智能納米機(jī)器人領(lǐng)域基于具有信息處理能力的分子設(shè)備的巨大潛力。在一項(xiàng)支持基于DNA的信息載體趨勢的新研究中，科學(xué)家們設(shè)計(jì)了一種DNA導(dǎo)航系統(tǒng)，可以在二維折紙平臺上執(zhí)行單分子，平行，深度優(yōu)先的搜索操作。

使用DNA導(dǎo)航器的尋路操作利用在折紙平臺上的獨(dú)特觸發(fā)位置處啟動(dòng)的局部鏈交換級聯(lián)過程。通過包含通用遍歷序列的DNA發(fā)夾實(shí)現(xiàn)沿路徑的自動(dòng)進(jìn)展。通過設(shè)計(jì)，每個(gè)單分子導(dǎo)航器可以自主探索通過研究中構(gòu)建的10頂點(diǎn)根樹的任何可能路徑。迷宮相當(dāng)于一棵樹，樹根有一個(gè)入口，另一棵樹通過一個(gè)出口。由Jie Chao和同事進(jìn)行的研究導(dǎo)致探索DNA導(dǎo)航器采取的所有路徑，以提取連接迷宮中給定的一對起始和終點(diǎn)頂點(diǎn)的特定解決方案路徑。結(jié)果，解決方案路徑明顯地放置在折紙平臺上并且使用單分子成像來說明。Nature Materials，詳細(xì)介紹了具有嵌入式生物分子計(jì)算功能的分子材料的實(shí)現(xiàn)，以在單分子水平上運(yùn)行，具有設(shè)計(jì)智能納米機(jī)器人的潛力，可用于工業(yè)和醫(yī)學(xué)的未來應(yīng)用。

過去使用復(fù)雜的分子工具來創(chuàng)建分子機(jī)器，將化學(xué)，光子或電能轉(zhuǎn)換為納米級的旋轉(zhuǎn)或線性運(yùn)動(dòng)。例如，納米尺度的布朗運(yùn)動(dòng)可以使用DNA雜交反應(yīng)可控地轉(zhuǎn)換為基于DNA的納米機(jī)器內(nèi)的定向運(yùn)動(dòng)。這種基于DNA的機(jī)器通過遵循預(yù)先設(shè)計(jì)的嵌入式“分子程序”自動(dòng)操作，該分子程序被設(shè)計(jì)為通過外部刺激手動(dòng)觸發(fā)的級聯(lián)反應(yīng)，用于操作的每個(gè)步驟。

該領(lǐng)域的重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向使用適體和DNA酶實(shí)現(xiàn)基于DNA的邏輯電路來設(shè)計(jì)分子邏輯門。例如，在2006年，Stojanovic及其同事整合了100多個(gè)DNA邏輯門來設(shè)計(jì)一個(gè)名為MAYA-II的自動(dòng)化來玩Tic-Tac-Toe游戲。前面的研究表明，基于雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(HCR)的無酶計(jì)算系統(tǒng)可以創(chuàng)建邏輯門和邏輯電路，以獲得比原始系統(tǒng)更強(qiáng)大和更高效的性能。

PSEC動(dòng)力學(xué)的單分子表征。a)DNA折紙中間的直線用作試驗(yàn)臺。頂點(diǎn)P0是起點(diǎn)，頂點(diǎn)P1-P5是中間點(diǎn)。b)用時(shí)間分辨TIRF測量動(dòng)力學(xué)的六個(gè)平行測試的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。用BHQ2標(biāo)記的T2用于淬滅用Cy3標(biāo)記的T1，在每個(gè)步驟組裝動(dòng)力學(xué)曲線。圖示的例子顯示了淬火的機(jī)理。c)示例TIRF圖像顯示在從P0到P5的六個(gè)平行測試中熒光隨時(shí)間變化。d)用于監(jiān)測在頂點(diǎn)P0至P5處發(fā)生的猝滅事件的典型單分子熒光跡線。e)散點(diǎn)圖顯示每條路徑的長度分布的統(tǒng)計(jì)分析。信用：自然材料，doi：10.1038 / s41563-018-0205-3。

在Chao等人的本研究中，在不同的計(jì)算環(huán)境中使用HCR反應(yīng)方案的相同基本原理來開發(fā)單分子DNA導(dǎo)航系統(tǒng)。該平臺通過在折紙結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)的樹形圖探索了所有可能的路徑，作為沒有循環(huán)路徑的簡單連接的迷宮。這種DNA折紙結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是帶有信息的納米結(jié)構(gòu)，具有明確定義的納米級幾何結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^基于雜交鏈反應(yīng)的近端鏈交換級聯(lián)(PSEC)來探索迷宮。研究人員證明，具有大量單分子DNA導(dǎo)航儀的系統(tǒng)可以共同進(jìn)行并行深度優(yōu)先搜索(PDFS)在樹上有效地執(zhí)行二維折紙內(nèi)的迷宮解決。最初，研究人員進(jìn)行了研究以測試PSEC設(shè)計(jì)。

近端鏈交換級聯(lián)(PSEC)系統(tǒng)(DNA導(dǎo)航器的工作原理)在由三個(gè)組件構(gòu)成的矩形折紙基板上得到促進(jìn)，其包括樹圖，完整股和引發(fā)鏈的物理實(shí)現(xiàn)。沒有釘延伸的空置區(qū)域?qū)?yīng)于迷宮中的壁，阻止了股線交換級聯(lián)的傳播。定義了入口和出口，分別表示為ENT和EXIT。在第二部分中，使用兩種類型的DNA發(fā)夾T1和T2作為燃料來驅(qū)動(dòng)樹形圖上的PSEC。這兩個(gè)發(fā)夾在溶液中共存共存以與自由能雜交并為PSEC過程提供燃料。

根據(jù)設(shè)計(jì)，信息僅在存在啟動(dòng)器(啟動(dòng)器I)的情況下通過網(wǎng)絡(luò)傳播。在添加引發(fā)劑I后，進(jìn)行PSEC并使用原子力顯微鏡(AFM)觀察。為了使已建立的地層可視化，科學(xué)家們將基于DNA導(dǎo)航儀的數(shù)字形成2017年作為原理驗(yàn)證。另一種稱為DNA-PAINT的技術(shù)被用作單分子超分辨率成像技術(shù)，以揭示納米尺度的分子特征，以進(jìn)一步證實(shí)基于PSEC的路徑鋪設(shè)過程。折紙上的PSEC非常具體，沒有折紙內(nèi)或折紙間串?dāng)_。

在具有規(guī)定起始點(diǎn)(P0)和五個(gè)中間步驟(P1-P5)的裝置中使用時(shí)間分辨全內(nèi)反射熒光顯微鏡(TIRF)在研究中在單分子水平上研究該過程的動(dòng)力學(xué)。使用熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)淬滅裝置中的熒光，并通過連續(xù)記錄熒光信號實(shí)時(shí)觀察級聯(lián)。記錄的平均傳播速度為每分鐘2.46nm，穿過直線(54.4nm)的傳播大約需要22分鐘。

然后科學(xué)家構(gòu)建了包含入口頂點(diǎn)A和出口頂點(diǎn)J的10個(gè)頂點(diǎn)的主模型迷宮，三個(gè)連接點(diǎn)(B，D，E)，一個(gè)中間頂點(diǎn)(I)和四個(gè)死角(C，F(xiàn)，G，H) )。使用從A根開始的DNA研究人員研究迷宮的每條路徑相當(dāng)于具有10個(gè)頂點(diǎn)的樹.PSEC反應(yīng)在迷宮上產(chǎn)生了各種路徑的混合物，用AFM確認(rèn)。每個(gè)PSEC都可以在五條可能的路徑之一上前進(jìn)。長度分布的統(tǒng)計(jì)分析表明，測量的路徑與預(yù)測的值很好地吻合。

為了防止導(dǎo)航員通過一條帶有死角的錯(cuò)誤路徑傳播，科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種基于鏈霉抗生物素蛋白 - 生物素標(biāo)簽的方法來選擇性地消除不準(zhǔn)確的路徑導(dǎo)航。因此，在迷宮中僅遵循正確的路徑(P ABDIJ)。研究中使用的計(jì)算上下文允許通過折紙上定義的樹圖探索路徑。DNA導(dǎo)航儀探索的自主路徑單向且不可逆地進(jìn)行，在折紙平臺上的交叉點(diǎn)和拐角處進(jìn)行設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)啟用了并行深度優(yōu)先搜索(PDFS)，允許每個(gè)DNA導(dǎo)航器以定義的速度單獨(dú)探索通過給定圖形的任何一條路徑，大于先前實(shí)現(xiàn)的速度。

與傳統(tǒng)電子計(jì)算相比，所描述的生物分子計(jì)算機(jī)方案的主要優(yōu)點(diǎn)是它們可以直接與生物相關(guān)的過程接口。因此，科學(xué)家們設(shè)想了使用決策樹進(jìn)行DNA折紙和單分子診斷的轉(zhuǎn)化生物醫(yī)學(xué)傳感和決策平臺。未來的應(yīng)用還將包括簡單的傳感器或耦合到分子致動(dòng)器以觸發(fā)下游分子級聯(lián)的傳感器。