智能核酸计算系统的构建及生物医学应用

来源：中国科学杂志社

上海交通大学医学院附属仁济医院分子医学研究院韩达课题组在《中国科学：化学》发表评述文章，介绍了智能核酸计算系统的构建及在生物医学应用方面的最新进展。

20世纪90年代以来, 基于核酸的分子计算技术开始兴起。其主要的动力来自基于硅基底的半导体技术从制造工艺上已经到达了无法进一步变小的瓶颈。作为生物自然选择的遗传物质, 核酸有着优越的微型化信息储存能力, 其储存1 bit的信息仅需要50个原子。同时, 快速程序化的化学合成以及低廉的合成成本也为核酸分子在逻辑计算中的大规模应用提供了优良的物质基础。

早在1994年, Adleman就利用核酸的计算能力解决了一个数学逻辑计算领域的难题: 哈密顿路径问题。他将哈密顿路径问题的节点编码为不同的单链DNA序列, 利用核酸碱基之间的识别能力及聚合酶链式反应(PCR)扩增技术解码出正确的哈密顿路径。这一研究开创了核酸计算领域的先河。经过近20年的发展, 人们已经证明了由核酸分子组成的逻辑系统可以执行各种模拟计算机中的逻辑计算指令, 如信号储存、放大、反馈和联级等。但是, 核酸分子本身的局限性, 如信号传导速度慢和难以设计成为固定的模块系统等, 使核酸分子计算技术在计算速度与计算容量上远远无法接近传统半导体计算机技术。

随着生物技术的进一步发展, 人们发现核酸分子具备越来越多的重要生物学功能, 如调控基因表达、干预蛋白质功能等, 而核酸分子计算技术则可以把核酸分子的这些功能有机整合起来, 实现对生物功能分子更精细、智能的调控效果。所以, 把核酸分子电路应用于生物医学中成为了其新的发展方向。利用核酸分子的可编程性、纳米级尺寸、生物调控功能等优势, 并与纳米技术相结合, 研究者们构建出具有不同功能的智能核酸计算系统。

近期，上海交通大学医学院附属仁济医院分子医学研究院韩达课题组在《中国科学：化学》在线发表评述，介绍了智能核酸计算系统的构建及在生物医学应用方面的最新进展。

图  (a) 构建于细胞膜上的基于DNA适配体的智能核酸药物递送系统原理示意图; (b) 智能核酸计算系统监测细胞膜上的蛋白质分子相互作用原理示意图。

作者指出，目前基于核酸的智能计算系统已经发展到在体外以可预测的方式合理地设计具备任何逻辑功能的阶段。此外, 使用计算机软件可对系统的序列设计、动力性和热力学行为进行预测和模拟, 大大提高了系统构建的成功率。因此, 在过去的10年中, 基于核酸的计算系统无论在质量还是在数量上, 都经历了急剧的增长。然而在将其大规模转化至生物医学领域的应用之前, 依旧存在一些难题等待克服, 如相对较慢的反应动力学和较高的错误率。此外, 生物稳定性的缺乏和在复杂环境下的协同性也给其在生物体内的应用设下了难题。

但是, 随着各种新技术的层出不穷, 这些问题会得到逐步解决。可以确定的是, 研究人员将会设计出更多的智能核酸计算系统, 并进一步拓展其在生物医学中的应用, 为模拟生命的功能和重大疾病的诊疗提供变革性新技术, 为人类探索生命基本规律和干预疾病信号通路提供重要的理论与技术支撑。