用户文章|靶向长读长测序助力DMD基因遗传分析
- boke
- 2022-08-25
- 7:21 上午
生命之美是通过无处不在的分子层面计算和信息处理实现的。DNA作为生物体中最有效的信息处理媒介，由于其特异性好、灵活性高、易于自我组装，被广泛用于构建一系列基础逻辑闸和先进的逻辑元件。由于DNA元件比硅基电子器件具有更好的生物适应性，在环境监测、药物递送和智能医疗诊断方面有着广阔的前景。
编码器是一种组合电路装置，将信息编译并转换成二进制代码，可用于闭路通信、传输和存储。编码器通常用作电路的起点，DNA电路的编码器相当于反射弧的感受器。感受器接收足够的刺激，并将该刺激编码为传入神经可以识别和利用的神经冲动。
目前的分子编码器都是以荧光或化学发光信号作为输出，而DNA电路利用DNA作为传输媒介，其介质的错配使得目前的分子编码器无法用于后续电路。类似感受器的反射弧无法直接对外界刺激做出反应，没有编码器的DNA电路在现实环境中的应用受到限制。因此，迫切需要将编码器应用于生物复杂的非二进制环境的DNA电路中。
2022年7月20日华中科技大学吴曈勃团队在《Nucleic Acids Research》上发表了题目为“DNA circuits compatible encoder and demultiplexer based on a single biomolecular platform with DNA strands as outputs”的研究，以DNA链为输出的DNA编码器，真正应用于DNA电路，实现了DNA电路在非二进制生物环境中的应用。
图1 SSG、EXPAR、TJDH方式电路元件的构建
该研究构建一个巧妙的三向接合的双发夹DNA平台——TJDH平台同时实现了编码器、解复用器、多重OR门三种复杂的逻辑计算功能，基于单一生物分子平台的一系列多逻辑电路，实现非算术和算术功能，包括4-to-2编码器、1-to-2信号分离器、1-to-4信号分离器和多输入OR门。与基于SSG的多输入OR门相比，TJDH可以作为一个低泄露和低输入序列要求的多输入OR门。编码器到DNA回路相当于反射弧的感受器。它们的功能都是将路径外的信息(DNA回路或反射弧)编码成一种后续路径可以识别和利用的形式。
目前的分子编码器以光信号或电信号为输出，而DNA电路以DNA链为传输信号，此外，目前的DNA电路大多是由AND门或OR门堆叠而成的复杂元件，随着功能越来越复杂，电路尺寸越来越大，串扰和泄露急剧增加，这是目前DNA电路发展的主要阻碍之一。
该研究首次将以DNA链为输出的DNA编码器，真正应用于DNA电路，实现了DNA电路在非二进制生物环境中的应用。该系统的另一个新特点是，所研制的纳米器件具有结构简单、低泄露、低串扰的特点，这使得它们可以轻松实现更高级别的编码器和解复用器。该系统不引入非生物材料，并且可以轻松应对电路中的信号衰减或生物环境中识别链浓度过低的问题。该设计理念是“在一个简单的平台上实现复杂的功能”，为未来开发更复杂的DNA电路奠定了基础。
