中国科学技术大学化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心邓兆祥教授、姚东宝特任副研究员研究团队利用可编程DNA链替换反应精准调控纳米粒子催组装过程，构建了一系列无信号泄漏的DNA逻辑运算器件。相关成果以“Implementation of Digital Computing by Colloidal Crystal Engineering with DNA”为题，近日在线发表于国际著名学术期刊《美国化学会会志》（Journal of the American Chemical Society）。
DNA分子严格遵循碱基互补配对原则，具有优异的可编程性和结构可设计性。受传统半导体电子计算机的启发，能够执行逻辑运算功能的DNA分子计算器件在过去30年中经历了快速发展。其中，基于toehold介导的DNA链替换反应所构筑的DNA逻辑运算器件展现出很高的复杂度和优异的可集成性。目前报道的大多数DNA逻辑运算器件以荧光作为信号读出，并依赖荧光强度进行结果判定。这类器件仅能在分子水平上处理信息，难以避免非特异性反应导致的信号泄漏。
图1基于PAE催组装的无泄漏信号读出系统设计原理
在DNA胶体晶体工程领域，DNA功能化的纳米粒子（也称为可编程原子等价物，即PAE）可通过传统的热退火方法组装成不同晶体对称性的微米级超晶格（面心立方、体心立方、氯化铯等）。受田中群院士提出的催组装（Catassembly）概念启发，中科大团队近年来以DNA链替换作为催组装过程的基元反应，发展了系列纳米粒子催组装策略（PNAS 2020, 117, 5617；PNAS 2023, 120, e2219034120；Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202403492）。通过恒温条件下精准调控纳米粒子组装路径，实现有序超晶格的构筑，解决了传统热退火方法不能充分利用DNA的可编程性、不利于活性组装基元（如蛋白酶）引入以及难以实现组装结构间固相转变的问题。尤其是可去除型DNA催组剂（Catassembler）协助的催组装策略（PNAS 2023, 120, e2219034120），为恒温制造纳米粒子超晶体提供了一种简单且通用的途径。在该策略中，DNA催组剂类似于化学反应的催化剂，可通过纠正无定形聚集结构中的错误DNA连接，加速组装系统脱离各种动力学陷阱，实现亚稳态逃逸。
针对传统荧光读出策略构筑DNA逻辑器件面临的问题，中科大团队成功将DNA链替换逻辑运算网络与纳米粒子催组装结合，首次实现DNA分子逻辑驱动的大尺寸三维胶体超晶体构筑，表明纳米粒子催组装可作为无泄漏且直观可视的逻辑信号读出系统。在作者设计的纳米粒子催组装系统中，惰性纳米粒子（dPAE，无粘性末端）需要与上游DNA逻辑回路释放的引发链（Trigger）之间发生DNA链替换反应，才能转化为活性纳米粒子（PAE，有粘性末端）。一方面，PAE组装需要足够数量的粘性末端以获得多位点协同作用；另一方面，过高浓度的DNA催组剂会导致PAE粘性末端被封堵从而破坏组装结构。因上游DNA逻辑回路非特异性释放的Trigger不足以启动PAE的催组装过程，故不能形成稳定的超晶体，即泄漏的噪声可被完全“过滤”吸收，使得所构建的逻辑器件具有优异的抗信号泄漏能力。逻辑运算结果可根据特定超晶体的小角X射线散射（SAXS）图案进行准确判断，无须人为设定信号强度阈值（图1）。当PAE超晶体的类型和有序度不影响输出判断时，可以更为方便地通过紫外-可见分光光度计或肉眼观察获知运算结果。
图2以PAE催组装为信号读出的双输入DNA逻辑门
通过理性化设计，作者构建了一系列单输入（YES和NOT）、双输入（OR、AND、XOR、NOR、NAND、XNOR、INHIBIT）DNA逻辑门（图2）以及两层级联DNA逻辑回路（OR-AND、AND-OR、AND-NOR）。借助SAXS信号优异的区分度，基于两种不同超晶格体系分别构建的XOR和AND逻辑门，进一步实现了半加法运算。同时，该工作还成功构筑了一个具有信息安全保护功能的双输入DNA键盘锁。由于PAE催组装仅作为DNA逻辑运算系统的最终信号读出，理论上任何基于DNA链替换反应的逻辑回路均可适用，从而有利于未来构建更复杂、更大规模的DNA逻辑体系。本工作基于PAE催组装实现的无泄漏DNA逻辑门是对现有DNA逻辑系统的显著改进，在构筑具有逻辑运算功能和动态可编程的三维有序大尺寸胶体超晶格方面迈出重要一步。
中国科学技术大学博士研究生刘晓雨和姚东宝特任副研究员为本论文的共同第一作者，中国科学技术大学邓兆祥教授、姚东宝特任副研究员以及上海光源滑文强副研究员为本论文的通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金委重大项目、科技部重点研发计划、合肥微尺度物质科学国家研究中心以及中国科学技术大学青年创新重点基金的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c12078