遵循特定指令的DNA分子能夠為合成化學系統(tǒng)提供更加的分子控制，這一發(fā)現(xiàn)為工程師們構建具有新的復雜行為的分子機器打開了大門。在一項新的研究中，研究人員利用一種系統(tǒng)化方法構建出化學放大器（chemical amplifier）和化學振蕩器（chemical oscillator），從而有潛力將復雜的電路計算嵌入到旨在用于健康醫(yī)療、材料和納米技術的分子系統(tǒng)中。相關研究結(jié)果發(fā)表在2017年12月15日的Science期刊上，論文標題為“Enzyme-free nucleic acid dynamical systems”。
 

化學振蕩器，圖片來自Ella Maru Studio和Cody Geary。

化學振蕩器長期以來就受到工程師和科學家的研究。那些發(fā)現(xiàn)了控制人體晝夜節(jié)律的化學振蕩器的科學家們獲得了2017年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

雖然對化學振蕩器和其他的生物化學過程的理解已取得了重大進展，但是科學家們還不知道如何控制活細胞的化學活性。這就導致工程師和科學家轉(zhuǎn)而研究在試管中而不是在細胞中工作的合成振蕩器。

在這項新的研究中，來自美國德克薩斯大學*分校科克雷爾工程學院的David Soloveichik和他的研究團隊展示了如何通過構建遵循特定指令的DNA分子來對合成振蕩器和其他的系統(tǒng)進行編程。

Soloveichik與來自美國加州理工學院的Niranjan Srinivas和其他的研究員一起成功地構建出*使用DNA組分但沒有蛋白、酶和其他細胞組分的化學振蕩器，這就證實DNA本身就能夠具有復雜的行為。

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，這是因為人們普遍地認為早期的生命是*基于RNA的。”

Soloveichik團隊開發(fā)出的新型合成振蕩器可能有朝一日用于合成生物學或全人工細胞中，從而確保某些過程有序地發(fā)生。但是振蕩僅是復雜的分子行為的一個例子。這項研究為工程師們利用DNA構建更加復雜的分子機器打開大門。根據(jù)這些分子機器的編程方式，不同的行為就能夠產(chǎn)生，比如通信和信號處理，解決問題和決策，運動控制等---這類電路計算通常僅通過電子電路加以實現(xiàn)。

Soloveichik說，“作為工程師，我們非常擅長構建復雜的電子產(chǎn)品，但是生物學利用細胞中的復雜化學反應做很多相同的事情，比如作出決策。zui終，我們希望能夠與細胞的化學電路相互作用，或者修復存在功能故障的電路，或者甚至對它們進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雜分子、診斷復雜的化學標記物和對它們的環(huán)境作出反應的非細胞化學系統(tǒng)之中。”

Soloveichik團隊通過構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)生其他的復雜的時序模式和對輸入的化學信號作出反應的可重復的工作流程。他們將他們的語言編譯成的相互作用，這是電子學領域的標準做法，但是在生物化學領域是全新的。（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