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遵循特定指令的DNA分子能夠?yàn)楹铣苫瘜W(xué)系統(tǒng)提供更加的分子控制，這一發(fā)現(xiàn)為工程師們構(gòu)建具有新的復(fù)雜行為的分子機(jī)器打開了大門。在一項(xiàng)新的研究中，研究人員利用一種系統(tǒng)化方法構(gòu)建出化學(xué)放大器（chemical amplifier）和化學(xué)振蕩器（chemical oscillator），從而有潛力將復(fù)雜的電路計(jì)算嵌入到旨在用于健康醫(yī)療、材料和納米技術(shù)的分子系統(tǒng)中。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2017年12月15日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Enzyme-free nucleic acid dynamical systems”。
化學(xué)振蕩器，圖片來自Ella Maru Studio和Cody Geary。
化學(xué)振蕩器長期以來就受到工程師和科學(xué)家的研究。那些發(fā)現(xiàn)了控制人體晝夜節(jié)律的化學(xué)振蕩器的科學(xué)家們獲得了2017年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
雖然對(duì)化學(xué)振蕩器和其他的生物化學(xué)過程的理解已取得了重大進(jìn)展，但是科學(xué)家們還不知道如何控制活細(xì)胞的化學(xué)活性。這就導(dǎo)致工程師和科學(xué)家轉(zhuǎn)而研究在試管中而不是在細(xì)胞中工作的合成振蕩器。
在這項(xiàng)新的研究中，來自美國德克薩斯大學(xué)*分校科克雷爾工程學(xué)院的David Soloveichik和他的研究團(tuán)隊(duì)展示了如何通過構(gòu)建遵循特定指令的DNA分子來對(duì)合成振蕩器和其他的系統(tǒng)進(jìn)行編程。
Soloveichik與來自美國加州理工學(xué)院的Niranjan Srinivas和其他的研究員一起成功地構(gòu)建出*使用DNA組分但沒有蛋白、酶和其他細(xì)胞組分的化學(xué)振蕩器，這就證實(shí)DNA本身就能夠具有復(fù)雜的行為。
根據(jù)研究人員的說法，他們的發(fā)現(xiàn)提示著DNA并不僅僅是一種用于攜帶遺傳信息的被動(dòng)分子。Soloveichik說，“DNA能夠以一種更積極的方式加以使用。如果愿意的話，我們實(shí)際上能夠讓它跳舞。這提示著核酸（DNA和RNA）可能具有比我們想象中的更多的行為，這甚至能夠有助于我們理解生命的起源，這是因?yàn)槿藗兤毡榈卣J(rèn)為早期的生命是*基于RNA的。”
Soloveichik團(tuán)隊(duì)開發(fā)出的新型合成振蕩器可能有朝一日用于合成生物學(xué)或全人工細(xì)胞中，從而確保某些過程有序地發(fā)生。但是振蕩僅是復(fù)雜的分子行為的一個(gè)例子。這項(xiàng)研究為工程師們利用DNA構(gòu)建更加復(fù)雜的分子機(jī)器打開大門。根據(jù)這些分子機(jī)器的編程方式，不同的行為就能夠產(chǎn)生，比如通信和信號(hào)處理，解決問題和決策，運(yùn)動(dòng)控制等---這類電路計(jì)算通常僅通過電子電路加以實(shí)現(xiàn)。
Soloveichik說，“作為工程師，我們非常擅長構(gòu)建復(fù)雜的電子產(chǎn)品，但是生物學(xué)利用細(xì)胞中的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)做很多相同的事情，比如作出決策。zui終，我們希望能夠與細(xì)胞的化學(xué)電路相互作用，或者修復(fù)存在功能故障的電路，或者甚至對(duì)它們進(jìn)行編程以便獲得更好的控制。但是在短期內(nèi)，我們的DNA電路可能用于合成復(fù)雜分子、診斷復(fù)雜的化學(xué)標(biāo)記物和對(duì)它們的環(huán)境作出反應(yīng)的非細(xì)胞化學(xué)系統(tǒng)之中。”
Soloveichik團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建出具有特定編程語言的DNA分子來開發(fā)出他們新的振蕩器，從而產(chǎn)生一種能夠產(chǎn)生其他的復(fù)雜的時(shí)序模式和對(duì)輸入的化學(xué)信號(hào)作出反應(yīng)的可重復(fù)的工作流程。他們將他們的語言編譯成的相互作用，這是電子學(xué)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)做法，但是在生物化學(xué)領(lǐng)域是全新的。（生物谷 Bioon.com）
參考資料：
Niranjan Srinivas, James Parkin, Georg Seelig et al. Enzyme-free nucleic acid dynamical systems. Science, 15 Dec 2017, 358(6369):eaal2052, doi:10.1126/science.aal2052
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