遵循特定說明的DNA分子可以為合成化學(xué)系統(tǒng)提供更精確的分子控制，這一發(fā)現(xiàn)為工程師打造了具有新的復(fù)雜行為的分子機(jī)器打開了大門。研究人員使用系統(tǒng)方法創(chuàng)建了化學(xué)放大器和化學(xué)振蕩器，該方法有可能將復(fù)雜的電路計(jì)算嵌入到專為醫(yī)療保健，先進(jìn)材料和納米技術(shù)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的分子系統(tǒng)中。

工程師和科學(xué)家長期以來一直在研究化學(xué)振蕩器。研究人員發(fā)現(xiàn)了控制人體晝夜節(jié)律的化學(xué)振蕩器 - 負(fù)責(zé)我們身體的日夜節(jié)奏 - 獲得了2017年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

雖然對(duì)化學(xué)振蕩器和其他生物化學(xué)過程的了解已經(jīng)發(fā)生了顯著變化，但科學(xué)家們還不足以控制活細(xì)胞的化學(xué)活性。這是領(lǐng)先的工程師和科學(xué)家轉(zhuǎn)向在試管而不是細(xì)胞中工作的合成振蕩器。

在這項(xiàng)新研究中，David Soloveichik和他在德克薩斯大學(xué)奧斯汀分?？瓶死谞柟こ虒W(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)展示了如何通過建立遵循特定指令的DNA分子來編程合成振蕩器和其他系統(tǒng)。

科克雷爾學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程系的助理教授索洛維奇克與加州理工學(xué)院的研究生Niranjan Srinivas以及該研究的共同作者成功構(gòu)建了一種同類化學(xué)品使用DNA成分的振蕩器 - 沒有蛋白質(zhì)，酶或其他細(xì)胞成分 - 證明單獨(dú)的DNA能夠復(fù)雜行為。

據(jù)研究人員稱，他們的發(fā)現(xiàn)表明DNA不僅僅是一種僅用于攜帶遺傳信息的被動(dòng)分子。“DNA可以更積極的方式使用，”索洛維奇克說。“如果你愿意的話，我們實(shí)際上可以讓它跳舞 - 節(jié)奏。這表明核酸(DNA和RNA)可能比我們想象的更多，這甚至可以告訴我們對(duì)生命起源的理解，因?yàn)樗峭ǔＵJ(rèn)為早期生活完全基于RNA。“

該團(tuán)隊(duì)的新型合成振蕩器有一天可用于合成生物學(xué)或完全人工細(xì)胞，確保某些過程按順序發(fā)生。但振蕩只是復(fù)雜分子行為的一個(gè)例子。除了振蕩器之外，這項(xiàng)工作為工程師打開了通過DNA創(chuàng)建更復(fù)雜的分子機(jī)器的大門。根據(jù)分子機(jī)器的編程方式，可以產(chǎn)生不同的行為，例如通信和信號(hào)處理，問題解決和決策，運(yùn)動(dòng)控制等。 - 電路計(jì)算的類型通常僅歸因于電子電路。

“作為工程師，我們非常擅長建造復(fù)雜的電子產(chǎn)品，但生物學(xué)在細(xì)胞內(nèi)部使用復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)做許多同樣的事情，比如決策，”Soloveichik說。“最終，我們希望能夠與細(xì)胞的化學(xué)回路相互作用，或修復(fù)故障電路，甚至重新編程它們以獲得更好的控制。但在短期內(nèi)，我們的DNA電路可用于編程無細(xì)胞的行為化學(xué)系統(tǒng)，合成復(fù)雜的分子，診斷復(fù)雜的化學(xué)特征，并響應(yīng)他們的環(huán)境。“

該團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建具有特定編程語言的DNA分子開發(fā)了他們的新振蕩器，產(chǎn)生了可重復(fù)的工作流程，可以生成其他復(fù)雜的時(shí)間模式并響應(yīng)輸入的化學(xué)信號(hào)。他們將他們的語言匯編成精確的相互作用 - 這是電子學(xué)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，但在生物化學(xué)方面卻非常新穎。

該團(tuán)隊(duì)的研究是作為美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)分子編程項(xiàng)目的一部分進(jìn)行的，該項(xiàng)目于2008年啟動(dòng)，作為教師合作，將分子編程發(fā)展為復(fù)雜，用戶友好且廣泛使用的技術(shù)，用于創(chuàng)建納米級(jí)設(shè)備和系統(tǒng)。