近年來(lái)，分子工程學(xué)的快速發(fā)展推動(dòng)了生物計(jì)算電路的興起，這些電路能夠以高精度和可編程性處理生物信息。其中，基于DNA的生物計(jì)算電路因其天然的生物相容性、并行處理能力以及在分子水平執(zhí)行復(fù)雜計(jì)算的特性而備受關(guān)注。通過(guò)利用可預(yù)測(cè)的沃森-克里克堿基配對(duì)和動(dòng)態(tài)DNA相互作用，這些電路可以模擬電子計(jì)算元件（如開(kāi)關(guān)、邏輯門和放大器）的功能，同時(shí)適應(yīng)生物環(huán)境運(yùn)行。這種獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)使DNA電路在生物傳感、疾病診斷、智能治療和合成生物學(xué)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，由于電路穩(wěn)定性、信號(hào)泄露以及與生物系統(tǒng)無(wú)縫整合等問(wèn)題，此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和臨床轉(zhuǎn)化仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

2025年4月11日，上海交通大學(xué)的王飛副教授和樊春海院士課題組在《

Nature Reviews Bioengineering

該文綜述了DNA生物計(jì)算電路的基本原理，總結(jié)了其工程化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)調(diào)控的最新進(jìn)展，并探討了其在生物醫(yī)學(xué)中的前沿應(yīng)用。此外，還展望了該領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展方向，以推動(dòng)DNA計(jì)算技術(shù)向臨床和生物技術(shù)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

【主要內(nèi)容】

圖1：DNA計(jì)算電路及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用發(fā)展里程碑

圖1展示了自1994年Adleman首次利用DNA解決Hamilton路徑問(wèn)題以來(lái)，DNA計(jì)算的發(fā)展歷程。時(shí)間軸縱貫30年，涵蓋了邏輯電路、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基因調(diào)控、分子診斷、靶向治療等多個(gè)方向，突出了DNA計(jì)算從基礎(chǔ)研究到臨床潛力的演進(jìn)。圖中區(qū)分了“電路設(shè)計(jì)”和“生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用”兩個(gè)階段，體現(xiàn)出DNA電路逐步轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用的趨勢(shì)。

圖2：DNA計(jì)算單元與電路集成策略

圖2系統(tǒng)展示了DNA計(jì)算電路的基本組成單元（如開(kāi)關(guān)、邏輯門、放大器、神經(jīng)元）以及四種主要的電路集成策略：3D自由擴(kuò)散、表面限制擴(kuò)散、DNA折紙局部擴(kuò)散與算法自組裝。通過(guò)這些策略，不同功能模塊可以高效組合，實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單信號(hào)轉(zhuǎn)化到復(fù)雜多層邏輯處理，既支持液相計(jì)算，也可用于細(xì)胞膜和納米結(jié)構(gòu)上的空間控制。

圖3：DNA電路的時(shí)序控制

圖3闡述了如何通過(guò)分子機(jī)制對(duì)DNA電路的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)控，包括延遲執(zhí)行（如利用競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)抑制輸出）、脈沖信號(hào)生成（如可降解RNA激活物形成非穩(wěn)態(tài)信號(hào)峰值）、以及構(gòu)建振蕩電路（通過(guò)DNA分子互生互滅產(chǎn)生周期性波動(dòng)）。這類時(shí)序控制對(duì)模擬生物節(jié)律和實(shí)現(xiàn)高級(jí)動(dòng)態(tài)信息處理具有重要意義。

圖4：多功能可配置計(jì)算系統(tǒng)

圖4展示了DNA電路的三種可編程配置方式：① 通過(guò)“激活特定單元”構(gòu)建不同計(jì)算線路；② 使用“線路連接分子”將不同功能單元串聯(lián)組合；③ 借助“算法自組裝”動(dòng)態(tài)構(gòu)建不同邏輯函數(shù)的電路。這種模塊化設(shè)計(jì)思想使得DNA計(jì)算不再局限于特定任務(wù)，而是可復(fù)用、可拓展的通用計(jì)算平臺(tái)。

圖5：DNA計(jì)算電路的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

圖5匯總了DNA電路在生命醫(yī)學(xué)中的六大典型應(yīng)用：① 實(shí)時(shí)活細(xì)胞成像（如CRISPR靶點(diǎn)成像）；② 改寫細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)通路；③ 誘導(dǎo)特定細(xì)胞命運(yùn)（如腫瘤細(xì)胞凋亡）；④ 條件觸發(fā)的精準(zhǔn)藥物釋放；⑤ 基于DNA的無(wú)細(xì)胞生物傳感平臺(tái)；⑥ 多基因表達(dá)分析輔助的疾病分類與診斷。圖中強(qiáng)調(diào)了DNA電路的高特異性、響應(yīng)性和生物兼容性在體內(nèi)外環(huán)境中的巨大潛力。

【全文總結(jié)】

本文系統(tǒng)綜述了基于DNA的生物計(jì)算電路的設(shè)計(jì)原理、集成策略及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。DNA計(jì)算電路通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)等分子相互作用實(shí)現(xiàn)信息處理，具有高度并行性和良好生物相容性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。研究表明，通過(guò)合理設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)、邏輯門、放大器和神經(jīng)元等基本計(jì)算單元，并結(jié)合三維自由擴(kuò)散、表面受限擴(kuò)散、DNA納米結(jié)構(gòu)定位擴(kuò)散以及算法組裝等集成策略，可構(gòu)建功能多樣的DNA計(jì)算系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在時(shí)序控制方面的突破進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用潛力。目前，DNA計(jì)算電路已在細(xì)胞成像、生物傳感與診斷、條件性治療以及內(nèi)源基因網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要價(jià)值。盡管在穩(wěn)定性、信號(hào)保真度和臨床轉(zhuǎn)化等方面仍面臨挑戰(zhàn)，但隨著分子工程技術(shù)的進(jìn)步，DNA計(jì)算電路有望為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和智能診療提供創(chuàng)新解決方案。未來(lái)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注計(jì)算通路的優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化模塊的開(kāi)發(fā)以及活體應(yīng)用的可行性驗(yàn)證等方向。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

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