近年來，作為前瞻信息處理和未來生物技術領域中的前沿熱點技術，人工DNA回路系統(tǒng)發(fā)展迅速。由于具有高并行性、海量存儲能力以及生物兼容性等優(yōu)點，其在DNA存儲、新型計算模型、基因編輯和納米操控方面有著廣泛的潛在應用。與生物系統(tǒng)類似，人工DNA電路能夠通過多種分子信號網(wǎng)絡的協(xié)同作用，實現(xiàn)對DNA分子網(wǎng)絡和分子機器的精確調(diào)控。目前，常見的理化分子調(diào)控信號包括：化學鍵、分子間力、別構效應等。其中，分子別構是生命活動中重要的調(diào)節(jié)方式之一，基于別構信號傳導的生物分子網(wǎng)絡調(diào)控具有高選擇性和高精準度等特點。然而，由于現(xiàn)有DNA別構信號的級聯(lián)和調(diào)控手段仍較為單一，缺乏拓展和級聯(lián)能力，所以亟需發(fā)展一種新型可編程設計的DNA別構級聯(lián)信號轉導機制。通過構建可級聯(lián)的DNA別構信號通路網(wǎng)絡，來實現(xiàn)DNA別構信號網(wǎng)絡的分子信息整合、調(diào)整、傳遞等復雜功能，該方向已經(jīng)成為生物計算、基因編輯和DNA存儲等領域的研究焦點之一。

(A) 可編程DNA別構轉導基本模型；(B)雙位點別構信號調(diào)控；(C)四層級聯(lián)DNA別構信號回路；(D)遠程DNA別構信號轉導納米機器

近期，北京大學計算機學院生物計算團隊（張成/許進課題組），聯(lián)合華北電力大學、美國亞利桑那州立大學、埃默里大學、東南大學和清華大學等多家國內(nèi)外科研團隊，設計提出“納米彈弓”結構的新型DNA別構信號轉導機制，成功實現(xiàn)了DNA別構信號的可編程轉導、多層級聯(lián)構建和精細結構信號調(diào)控。2022年2月2日，相關成果以“Programmable Allosteric DNA Regulations for Molecular Networks and Nanomachines”為題，以research article形式在線發(fā)表于《科學·進展》（Science Advances）。

實驗結果表明，該DNA別構信號可以通過改變結構信號的大小、位置甚至數(shù)量而實現(xiàn)別構精細調(diào)控。利用該DNA別構機制，聯(lián)合研究團隊實現(xiàn)了“扇入/扇出”、多層“級聯(lián)”等基本DNA電路網(wǎng)絡操作。同時，構建的計算仿真模型也得到了類似的別構調(diào)控效果。通過嘗試對納米機器進行遠距離DNA別構信號轉導和精細調(diào)控，在100nm尺度的自組裝納米機器上實現(xiàn)了別構信號隔空傳遞和15nm單納米顆粒的響應釋放。該研究不僅證明了新型DNA別構信號轉導的可編程設計和精準調(diào)控能力，同時還拓展了其在分子信息處理、納米機器和生物醫(yī)藥等領域的潛在應用。

北京大學計算機學院為該研究工作的第一完成單位，張成副研究員為論文的第一/通訊作者。北京大學許進教授、歐陽頎院士對本研究給予了悉心指導。該研究獲得科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和北京市國際合作專項等資助，得到北京大學計算機學院和高可信軟件技術教育部重點實驗室的支持。

來源：北京大學