DNA搭建逻辑电路？柔性机器人有了新希望学术资讯

DNA逻辑电路示意图。

乍看之下，生物细胞中发生的无数过程似乎复杂得令人难以置信。其实，从根本上讲，它们仅仅是事件的逻辑序列，可以用于搭建数字电路。phys.org网站当地时间6月2日报道，一个由中国华东师范大学研究人员Hao Pei领导的化学团队，开发了一种可配置的多模态逻辑交换网络。该网络能根据pH值和DNA输入对环境作出不同响应。开关电路的所有元件都是由DNA制成的。研究人员表示，这种DNA分子开关电路能够机械地改变凝胶行为，未来有望用于柔性机器人领域。相关论文发表在《德国应用化学》杂志中。

DNA是一种能够以多种方式折叠、扭曲的长链分子。它包含一条主链以及主链上的碱基。两条DNA链中的对应碱基通过配对，形成DNA双螺旋。DNA的灵活性使其能够弯折、成环，甚至形成各种各样的形状。这激发了研究人员对于构建DNA开关的兴趣。DNA开关在接收到输入信号后会改变形状，进而影响周围环境。

Pei团队开发了4种DNA开关，每种开关的链段长度和碱基组合略有不同——由此，它们对单个DNA链的反应会因环境pH值的不同而改变。例如，在pH值为8的弱碱性环境中，其中两个开关形成三链DNA（三链体），其余开关则保持松散伸展状态。这些反应和折叠导致了二次反应，并被研究人员用作开关电路的逻辑函数。其结果可以是可读取为输出的荧光信号。

为了演示开关电路在真实机械系统中的应用，Pei团队将DNA开关引入聚丙烯酰胺凝胶之中。DNA作为交联剂，将凝胶中的聚合物分子连接在一起。交联剂越短（或者DNA折叠程度越高），凝胶就越致密。在将一段含有匹配碱基的DNA作为输入后，一条逻辑电路就设置完毕了，DNA开关也将开始发挥作用。此外，反应回路也与pH值有关。DNA输入和pH值的某些组合会导致DNA交联剂变得更长，进而使凝胶膨胀。在某些情况下，凝胶尺寸会达到初始尺寸的两倍左右。

研究人员指出，DNA开关具有近乎无限的扭曲、折叠组合可能性，基于DNA开关的逻辑电路将对柔性机器人的发展起到重要推动作用。

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编译：雷鑫宇

审稿：西莫

责编：陈之涵

期刊来源：《德国应用化学》

期刊编号：1433-7851

原文链接：

https://phys.org/news/2021-06-soft-logic-circuits-dna.html