中國科大實現(xiàn)DNA邏輯運算驅動的納米超晶體

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(fā)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(yōu)異的可編程性和結構可設計性。受傳統(tǒng)半導體電子計算機的啟發(fā)，能夠執(zhí)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(fā)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(xiàn)出很高的復雜度和優(yōu)異的可集成性。目前報道的大多數(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)，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(fā)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(xiàn)有序超晶格的構筑，解決了傳統(tǒng)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(xiàn)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(xié)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(tǒng)脫離各種動力學陷阱，實現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)逃逸。

針對傳統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)。在作者設計的納米粒子催組裝系統(tǒng)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(fā)鏈（Trigger）之間發(fā)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(shù)量的粘性末端以獲得多位點協(xié)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(wěn)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(yōu)異的抗信號泄漏能力。邏輯運算結果可根據(jù)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(lián)DNA邏輯回路（OR-AND、AND-OR、AND-NOR）。借助SAXS信號優(yōu)異的區(qū)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(xiàn)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(tǒng)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(guī)模的DNA邏輯體系。本工作基于PAE催組裝實現(xiàn)的無泄漏DNA邏輯門是對現(xiàn)有DNA邏輯系統(tǒng)的顯著改進，在構筑具有邏輯運算功能和動態(tài)可編程的三維有序大尺寸膠體超晶格方面邁出重要一步。