近年來，作為前瞻信息處理和未來生物技術(shù)領(lǐng)域中的前沿?zé)狳c(diǎn)技術(shù)，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(chǔ)能力以及生物兼容性等優(yōu)點(diǎn)，其在DNA存儲(chǔ)、新型計(jì)算模型、基因編輯和納米操控方面有著廣泛的潛在應(yīng)用。與生物系統(tǒng)類似，人工DNA電路能夠通過多種分子信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA分子網(wǎng)絡(luò)和分子機(jī)器的精確調(diào)控。目前，常見的理化分子調(diào)控信號(hào)包括：化學(xué)鍵、分子間力、別構(gòu)效應(yīng)等。其中，分子別構(gòu)是生命活動(dòng)中重要的調(diào)節(jié)方式之一，基于別構(gòu)信號(hào)傳導(dǎo)的生物分子網(wǎng)絡(luò)調(diào)控具有高選擇性和高精準(zhǔn)度等特點(diǎn)。然而，由于現(xiàn)有DNA別構(gòu)信號(hào)的級(jí)聯(lián)和調(diào)控手段仍較為單一，缺乏拓展和級(jí)聯(lián)能力，所以亟需發(fā)展一種新型可編程設(shè)計(jì)的DNA別構(gòu)級(jí)聯(lián)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。通過構(gòu)建可級(jí)聯(lián)的DNA別構(gòu)信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)，來實(shí)現(xiàn)DNA別構(gòu)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的分子信息整合、調(diào)整、傳遞等復(fù)雜功能，該方向已經(jīng)成為生物計(jì)算、基因編輯和DNA存儲(chǔ)等領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)之一。

(A) 可編程DNA別構(gòu)轉(zhuǎn)導(dǎo)基本模型；(B)雙位點(diǎn)別構(gòu)信號(hào)調(diào)控；(C)四層級(jí)聯(lián)DNA別構(gòu)信號(hào)回路；(D)遠(yuǎn)程DNA別構(gòu)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)納米機(jī)器

近期，北京大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院生物計(jì)算團(tuán)隊(duì)（張成/許進(jìn)課題組），聯(lián)合華北電力大學(xué)、美國亞利桑那州立大學(xué)、埃默里大學(xué)、東南大學(xué)和清華大學(xué)等多家國內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)提出“納米彈弓”結(jié)構(gòu)的新型DNA別構(gòu)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，成功實(shí)現(xiàn)了DNA別構(gòu)信號(hào)的可編程轉(zhuǎn)導(dǎo)、多層級(jí)聯(lián)構(gòu)建和精細(xì)結(jié)構(gòu)信號(hào)調(diào)控。2022年2月2日，相關(guān)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(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該DNA別構(gòu)信號(hào)可以通過改變結(jié)構(gòu)信號(hào)的大小、位置甚至數(shù)量而實(shí)現(xiàn)別構(gòu)精細(xì)調(diào)控。利用該DNA別構(gòu)機(jī)制，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了“扇入/扇出”、多層“級(jí)聯(lián)”等基本DNA電路網(wǎng)絡(luò)操作。同時(shí)，構(gòu)建的計(jì)算仿真模型也得到了類似的別構(gòu)調(diào)控效果。通過嘗試對(duì)納米機(jī)器進(jìn)行遠(yuǎn)距離DNA別構(gòu)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和精細(xì)調(diào)控，在100nm尺度的自組裝納米機(jī)器上實(shí)現(xiàn)了別構(gòu)信號(hào)隔空傳遞和15nm單納米顆粒的響應(yīng)釋放。該研究不僅證明了新型DNA別構(gòu)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的可編程設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)調(diào)控能力，同時(shí)還拓展了其在分子信息處理、納米機(jī)器和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

北京大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)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(xué)許進(jìn)教授、歐陽頎院士對(duì)本研究給予了悉心指導(dǎo)。該研究獲得科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和北京市國際合作專項(xiàng)等資助，得到北京大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院和高可信軟件技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

來源：北京大學(xué)