科学家们正在寻找使这些可编程纳米设备在活细胞内稳定运行的方法。如果成功，它们将彻底改变我们在分子层面上与生物互动和控制生物的方式，DNA链置换电路逐渐接近成为细胞机器。
《智能计算》杂志最近发表了一篇题为《从试管到细胞：DNA计算电路的回归？》（From the Test Tube to the Cell: A Homecoming for DNA Computing?）的评论文章，概述了将DNA计算电路引入活细胞的重大进展。作者描述了由DNA链置换反应驱动的动态纳米器件如何很快在生物系统内进行实时计算、感知和控制——这为直接与细胞环境相互作用的新一代“分子机器人”打开了大门。
这项技术的核心是DNA链置换电路，它是动态DNA纳米技术的关键组成部分。这些电路采用立足点介导的链置换技术：一条进入的DNA链与一个称为立足点的短而暴露的区域结合，然后通过分支迁移取代现有的DNA链。
诸如跷跷板门和杂交链式反应等基础系统能够实现复杂的逻辑运算和信号放大，而协同门则需要多个输入才能产生输出，从而实现复杂的控制。这些独立的组件可以组合成更大的网络，模拟正式的化学反应路径。DNA链置换技术还可以连接到DNA折纸和DNA组装等结构纳米器件，从而实现受控的形状变化，并拓展其生物应用范围。
左侧，体外预组装的DNA电路被递送至活细胞。右侧，RNA前门从染色体或质粒中自主转录，然后转化为功能性RNA电路。无论哪种方式，功能性电路都会感知细胞的转录和代谢状态，并进行信号整合和其他计算，最终启动转录后基因调控等多种生物过程。图片来源：Hyeyun Jung等人。
据作者称，“DNA链置换反应可由核酸、小分子、蛋白质和离子等生物成分引发。”核酸，例如 DNA 和RNA，可以利用互补的底物设计作为直接输入，从而应用于转录组分析和活细胞监测。输入检测可以通过适体实现，适体是一种单链核酸序列，能够以高亲和力和特异性与靶标或配体结合。
为了将适体连接到DNA链置换模块，已经开发了各种方法，例如结构转换适体，关联立足点，隐藏立足点，远程立足点，瞬时立足点，化学连接，金属立足点和DNA酶，以确保从生物靶标到下游电路的精确信号转导。
目前，DNA链置换主要在体外应用，其在体内的应用面临着诸多挑战，例如DNA降解酶的快速降解。为了增强稳定性，研究人员探索了诸如发夹结构和蛋白质结合位点等末端保护结构修饰，以及2'-O-甲基化等化学修饰。
由于大多数细胞天生排斥DNA，因此将这些纳米装置递送到细胞内需要专门的技术，例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都会影响链置换反应。为了克服直接递送的局限性，研究人员还在开发编码到质粒或染色体中的可转录RNA纳米装置，从而使细胞能够表达这些电路。
DNA链置换已被应用于计算模型的创新。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的计算模型。未来，DNA链置换技术或许能够使自主行动的DNA纳米机器精确操控生物过程，从而推动医疗保健和生命科学研究的飞跃发展。
编译自/ScitechDaily
