NAT NANOTECH丨使用链置换聚合酶基于单链门的快速紧凑的DNA逻辑电路
作者: 张铭芷
因为具有精确的碱基配对特性，我们认为脱氧核糖核酸是一种高度可编程的分子，而这可以使构建复杂任务的DNA回路成为可能。诚然，DNA高效率计算还有许多的局限性：一是计算速度很慢；二是电路设计和操作的杂性很高。
计算速度慢和电路复杂性高是由副反应产生的频繁的信号恢复。作者的指导思想是架构某些功能降低逻辑门的意外反应和避免使用具有多条DNA链的复合逻辑门，由此可以规避因序列设计和纯化不完善导致的副反应的发生。
作者所设计的方法为利用链置换和DNA聚合酶进行DNA逻辑电路的架构。各逻辑门最初只选用单个DNA链以减少前端架构造成预制DNA复合物的意外反应和链复杂性。文章首先验证了基本布尔逻辑AND（“与”门）和OR（“或”门）实现的可行性，如图1所示。
计算速度慢和电路复杂性高是由副反应产生的频繁的信号恢复。作者的指导思想是架构某些功能降低逻辑门的意外反应和避免使用具有多条DNA链的复合逻辑门，由此可以规避因序列设计和纯化不完善导致的副反应的发生。
作者所设计的方法为利用链置换和DNA聚合酶进行DNA逻辑电路的架构。各逻辑门最初只选用单个DNA链以减少前端架构造成预制DNA复合物的意外反应和链复杂性。文章首先验证了基本布尔逻辑AND（“与”门）和OR（“或”门）实现的可行性，如图1所示。
图1. AND门和OR门的验证
A链和B链作为输入信号，在构建OR门的过程中需要引入作为介导“驱动”的F链（1a）。反应过程可以如此描述：体系中存在模板链A*F*O*、B*F*O*以及驱动链F，F首先会与A*F*O*和B*F*O*杂交，并在DNA聚合酶的作用下向3‘端方向延伸（1b）。当信号链输入时（此处以信号A链为例，B链反应过程相同），信号A链与FO-A*F*O*复合物中所暴露的A*段互补杂交，并在聚合酶的作用下向3’端方向延伸，并将复合物中原有的FO链竞争下来（1c），使得FO链成为游离单链（信号B链同样得到游离FO链）。此时，FO链的O段作为引物与荧光报告链复合物结合，同样通过聚合反应使得带淬灭基团的R链被竞争下，使得荧光信号报告（1d）。
同样地，AND门的过程可以如此描述：信号链A或B依次输入，可以得到游离的AO或BO链（1f），介导最终AND信号O段（此处的O段应该不同于OR门中的O段）的输出（1g），使得AND信号荧光报告。但值得注意的是，该过程可能产生副反应（1h）使得没有任何信号被报告。
基于以上简单的布尔逻辑验证，作者接着将逻辑门联级成电路，验证了搭建电路的可行性（图2）。
同样地，AND门的过程可以如此描述：信号链A或B依次输入，可以得到游离的AO或BO链（1f），介导最终AND信号O段（此处的O段应该不同于OR门中的O段）的输出（1g），使得AND信号荧光报告。但值得注意的是，该过程可能产生副反应（1h）使得没有任何信号被报告。
基于以上简单的布尔逻辑验证，作者接着将逻辑门联级成电路，验证了搭建电路的可行性（图2）。
图2.两层级和三层级电路的实现
作者搭建了两层级（OR-AND和AND-OR）和三层级（AND-OR-AND和OR-AND-OR）的逻辑电路,通过荧光强度监测每个联级的输出。此处，原本作为报告信号段的O（O*）段被替换为可作为下一级反应输入信号的D（D*）段。实验数据结果显示，荧光报告结果复合电路布尔逻辑组合运算结果：有信号输出则结果为“1”，无信号输出则结果为“0”。
值得注意的是，当所有信号链不都输入为“1”时，最终输出结果的荧光信号会比输入全为“1”时弱。这是因为AND门中输出时为输入两个信号而只产生一个信号，而OR门中信号输出量与输入量相等，且AND门会有副反应损耗的缘故。
最后，作者基于其所构建的电路搭建方法设计了一个平方根计算电路（图3）。
值得注意的是，当所有信号链不都输入为“1”时，最终输出结果的荧光信号会比输入全为“1”时弱。这是因为AND门中输出时为输入两个信号而只产生一个信号，而OR门中信号输出量与输入量相等，且AND门会有副反应损耗的缘故。
最后，作者基于其所构建的电路搭建方法设计了一个平方根计算电路（图3）。
图3. 平方根电路
为了说明所设计的体系可广泛适用于大规模电路，作者列举并演示了一个由十个逻辑门组成的平方根计算电路，用于计算四位数的平方根函数（底数）。由于体系中未设计NOT门，故采用双轨体系（3a，3b）。原始电路中每个逻辑变量由转换后的电路中的两个变量表示。具体计算过程在此不再详述，可参见原文材料。
本文中所涉及的所有反应时间均在25分钟左右，远小于通常反应所需的数小时的时间。因而作者提出的这种方法有效地提高了DNA电路的计算效率，亦简化了核算电路体系，对构建复杂的动力学系统具有参考价值。体系结构中的DNA逻辑电路可用于同时感测医学应用中的多个核酸序列，与以前的体系中具有多种酶或无酶的电路相比，其响应时间可能更短。对于临床而言，高效准确地进行待检测信号的响应是具有重要意义和价值的，本文给予我们设计利用核酸电路网络搭建检测体系的启发。
本文中所涉及的所有反应时间均在25分钟左右，远小于通常反应所需的数小时的时间。因而作者提出的这种方法有效地提高了DNA电路的计算效率，亦简化了核算电路体系，对构建复杂的动力学系统具有参考价值。体系结构中的DNA逻辑电路可用于同时感测医学应用中的多个核酸序列，与以前的体系中具有多种酶或无酶的电路相比，其响应时间可能更短。对于临床而言，高效准确地进行待检测信号的响应是具有重要意义和价值的，本文给予我们设计利用核酸电路网络搭建检测体系的启发。
Song, T., Eshra, A., Shah, S. et al. Fast and compact DNA logic circuits based on single-stranded gates using strand-displacing polymerase. Nat. Nanotechnol. 14, 1075–1081 (2019).
2019年10月3日 16:50
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