隨著信息處理量爆炸性猛增，傳統信息處理技術面臨著前所未有的巨大挑戰。在眾多前瞻計算技術中，DNA計算和分子智能系統以其高分子并行性、存儲能力以及生物兼容性吸引了人們的目光。其中， DNA電路(DNA circuit)是該領域重要的分子信息調控和處理技術。其應用涉及多個領域，包括分子計算與存儲、基因編輯和納米機器等。然而，與硅基電路只消耗輸入電信號不同，傳統的DNA電路其自身會作為反應物消耗，從而降低了系統的穩定性，并增加了復雜性和DNA編碼難度。因此，如何設計構建可重構DNA電路，以實現高穩定和可迭代的生物計算和基因編輯系統已成為領域內亟待解決的重要問題。
近日，北京大學信息學院計算機系張成/許進團隊在可重構DNA電路研究中取得重要進展，在《美國化學會志》在線發表題為“Nicking-Assisted Reactant Recycle to Implement Entropy-Driven DNA Circuit”研究論文(J. Am. Chem. Soc, 2019, research article)。這是北京大學計算機系首次以第一單位在JACS期刊上發表文章。同時，體現了北京大學近年來以“學科交叉與融合為重點”的學科建設指導思想。
受生物基因調控的啟發，本研究設計DNA缺刻酶催化和熵驅動 DNA鏈置換雙重催化機制，首次構建了自調節可重構DNA電路。其關鍵機制是：熵驅動DNA反應的雙鏈DNA產物，可以作為底物進入缺刻酶切反應環路；而酶切生成的活性DNA產物，又可作為底物再次進入熵驅動DNA鏈置換反應環路。因此，和硅基電路只消耗電信號相似，只要持續輸入DNA“燃料”信號，兩個反應環路就會相互銜接，可重構DNA電路就會持續輸出信號，并保持電路的完整。同時，研究還構建了多輸入雙層可重構DNA電路以證明其拓展性。該方法的建立，為發展新型生物計算和基因編輯技術奠定了基礎，提供了新思路。
近年來，北京大學信息學院張成/許進課題組聚焦生物計算和分子智能領域，圍繞DNA計算、分子電路和自組裝器件等領域展開系列研究。利用DNA別構效應，構建了多層級聯DNA電路，并建立數學模型分析了級聯信號傳遞方式 (Nucleic Acids Research, 2019, 3:20, 1097-1109)。結合DNA適配體和核酸轉錄技術，實現了DNA/RNA混合分子電路，并用于DNA甲基化檢測 (Chemical Communications, 2019, 55, 7378-7381)。引入DNA核酶調控技術，構建了具有自調節功能的DNA電路，實現自反饋分子調節網絡 (Nucleic Acids Research, 2018, 46:16, 8532-8541)。使用缺刻酶控制，構建了級聯DNA鏈置換邏輯門電路，探究了混合分子電路的反應特點 (Nanoscale, 2017, 9, 18223-18228)。結合DNA核酶和自組裝折紙技術，構建了基于二維平面結構的DNA電路，實現了模塊化智能納米組裝（Nano Letters, 2016, 16, 736-741）。
北京大學張成副研究員為以上相關論文的第一/通訊作者。以上研究工作得到了北京大學生物計算團隊學術帶頭人許進教授的悉心指導和大力支持。同時，國內外多個科研團隊合作參與了以上科研工作：亞利桑那州立大學Hao Yan教授，埃默里大學Yonggang Ke教授，普渡大學Chengde Mao教授，華中科技大學潘林強教授，大連理工大學張強教授，東南大學陸祖宏教授等。該系列研究得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、教育聯合基金和北京市自然科學基金的資助。
- 天津大學仰大勇課題組《Nat. Commun.》：利用DNA功能材料在活細胞中構建人工過氧化物酶體 2022-12-22
- 湖南大學譚蔚泓院士團隊劉巧玲課題組 Angew：可調控的DNA網絡結構用于操控細胞間相互作用 2021-12-28
- MIT科學家首次發現一種生物機制能控制DNA分子扭結 2018-05-09
