一種基于微流控技術(shù)和三螺旋雙鏈DNA結(jié)構(gòu)的更穩(wěn)定的邏輯門設(shè)計

隨著信息處理量爆炸性猛增，傳統(tǒng)信息處理技術(shù)面臨著前所未有的巨大挑戰(zhàn)。1994年，美國加利福尼亞大學(xué)的Adleman博士首次通過生化方法證明了用DNA進行特定目的計算的可行性，從而拉開了DNA計算機模型研究的帷幕。相比于傳統(tǒng)信息處理技術(shù)，DNA計算具備高分子并行性以及生物兼容性等方面的廣泛優(yōu)勢。近年來，關(guān)于DNA計算的研究已經(jīng)取得了不少成果，尤其是DNA納米技術(shù)，因其可編程的優(yōu)勢對DNA計算機產(chǎn)生了巨大的影響，然而，其熱不穩(wěn)定性和較低的計算速度限制了其發(fā)展進程。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，基于此，南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院劉寅團隊的研究人員提出了一種基于微流控技術(shù)和三螺旋雙鏈DNA（T-dsDNA）結(jié)構(gòu)的更穩(wěn)定的邏輯門設(shè)計，為DNA納米電路設(shè)計提供了一種簡單易行的策略。該研究成果以“Design and Realization of Triple dsDNA Nanocomputing Circuits in Microfluidic Chips”為題發(fā)表在ACS Appl Mater Interfaces上。

具體而言，研究人員對常規(guī)納米計算電路中的DNA結(jié)構(gòu)進行了修飾。在以往的研究中，計算電路中的DNA結(jié)構(gòu)通常被用于檢測單鏈DNA或RNA，而經(jīng)過關(guān)鍵修飾的DNA結(jié)構(gòu)具有三個雙鏈DNA片段，可與三個單鏈DNA結(jié)合，研究人員將這種結(jié)構(gòu)命名為T-dsDNA。

在此基礎(chǔ)上，研究人員進行了邏輯門（AND、OR和NOT）的設(shè)計，并在微全分析系統(tǒng)（mTAS）中構(gòu)造了半加器邏輯運算模塊和全加器邏輯運算模塊。這些模塊不僅可以使溶液在室溫下充分混合，還可以實時反映操作結(jié)果，體現(xiàn)了其在生化分析、藥物開發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。此外，其布爾邏輯門的模塊化設(shè)計在DNA納米計算電路的組裝中體現(xiàn)了強大的優(yōu)勢。

微流控平臺

總之，研究人員設(shè)計了一種熱穩(wěn)定性較高的DNA結(jié)構(gòu)——T-dsDNA，在此基礎(chǔ)上，進一步開發(fā)了DNA邏輯門，并最終設(shè)計了可在室溫下使用的納米級計算元件。由于這種材料的特性，計算可以在幾秒鐘內(nèi)完成。當(dāng)這種材料與微流控芯片相結(jié)合時，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的計算，為DNA回路核酸的設(shè)計和DNA回路的集成提供了一種新的策略。

全加器與微流控平臺的結(jié)合

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c24220

審核編輯 ：李倩