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使用单分子DNA导航仪解决迷宫问题

智能纳米机器人领域基于具有信息处理能力的分子设备的巨大潜力。在一项支持基于DNA的信息载体趋势的新研究中,科学家们设计了一种DNA导航系统,可以在二维折纸平台上执行单分子,平行,深度优先的搜索操作。

使用单分子DNA导航仪解决迷宫问题

使用DNA导航器的寻路操作利用在折纸平台上的独特触发位置处启动的局部链交换级联过程。通过包含通用遍历序列的DNA发夹实现沿路径的自动进展。通过设计,每个单分子导航器可以自主探索通过研究中构建的10顶点根树的任何可能路径。迷宫相当于一棵树,树根有一个入口,另一棵树通过一个出口。由Jie Chao和同事进行的研究导致探索DNA导航器采取的所有路径,以提取连接迷宫中给定的一对起始和终点顶点的特定解决方案路径。结果,解决方案路径明显地放置在折纸平台上并且使用单分子成像来说明。Nature Materials,详细介绍了具有嵌入式生物分子计算功能的分子材料的实现,以在单分子水平上运行,具有设计智能纳米机器人的潜力,可用于工业和医学的未来应用。

过去使用复杂的分子工具来创建分子机器,将化学,光子或电能转换为纳米级的旋转或线性运动。例如,纳米尺度的布朗运动可以使用DNA杂交反应可控地转换为基于DNA的纳米机器内的定向运动。这种基于DNA的机器通过遵循预先设计的嵌入式“分子程序”自动操作,该分子程序被设计为通过外部刺激手动触发的级联反应,用于操作的每个步骤。

该领域的重点逐渐转向使用适体和DNA酶实现基于DNA的逻辑电路来设计分子逻辑门。例如,在2006年,Stojanovic及其同事整合了100多个DNA逻辑门来设计一个名为MAYA-II的自动化来玩Tic-Tac-Toe游戏。前面的研究表明,基于杂交链式反应(HCR)的无酶计算系统可以创建逻辑门和逻辑电路,以获得比原始系统更强大和更高效的性能。

PSEC动力学的单分子表征。a)DNA折纸中间的直线用作试验台。顶点P0是起点,顶点P1-P5是中间点。b)用时间分辨TIRF测量动力学的六个平行测试的设计细节。用BHQ2标记的T2用于淬灭用Cy3标记的T1,在每个步骤组装动力学曲线。图示的例子显示了淬火的机理。c)示例TIRF图像显示在从P0到P5的六个平行测试中荧光随时间变化。d)用于监测在顶点P0至P5处发生的猝灭事件的典型单分子荧光迹线。e)散点图显示每条路径的长度分布的统计分析。信用:自然材料,doi:10.1038 / s41563-018-0205-3。

在Chao等人的本研究中,在不同的计算环境中使用HCR反应方案的相同基本原理来开发单分子DNA导航系统。该平台通过在折纸结构上设计的树形图探索了所有可能的路径,作为没有循环路径的简单连接的迷宫。这种DNA折纸结构本质上是带有信息的纳米结构,具有明确定义的纳米级几何结构。可以通过基于杂交链反应的近端链交换级联(PSEC)来探索迷宫。研究人员证明,具有大量单分子DNA导航仪的系统可以共同进行并行深度优先搜索(PDFS)在树上有效地执行二维折纸内的迷宫解决。最初,研究人员进行了研究以测试PSEC设计。

近端链交换级联(PSEC)系统(DNA导航器的工作原理)在由三个组件构成的矩形折纸基板上得到促进,其包括树图,完整股和引发链的物理实现。没有钉延伸的空置区域对应于迷宫中的壁,阻止了股线交换级联的传播。定义了入口和出口,分别表示为ENT和EXIT。在第二部分中,使用两种类型的DNA发夹T1和T2作为燃料来驱动树形图上的PSEC。这两个发夹在溶液中共存共存以与自由能杂交并为PSEC过程提供燃料。

根据设计,信息仅在存在启动器(启动器I)的情况下通过网络传播。在添加引发剂I后,进行PSEC并使用原子力显微镜(AFM)观察。为了使已建立的地层可视化,科学家们将基于DNA导航仪的数字形成2017年作为原理验证。另一种称为DNA-PAINT的技术被用作单分子超分辨率成像技术,以揭示纳米尺度的分子特征,以进一步证实基于PSEC的路径铺设过程。折纸上的PSEC非常具体,没有折纸内或折纸间串扰。

在具有规定起始点(P0)和五个中间步骤(P1-P5)的装置中使用时间分辨全内反射荧光显微镜(TIRF)在研究中在单分子水平上研究该过程的动力学。使用荧光共振能量转移(FRET)淬灭装置中的荧光,并通过连续记录荧光信号实时观察级联。记录的平均传播速度为每分钟2.46nm,穿过直线(54.4nm)的传播大约需要22分钟。

然后科学家构建了包含入口顶点A和出口顶点J的10个顶点的主模型迷宫,三个连接点(B,D,E),一个中间顶点(I)和四个死角(C,F,G,H) )。使用从A根开始的DNA研究人员研究迷宫的每条路径相当于具有10个顶点的树.PSEC反应在迷宫上产生了各种路径的混合物,用AFM确认。每个PSEC都可以在五条可能的路径之一上前进。长度分布的统计分析表明,测量的路径与预测的值很好地吻合。

为了防止导航员通过一条带有死角的错误路径传播,科学家设计了一种基于链霉抗生物素蛋白 - 生物素标签的方法来选择性地消除不准确的路径导航。因此,在迷宫中仅遵循正确的路径(P ABDIJ)。研究中使用的计算上下文允许通过折纸上定义的树图探索路径。DNA导航仪探索的自主路径单向且不可逆地进行,在折纸平台上的交叉点和拐角处进行设计。该设计启用了并行深度优先搜索(PDFS),允许每个DNA导航器以定义的速度单独探索通过给定图形的任何一条路径,大于先前实现的速度。

与传统电子计算相比,所描述的生物分子计算机方案的主要优点是它们可以直接与生物相关的过程接口。因此,科学家们设想了使用决策树进行DNA折纸和单分子诊断的转化生物医学传感和决策平台。未来的应用还将包括简单的传感器或耦合到分子致动器以触发下游分子级联的传感器。

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