基于DNA堿基之間的互補(bǔ)配對原則，可以設(shè)計(jì)組裝多種復(fù)雜的二級結(jié)構(gòu)，進(jìn)而開發(fā)出具有特定功能的DNA分子器件，包括分子開關(guān)、納米機(jī)器、分子框架、邏輯電路等。這些分子器件不僅在生命科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著重要的作用，而且在能源、信息、生物計(jì)算等研究領(lǐng)域內(nèi)都具有重要的意義。

DNA邏輯門是將DNA等生物分子或其他外界信息作為輸入(input)，通過DNA結(jié)構(gòu)變化引發(fā)的各種表征結(jié)果作為輸出(output)，布爾運(yùn)算后可以使得各種輸入之間的相互識別關(guān)聯(lián)關(guān)系得以明確。此外，通過將前一個邏輯門的輸出作為后一個邏輯門的輸入，可以構(gòu)建多個級聯(lián)的邏輯門，即邏輯電路。邏輯電路的組合、信號輸出方式具有多樣化的特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

近期蘇州醫(yī)工所繆鵬研究員課題組發(fā)展了一種基于DNA雙足步行的電化學(xué)納米機(jī)器，并通過級聯(lián)鏈置換構(gòu)建出一系列的DNA邏輯電路，用于研究復(fù)雜生物樣本中多種生物分子的關(guān)聯(lián)關(guān)系。首先在電極界面修飾莖環(huán)結(jié)構(gòu)的軌道探針分子；在上游均相體系中引入目標(biāo)觸發(fā)的鏈置換聚合反應(yīng)用于特定序列單鏈的大量合成；利用DNA三通結(jié)結(jié)構(gòu)完成雙足步行鏈的組裝；在莖環(huán)結(jié)構(gòu)驅(qū)動鏈的存在條件下使其在電極界面交替行走，完成電化學(xué)信號分子的富集探測（圖1）。進(jìn)一步地，利用不完整三通結(jié)及雙鏈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行級聯(lián)鏈置換反應(yīng)構(gòu)建出AND, OR門，并與NOT門聯(lián)合發(fā)展出NAND, NOR, XOR, XNOR門。所構(gòu)建的雙輸入邏輯電路表現(xiàn)出良好的邏輯運(yùn)算、操作性能（圖2）。隨后，通過四通結(jié)及雙鏈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)完成了三輸入AND, OR門的搭建。發(fā)展的一系列邏輯電路不僅可應(yīng)用于超靈敏生物醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)，也為生物分子信息控制、通信、生物計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的研究工作提供了新的思路。

相關(guān)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFE0132300）、國家自然科學(xué)基金（81771929）等項(xiàng)目的資助。結(jié)果已發(fā)表ACS Cent. Sci. 2021, 7, 1036-1044 (IF=14.553)。

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?圖1 DNA雙足步行器的示意圖及結(jié)果

?圖2 雙輸入的邏輯電路示意圖及結(jié)果

?圖3 三輸入的邏輯電路示意圖及結(jié)果