Ученые создали новые ДНК-логические схемы

На основе правил комплементарного спаривания оснований можно спроектировать и собрать разнообразные сложные вторичные структуры для создания ДНК-молекулярных устройств с заданными функциями. Эти устройства играют важную роль в различных областях исследований.

ДНК-логические вентили используют биомолекулы (например, ДНК) или другую внешнюю информацию в качестве входных данных, а результаты, вызванные изменениями в структурах ДНК, — в качестве выходных. После булевых операций можно определить взаимную идентификацию и корреляцию различных входных сигналов. Кроме того, можно построить несколько каскадных логических вентилей, или логических схем, используя выход предыдущего вентиля в качестве входа для следующего. Благодаря различным комбинациям и режимам вывода, логические схемы имеют широкие перспективы биомедицинского применения.

Недавно группа Мяо Пэна из Сучжоуского института биомедицинской инженерии и технологий (SIBET) Китайской академии наук разработала новую двуногою ДНК-шагающую наномашину. На её основе исследователи построили серию ДНК-логических схем, используя каскадное вытеснение цепей. Эти инструменты можно использовать для изучения взаимосвязей между биологическими молекулами в сложных образцах.

В этом исследовании зонды ДНК со структурой «стебель-петля» были иммобилизованы на поверхности электрода. В вышестоящей гомогенной системе было применено вытеснение цепей, запускаемое мишенью, для генерации большого количества одноцепочечных последовательностей.

Затем была собрана структура ДНК с трёхпутным соединением, которая выступила в роли двуногого «ходока». В присутствии активирующей цепи со структурой «стебель-петля» этот «ходок» перемещался по поверхности электрода, накапливая электрохимические сигнальные молекулы.

Кроме того, используя неполные структуры трёхпутного соединения и двуцепочечные структуры, были построены логические вентили AND (И) и OR (ИЛИ) путём каскадирования реакции вытеснения цепей. Затем также были созданы вентили NAND (И-НЕ), NOR (ИЛИ-НЕ), XOR (исключающее ИЛИ) и XNOR (исключающее ИЛИ-НЕ). Двухвходовые логические схемы продемонстрировали отличную производительность в логических операциях.

После этого были созданы трёхвходовые вентили AND и OR с использованием спроектированных структур с четырёхпутным соединением и двуцепочечных структур. Разработанные в этом исследовании логические схемы могут быть применены не только для сверхчувствительного биомедицинского детектирования, но и дают новые идеи для исследований в области управления информацией биомолекул, коммуникации и биологических вычислений.