作用。在三維體系中，非黏性末端鏈置換不僅體現(xiàn)出其對(duì)于結(jié)構(gòu)變換的控制性能，還可以用于構(gòu)建布爾函數(shù)（Boolean functions）。本研究中利用兩個(gè)單元和四個(gè)單元的三維長(zhǎng)方體DNA納米結(jié)構(gòu)分別構(gòu)建出了4比特輸入/2比特輸出和16比特輸入/8比特輸出的多入多出布爾函數(shù)（MIMO Boolean functions）。如圖1所示，通過(guò)封閉鏈的控制，四種基本三維長(zhǎng)方體DNA納米結(jié)構(gòu)可以形成七種不同的俄羅斯方塊。
圖1基于非黏性末端鏈置換方法的三維DNA長(zhǎng)方體納米結(jié)構(gòu)單元形成不同的四聚體復(fù)合體的操作和結(jié)果。四種三維長(zhǎng)方體DNA納米結(jié)構(gòu)單元的四個(gè)側(cè)面分別相互配對(duì)（相互匹配的顏色的凹凸面代表可以配對(duì)的側(cè)面和可配對(duì)的封閉鏈）。當(dāng)特定的封閉鏈集合（用彩色表示使用的封閉鏈，用灰色表示未采用的封閉鏈）加入到相同的四種單元混合體系中，能夠控制形成七種俄羅斯方塊中的一種。最下排為電子顯微鏡成像結(jié)果，比例尺：25納米。
在計(jì)算過(guò)程中，由于三維DNA長(zhǎng)方體納米結(jié)構(gòu)的外形易于識(shí)別，可以用于表示特定系統(tǒng)的狀態(tài)，因而本研究中將結(jié)構(gòu)的形狀信息作為布爾函數(shù)運(yùn)算的輸出。進(jìn)行多入多出布爾函數(shù)計(jì)算時(shí)，可以通過(guò)函數(shù)之間的組合和迭代，通過(guò)不同反應(yīng)方式得到相同的結(jié)果，即用不同的運(yùn)算過(guò)程得到相同的輸出，見(jiàn)圖2。能夠?qū)崿F(xiàn)在DNA計(jì)算過(guò)程中觀(guān)測(cè)中間結(jié)果，同時(shí)也為DNA計(jì)算提供了一種條件控制的方法。
圖2基于非黏性末端鏈置換方法控制信息計(jì)算過(guò)程。采用三種不同方式反應(yīng)可以得到相同的J型四聚體俄羅斯方塊。第一種是層級(jí)式反應(yīng)（頂部）。兩兩單元之間形成二聚體，然后再形成四聚體，即兩個(gè)2比特輸入/2比特輸出的布爾函數(shù)通過(guò)組合得到一個(gè)4比特輸入/2比特輸出的函數(shù)。第二中是一步法反應(yīng)（中間），操作與圖1所示相同，是一個(gè)16比特輸入/8比特函數(shù)輸出的布爾函數(shù)。第三種是順序反應(yīng)（底部），單元之間依次連接形成四聚體，是三個(gè)2比特輸入/2比特輸出布爾函數(shù)之間的迭代。
該研究成果的論文以“非黏性末端鏈置換方法在DNA動(dòng)態(tài)和計(jì)算中的研究”（DNA dynamics and computation based on toehold-free strand displacement）為題于2021年8月17日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。
多學(xué)科深度交叉是此研究的一個(gè)鮮明特點(diǎn)，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生康宏為本文的第一作者，生命科學(xué)學(xué)院魏迪明副教授、清華大學(xué)自動(dòng)化系賈慶山教授、香港科技大學(xué)的雷克威爾德（Lakerveld）副教授為共同通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、教育部、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖中心等基金資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25270-7
供稿：生命學(xué)院
編輯：陳曉艷
審核：呂婷
