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首次仅利用DNA构建出化学放大器和化学振荡器

发布时间:2017-12-26 16:52    阅读数次:

遵循特定指令的DNA分子能够为合成化学系统提供更加精确的分子控制,这一发现为工程师们构建具有新的复杂行为的分子机器打开了大门。在一项新的研究中,研究人员利用一种系统化方法构建出化学放大器(chemical amplifier)和化学振荡器(chemical oscillator),从而有潜力将复杂的电路计算嵌入到旨在用于健康医疗、高级材料和纳米技术的分子系统中。相关研究结果发表在2017年12月15日的Science期刊上,论文标题为“Enzyme-free nucleic acid dynamical systems”。

      化学振荡器,图片来自Ella Maru Studio和Cody Geary。

化学振荡器长期以来就受到工程师和科学家的研究。那些发现了控制人体昼夜节律的化学振荡器的科学家们获得了2017年诺贝尔生理学或医学奖。

 

虽然对化学振荡器和其他的生物化学过程的理解已取得了重大进展,但是科学家们还不知道如何控制活细胞的化学活性。这就导致工程师和科学家转而研究在试管中而不是在细胞中工作的合成振荡器。

 

在这项新的研究中,来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校科克雷尔工程学院的David Soloveichik和他的研究团队展示了如何通过构建遵循特定指令的DNA分子来对合成振荡器和其他的系统进行编程。

 

Soloveichik与来自美国加州理工学院的Niranjan Srinivas和其他的研究员一起成功地构建出首个使用DNA组分但没有蛋白、酶和其他细胞组分的化学振荡器,这就证实DNA本身就能够具有复杂的行为。

 

根据研究人员的说法,他们的发现提示着DNA并不仅仅是一种用于携带遗传信息的被动分子。Soloveichik说,“DNA能够以一种更积极的方式加以使用。如果愿意的话,我们实际上能够让它跳舞。这提示着核酸(DNA和RNA)可能具有比我们想象中的更多的行为,这甚至能够有助于我们理解生命的起源,这是因为人们普遍地认为早期的生命是完全基于RNA的。”

 

Soloveichik团队开发出的新型合成振荡器可能有朝一日用于合成生物学或全人工细胞中,从而确保某些过程有序地发生。但是振荡仅是复杂的分子行为的一个例子。这项研究为工程师们利用DNA构建更加复杂的分子机器打开大门。根据这些分子机器的编程方式,不同的行为就能够产生,比如通信和信号处理,解决问题和决策,运动控制等---这类电路计算通常仅通过电子电路加以实现。

 

Soloveichik说,“作为工程师,我们非常擅长构建复杂的电子产品,但是生物学利用细胞中的复杂化学反应做很多相同的事情,比如作出决策。最终,我们希望能够与细胞的化学电路相互作用,或者修复存在功能故障的电路,或者甚至对它们进行编程以便获得更好的控制。但是在短期内,我们的DNA电路可能用于合成复杂分子、诊断复杂的化学标记物和对它们的环境作出反应的非细胞化学系统之中。”

 

Soloveichik团队通过构建出具有特定编程语言的DNA分子来开发出他们新的振荡器,从而产生一种能够产生其他的复杂的时序模式和对输入的化学信号作出反应的可重复的工作流程。他们将他们的语言编译成精确的相互作用,这是电子学领域的标准做法,但是在生物化学领域是全新的。