利用細胞信令 DNA分子計算為可編程藥丸鋪路

美國芝加哥大學研究人員開發(fā)出一種新方法，可使用強大的DNA分子計算方法來測量分子信號的變化。該方法為研究和通過模擬分子計算進行時間模式識別奠定了基礎(chǔ)，有望為可編程藥丸等應(yīng)用鋪路。

活細胞使用復雜的信令系統(tǒng)來感知環(huán)境，并在內(nèi)部和鄰居間傳遞這一信息。特定信令分子的濃度及其隨時間變化的方式，是進入該系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。雖然原理上很簡單，但系統(tǒng)往往非常強大和復雜。難以解碼的原因之一是難以發(fā)現(xiàn)信令分子并測量其濃度的變化。

芝加哥大學開發(fā)的新技術(shù)是生物學家寄予厚望的DNA計算形式的一種，其基于一條單鏈DNA可在雙鏈DNA中取代另一條DNA，可使用完善的工具進行精確控制。

這些工具可在幾個數(shù)量級上精確控制“置換鏈反應(yīng)”的速率和可逆性。這會產(chǎn)生類似開關(guān)的行為——反應(yīng)是開啟還是關(guān)閉，結(jié)合不同的開關(guān)可使邏輯運算成為可能，這為各種計算任務(wù)鋪平了道路。研究人員已經(jīng)展示了置換鏈反應(yīng)如何進行復雜計算甚至模仿深度學習網(wǎng)絡(luò)的能力。

芝加哥大學的新研究概述了DNA電路可感知特定信令的存在及其隨時間變化的方式。最重要的是，即使周期、占空比和脈沖數(shù)變化很大，信令的總量也可以相同。新設(shè)計的分子機器可獨立地測量這些功能。研究人員使用抽象化學反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和模擬DNA鏈置換反應(yīng)證明了設(shè)計原則的成效。

研究人員認為，這種分子計算機未來可能具有戲劇性的應(yīng)用，如開發(fā)DNA折紙藥丸，其只有在接收到特定的信令模式時才釋放藥物。細胞的炎癥反應(yīng)及其適應(yīng)性免疫反應(yīng)會觸發(fā)轉(zhuǎn)錄因子NFkB的不同信令模式，對藥丸進行編程，可使其僅識別其中之一即可相應(yīng)地釋放藥物。