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2024年06月20日 星期四

Nature:我国科学家成功构建出基于DNA的可编程门阵列,有望用于通用DNA计算

发布时间:2023-09-26来源:生物谷字体:[大  中  ]

过去几十年来,电子和光子集成电路经历了从特定应用到可编程的演变。虽然液相 DNA 电路具有大规模并行编码和执行算法的潜力,但通用 DNA 集成电路(DNA integrated circuit, DIC)的开发仍有待探索。

在一项新的研究中,来自中国上海交通大学等研究机构的研究人员克服了阻碍基于DNA的多用途电路开发的障碍,利用一种新工艺建立了一个基于DNA的可编程门阵列,用于通用DNA计算。相关研究结果于2023年9月13日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“DNA-based programmable gate arrays for general-purpose DNA computing”。

1994 年,Leonard Adleman因提出利用 DNA 碱基配来构建生物计算设备而获得图灵奖。从那时起,许多这样的设备相继问世。但是在这项新的研究之前,任何特定的生物计算设备都只能做一件事。在这项新的研究中,中国研究人员克服了其他科学家们在使这类生物计算设备更加通用方面所面临的问题,开发出一种利用DNA构建现场可编程门阵列的技术,他们将它称为基于DNA的可编程门阵列(DNA-based programmable gate array, DPGA)。

这项新研究涉及在装有缓冲液的试管中加入 DNA 链。他们随后诱导化学反应,诱导这些DNA链以所需的方式结合在一起,形成较长的DNA 链,从而共同组成 DPGA。他们随后添加了荧光标记,以便观察和跟踪电路的形成。他们的测试表明,只需在这些DNA 链中添加特定数量的短分子,就能设计出单个 DPGA,从而允许构建出 1000 亿个独特的电路。

DPGA编程工作流程示意图。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06484-9。

在对他们的DPGA 进行测试时,这些作者发现,只需将三个 DPGA 连接在一起,就能构建出能够求解二次方程或平方根的电路。他们指出,可以通过添加特定形状的分子来计算这些公式。DPGA 的输出是通过使用这些荧光标记研究最终反应产生的分子来完成的。

这些作者还发现,将 DPGA 与模数转换器集成在一起,可以对与疾病相关的 microRNA 进行分类,从而分离出某些类型的分子,比如作为某些类型癌细胞标志物的分子。

综上所述,这项新研究展示了整合大规模 DPGA 网络而不会出现明显信号衰减的能力,标志着向通用 DNA 计算迈出了关键一步。