计算机学院生物计算团队在“可编程DNA别构信号回路和纳米机器”方向取得重要进展

　　

近年来，作为前瞻信息处理和未来生物技术领域中的前沿热点技术，人工DNA回路系统发展迅速。由于具有高并行性、海量存储能力以及生物兼容性等优点，其在DNA存储、新型计算模型、基因编辑和纳米操控方面有着广泛的潜在应用。与生物系统类似，人工DNA电路能够通过多种分子信号网络的协同作用，实现对DNA分子网络和分子机器的精确调控。目前，常见的理化分子调控信号包括：化学键、分子间力、别构效应等。其中，分子别构是生命活动中重要的调节方式之一，基于别构信号传导的生物分子网络调控具有高选择性和高精准度等特点。然而，由于现有DNA别构信号的级联和调控手段仍较为单一，缺乏拓展和级联能力，所以亟需发展一种新型可编程设计的DNA别构级联信号转导机制。通过构建可级联的DNA别构信号通路网络，来实现DNA别构信号网络的分子信息整合、调整、传递等复杂功能，该方向已经成为生物计算、基因编辑和DNA存储等领域的研究焦点之一。

(A) 可编程DNA别构转导基本模型；(B)双位点别构信号调控；(C)四层级联DNA别构信号回路；(D)远程DNA别构信号转导纳米机器

近期，北京大学计算机学院生物计算团队（张成/许进课题组），联合华北电力大学、美国亚利桑那州立大学、埃默里大学、东南大学和清华大学等多家国内外科研团队，设计提出“纳米弹弓”结构的新型DNA别构信号转导机制，成功实现了DNA别构信号的可编程转导、多层级联构建和精细结构信号调控。2022年2月2日，相关成果以“Programmable Allosteric DNA Regulations for Molecular Networks and Nanomachines”为题，以research article形式在线发表于《科学·进展》（Science Advances）。

实验结果表明，该DNA别构信号可以通过改变结构信号的大小、位置甚至数量而实现别构精细调控。利用该DNA别构机制，联合研究团队实现了“扇入/扇出”、多层“级联”等基本DNA电路网络操作。同时，构建的计算仿真模型也得到了类似的别构调控效果。通过尝试对纳米机器进行远距离DNA别构信号转导和精细调控，在100nm尺度的自组装纳米机器上实现了别构信号隔空传递和15nm单纳米颗粒的响应释放。该研究不仅证明了新型DNA别构信号转导的可编程设计和精准调控能力，同时还拓展了其在分子信息处理、纳米机器和生物医药等领域的潜在应用。

北京大学计算机学院为该研究工作的第一完成单位，张成副研究员为论文的第一/通讯作者。北京大学许进教授、欧阳颀院士对本研究给予了悉心指导。该研究获得科技部重点研发计划、国家自然科学基金和北京市国际合作专项等资助，得到北京大学计算机学院和高可信软件技术教育部重点实验室的支持。