利用強(qiáng)大的DNA分子計(jì)算方法測(cè)量分子信號(hào)的變化

芝加哥大學(xué)的研究人員最近開發(fā)了一種新方法，可以使用強(qiáng)大的DNA分子計(jì)算方法來測(cè)量分子信號(hào)的變化。該方法為模擬分子計(jì)算研究和識(shí)別時(shí)間模式奠定了基礎(chǔ)，有望為可編程藥丸等應(yīng)用鋪平道路。

活細(xì)胞使用復(fù)雜的信號(hào)系統(tǒng)來感知環(huán)境，并在自己和鄰居之間傳遞這些信息。特定信號(hào)分子的濃度及其隨時(shí)間變化的方式是進(jìn)入系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。雖然原理簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)往往非常強(qiáng)大和復(fù)雜。解碼困難的原因之一是很難找到信號(hào)分子并測(cè)量其濃度的變化。

芝加哥大學(xué)開發(fā)的新技術(shù)是生物學(xué)家寄予厚望的DNA計(jì)算形式之一。它是基于一個(gè)單鏈DNA可以替代雙鏈DNA中的另一個(gè)DNA，并且可以被完美的工具精確控制。

這些工具可以將“位移鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”的速率和可逆性精確控制在幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這將產(chǎn)生類似開關(guān)的行為——，這反映了它是開還是關(guān)。組合不同的開關(guān)可以使邏輯運(yùn)算成為可能，這為各種計(jì)算任務(wù)鋪平了道路。研究人員已經(jīng)證明了位移鏈?zhǔn)椒磻?yīng)如何執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算，甚至模仿深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的能力。

芝加哥大學(xué)的新研究總結(jié)了DNA回路可以感知特定信號(hào)的存在及其隨時(shí)間變化的方式。最重要的是，即使周期、占空比和脈沖數(shù)變化很大，信令總量也可以相同。新設(shè)計(jì)的分子機(jī)器可以獨(dú)立測(cè)量這些功能。研究人員使用抽象的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和模擬的脫氧核糖核酸鏈置換反應(yīng)來證明設(shè)計(jì)原理的有效性。

研究人員認(rèn)為，這種分子計(jì)算機(jī)在未來可能會(huì)有戲劇性的應(yīng)用，例如開發(fā)脫氧核糖核酸折紙藥丸，這種藥丸只有在接收到特定的信號(hào)模式時(shí)才會(huì)釋放藥物。細(xì)胞的炎癥反應(yīng)及其適應(yīng)性免疫反應(yīng)會(huì)觸發(fā)轉(zhuǎn)錄因子NFkB的不同信號(hào)模式。藥丸可以被編程為只識(shí)別其中一種，并相應(yīng)地釋放藥物。

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