想必大家都玩过经典游戏俄罗斯方块，有没有想过这些方块也可以在纳米尺度制备出来？DNA自组装和DNA计算就可用于实现这个奇异的想法。DNA自组装形成的复杂纳米结构和装置作为合成生物学元件，能够在生命科学、化学、材料学等领域中提供微纳米技术解决方案。在DNA纳米技术领域中，有许多的方法能够实现DNA纳米结构的动态变构，包括调节环境因素实现不同DNA结构状态的转换、利用酶对DNA分子的作用实现结构变换，以及经典的黏性末端链置换方法等等。许多的DNA动态系统和装置被成功构建。
本研究中提出用一种更简便、有效的基于非黏性末端链置换方法的系统，实现DNA纳米结构的动态转换。在本系统中，封闭链（blockers）能够通过竞争置换将已经形成互补配对的DNA链分离，进而实现简单的DNA结构和复杂的二维、三维DNA纳米结构的变换。通过调节封闭链和被竞争结构的浓度比，可有效地实现DNA结构状态的可逆转换。基于概率模型和反应平衡模型，计算机模拟揭示了该体系与传统方法相比的区别和优势。可逆的动态变构反应和简便的反应方向控制是本方法的显著特点。为了进一步应用在复杂的DNA结构中，本研究采用了二维长方形DNA纳米结构和三维长方体DNA纳米结构用于结构变换。在二维体系中，随着结构之间的反应位点从单一位点到多位点发展，结构之间的相互作用呈现协同效应，非黏性末端链置换方法仍然可以发挥转换结构的作用。在三维体系中，非黏性末端链置换不仅体现出其对于结构变换的控制性能，还可以用于构建布尔函数（Boolean functions）。本研究中利用两个单元和四个单元的三维长方体DNA纳米结构分别构建出了4比特输入/2比特输出和16比特输入/8比特输出的多入多出布尔函数（MIMO Boolean functions）。如图1所示，通过封闭链的控制，四种基本三维长方体DNA纳米结构可以形成七种不同的俄罗斯方块。
图1 基于非黏性末端链置换方法的三维DNA长方体纳米结构单元形成不同的四聚体复合体的操作和结果。四种三维长方体DNA纳米结构单元的四个侧面分别相互配对（相互匹配的颜色的凹凸面代表可以配对的侧面和可配对的封闭链）。当特定的封闭链集合（用彩色表示使用的封闭链，用灰色表示未采用的封闭链）加入到相同的四种单元混合体系中，能够控制形成七种俄罗斯方块中的一种。最下排为电子显微镜成像结果，比例尺：25纳米。
在计算过程中，由于三维DNA长方体纳米结构的外形易于识别，可以用于表示特定系统的状态，因而本研究中将结构的形状信息作为布尔函数运算的输出。进行多入多出布尔函数计算时，可以通过函数之间的组合和迭代，通过不同反应方式得到相同的结果，即用不同的运算过程得到相同的输出，见图2。能够实现在DNA计算过程中观测中间结果，同时也为DNA计算提供了一种条件控制的方法。
图2 基于非黏性末端链置换方法控制信息计算过程。采用三种不同方式反应可以得到相同的J型四聚体俄罗斯方块。第一种是层级式反应（顶部）。两两单元之间形成二聚体，然后再形成四聚体，即两个2比特输入/2比特输出的布尔函数通过组合得到一个4比特输入/2比特输出的函数。第二中是一步法反应（中间），操作与图1所示相同，是一个16比特输入/8比特函数输出的布尔函数。第三种是顺序反应（底部），单元之间依次连接形成四聚体，是三个2比特输入/2比特输出布尔函数之间的迭代。
该研究成果的论文题为“非黏性末端链置换方法在DNA动态和计算中的研究”（DNA dynamics and computation based on toehold-free strand displacement），由金沙js4399首页生命学院魏迪明分子设计课题组（MADlab）于2021年8月17日发表于《自然通讯》（Nature Communications）期刊上。
多学科深度交叉是此研究的一个鲜明特点，金沙js4399首页博士生康宏为本文的第一作者，共同通讯作者金沙js4399首页魏迪明副教授提出概念和实验体系，共同通讯作者金沙js4399首页自动化系的贾庆山教授在布尔计算方面做出了重要贡献，另外一名共同通讯作者香港科技大学的Lakerveld副教授在计算机模拟方面也做出了不可或缺的贡献。该研究得到国家自然科学基金委、科技部、教育部、清华-北大生命科学联合中心、金沙js4399首页结构生物学高精尖中心等基金资助。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-25270-7
