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日期:2024-06-24 閱讀:41620


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圖1. 基于DNA折紙系統(tǒng)的拓?fù)滢D(zhuǎn)換與計(jì)算

      上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院樊春海院士與華東師范大學(xué)裴昊教授近期合作開發(fā)了一種拓?fù)渚幊痰腄NA折紙系統(tǒng),這種拓?fù)渥儤?gòu)的DNA折紙可形成動態(tài)支架在納米尺度上編碼信號節(jié)點(diǎn)的連接模式與連通性,建立拓?fù)鋱D形計(jì)算新模式。研究成果以“在拓?fù)渚幊藾NA折紙上編碼信號傳播(Encoding signal propagation on topology-programmed DNA origami)”為題,于2024年6月17日發(fā)表在《自然·化學(xué)》(Nature Chemistry)雜志,論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41557-024-01565-2

       如何利用拓?fù)渥儞Q來動態(tài)重新配置節(jié)點(diǎn)之間的連接,建立適應(yīng)性計(jì)算功能連接的拓?fù)淠J?,是圖形計(jì)算范式的前沿方向。近年來,結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù)的新進(jìn)展為構(gòu)建仿生拓?fù)洚悩?gòu)納米結(jié)構(gòu)打開了新的機(jī)遇。然而,如何構(gòu)建具有復(fù)雜拓?fù)湔{(diào)控功能并能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜拓?fù)渥儞Q的人工結(jié)構(gòu)仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

       針對這一挑戰(zhàn)性問題,研究團(tuán)隊(duì)首先提出了一種在分子層面實(shí)現(xiàn)拓?fù)洳僮鳎ㄕ迟N和剪切)的策略,可促使DNA折紙結(jié)構(gòu)發(fā)生全局構(gòu)象變化?;谠摬呗猿晒υO(shè)計(jì)構(gòu)建了三種類型的可重構(gòu)DNA折紙系統(tǒng),通過分子拓?fù)洳僮鲗?shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的連續(xù)拓?fù)渥兓?,并通過拓?fù)洳蛔兞浚òㄌ澑?、邊界?shù)目和可定向性)表征了這些拓?fù)渥兓?。這些拓?fù)渚幊痰腄NA折紙可作為動態(tài)支架用于時空可控的分子信號傳播,拓?fù)滢D(zhuǎn)換可改變節(jié)點(diǎn)的位置、連接模式與連通性,建立拓?fù)湫再|(zhì)與計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的直接關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)拓?fù)湫再|(zhì)變化調(diào)節(jié)計(jì)算功能,使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥m應(yīng)功能連接實(shí)現(xiàn)多種邏輯計(jì)算。

       基于分子拓?fù)溥B續(xù)變換的機(jī)制,本研究為探索納米尺度上的拓?fù)鋱D形化計(jì)算提供了可編程動態(tài)支架,實(shí)現(xiàn)了DNA折紙結(jié)構(gòu)的連續(xù)拓?fù)渥儞Q,并在實(shí)驗(yàn)上展示了高達(dá)77個分子節(jié)點(diǎn)的信號傳遞網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。該工作基于拓?fù)渥儤?gòu)實(shí)現(xiàn)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接模式的變換,在納米尺度展現(xiàn)出核酸分子極高的拓?fù)淇删幊绦裕〉昧薉NA納米技術(shù)領(lǐng)域的新突破。本研究通過多達(dá)100多個鏈置換反應(yīng)和雜交反應(yīng)在分子水平上實(shí)現(xiàn)了高效的拓?fù)洳僮鳌@每臻g上排列活性DNA發(fā)夾,實(shí)現(xiàn)了信號在3D折紙曲面上不同長度(超過~300 nm)、方向和曲率(凹或凸)的傳輸路徑上的傳播。本研究展現(xiàn)了三個多用途可編程雙軌電路的連續(xù)計(jì)算功能切換允許局部電路元件通過折紙拓?fù)渥儞Q建立新的連接模式。本研究提出的拓?fù)洳僮鞑呗詾橹圃靹討B(tài)DNA自組裝提供一條通用途徑,并為推動拓?fù)鋱D形化計(jì)算提供了新的思路。

 


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