DNA链置换回路正逐步向成为细胞机器迈进。

科学家们正在寻找方法，以使这些可编程的纳米器件在活细胞内保持稳定和功能。如果成功的话，它们可能会彻底改变我们与生物分子层面相互作用的方式，并控制生物学。

DNA计算电路在细胞中实现

近期，《智能计算》（Intelligent Computing）上发表了一篇题为《从试管到细胞：DNA计算电路的回归？》的综述，概述了在将DNA计算电路引入活细胞方面所取得的主要进展。作者介绍了以DNA链置换反应为动力的动态纳米器件如何能在生物系统内部迅速实现实时计算、传感和控制——从而为新一代直接与细胞环境相互作用的“分子机器人”打开大门。

DNA链置换如何驱动分子逻辑运算

该技术的核心是DNA链置换回路，这是动态DNA纳米技术的关键组成部分。这些回路利用支点介导的链置换：即进入的DNA链结合到一个称为支点的短暴露区域，然后通过分支迁移置换现有链的过程。

跷跷板门和杂交链反应等基础系统能够实现复杂的逻辑运算和信号放大，而协作门则需要多个输入才能产生输出，从而实现精密控制。这些独立元件可以组合成更大的网络，模拟正式的化学反应路径。DNA链置换还能与DNA折纸和DNA组装等结构纳米器件相结合，实现可控的形状变化，并拓宽生物应用范围。

基于DNA传感技术的生物输入

据作者所述，“DNA 链置换反应可由核酸、小分子、蛋白质和离子等生物成分触发。”

利用互补底物设计，脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）等核酸可作为直接输入，从而应用于转录组分析和活细胞监测。可通过适配体实现输入检测，适配体是单链核酸序列，能以高亲和力和特异性结合靶标或配体。

为了将适配体与DNA链置换模块连接起来，已开发出多种方法，如结构转换适配体、结合支点、隐藏支点、远程支点、瞬时支点、化学连接、金属支点和DNA酶，以确保生物靶标向下游电路精确传导信号。

芯片内功能所面临的挑战与解决方案

目前，DNA链置换主要应用于体外，其在体内的应用面临重大挑战，包括被DNA降解酶快速降解。为了提高稳定性，研究人员已经探索了结构修饰，如发夹结构和蛋白质结合位点等末端保护，以及化学修饰，如2'-O-甲基化。

由于大多数细胞天然排斥DNA，因此向细胞内递送这些纳米器件需要专门的技术，如转染方法和转化方案。一旦进入细胞，盐浓度、分子拥挤和异质环境等细胞因素会影响链置换反应。为了克服直接递送的局限性，研究人员还在开发编码在质粒或染色体上的可转录RNA纳米器件，使细胞能够表达这些电路。

迈向智能DNA机器与生物计算机

DNA链置换已应用于计算模型的创新中。通过将计算原理与DNA链置换相结合，传统计算的结构化算法可以与生物系统中的随机生化过程和化学反应相结合，从而实现生物相容性计算模型。未来，DNA链置换可能会使自主运行的DNA纳米机器能够精确操控生物过程，从而在医疗保健和生命科学研究中实现重大飞跃。

参考文献：《从试管到细胞：DNA计算电路的回归？》，作者：郑慧元、伊桑·科林森、亚历山大·帕特里克·霍斯和哈罗德·费勒曼，发表于《智能计算》2025年3月4日，数字对象标识符：10.34133/icomputing.0112