(北京大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 北京 100871)

DNA是生物遺傳信息存儲(chǔ)和傳輸?shù)闹匾肿?，同時(shí)也是天然的納米材料和元件[1].研究者們利用DNA設(shè)計(jì)和構(gòu)建各種納米結(jié)構(gòu)和器件，如DNA芯片[2]、納米機(jī)器人[3-4]、DNA信息存儲(chǔ)[5]、DNA計(jì)算等[6-7].這些新科技詞的出現(xiàn)，表明了DNA在信息領(lǐng)域具有巨大的潛力.

DNA納米技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代美國(guó)紐約大學(xué)的Nadrian Seeman的奇思妙想.他試圖將通常認(rèn)為是遺傳信息載體的DNA作為材料來(lái)構(gòu)建各種納米尺度的形狀或結(jié)構(gòu).最初的時(shí)候，DNA納米技術(shù)僅能構(gòu)建簡(jiǎn)單的幾何圖案和二維對(duì)稱圖形.隨著研究的深入，特別是2006年Rothemund[1]創(chuàng)造性地提出了DNA折紙術(shù)，給DNA納米技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)了突破性的進(jìn)展.DNA折紙術(shù)是利用一條長(zhǎng)的DNA單鏈，像折中國(guó)結(jié)一樣來(lái)回折疊出特定的形狀，同時(shí)設(shè)計(jì)出上百條短的互補(bǔ)鏈，用于和長(zhǎng)的DNA單鏈互補(bǔ)來(lái)固定折疊形狀.用來(lái)折疊形狀的長(zhǎng)鏈條稱為scaffold鏈條，用來(lái)固定折紙形狀的短鏈稱為staple鏈.一般常用的scanffold鏈條為7 249 nt的M13mp18噬菌體的環(huán)狀單鏈.折紙鏈條上所有的DNA序列都是已知的，可以在任何部位進(jìn)行增減刪除和連接.而且DNA折紙具有很強(qiáng)的魯棒性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、剛性強(qiáng)、尺寸可控.因此，DNA折紙結(jié)構(gòu)是完美的納米級(jí)全編程的信息工具.

經(jīng)過近20 a的發(fā)展，DNA折紙術(shù)可應(yīng)用于生物醫(yī)藥[8-9]、結(jié)構(gòu)材料[10-11]、分子機(jī)器[12-13]、生物計(jì)算[14-15]等多方面.特別是近幾年來(lái)，DNA納米技術(shù)結(jié)合新興的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[16]、人工智能[17]、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[18]、大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)，DNA計(jì)算有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).

1 基于DNA折紙的計(jì)算模型

DNA計(jì)算具有巨大的潛力，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)由于面臨摩爾定律的失效，其發(fā)展已經(jīng)快要達(dá)到頂點(diǎn).而且，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)還面臨著能耗巨大，計(jì)算速度有限，串行連接效率低等問題.DNA計(jì)算有大并行性、微量化、能耗低、存儲(chǔ)密度高等優(yōu)勢(shì).DNA計(jì)算的速度比當(dāng)今計(jì)算機(jī)最快的運(yùn)算速度(1019次/s)還要快上許多倍，而且它只需要極少的能量(按1019次/J運(yùn)算).DNA計(jì)算的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)從1994年Adleman使用DNA解決著名的NP-complete計(jì)算機(jī)難題(旅行商問題)開始[19].事實(shí)上，適用于DNA折紙的計(jì)算模型要比DNA折紙術(shù)更早的提出和設(shè)想過.

1.1 粘貼模型

加州理工大學(xué)的Roweis等[20]在1996年提出了一種粘貼模型，利用DNA鏈條的互補(bǔ)配對(duì)特性進(jìn)行識(shí)別操作的DNA檢索模型.在一條長(zhǎng)的DNA鏈條上進(jìn)行合并、分離和清零等操作，實(shí)現(xiàn)DNA計(jì)算.該模型同樣也可以應(yīng)用于DNA折紙結(jié)構(gòu)，1998年Winfree[21]在博士論文中對(duì)粘貼模型進(jìn)行了改進(jìn)，提出了多種基于識(shí)別、粘貼的計(jì)算模型,圖1所示的為Winfree提出的2D和3D塊計(jì)算模型，完美契合DNA折紙術(shù)(雖然8年后DNA折紙術(shù)才被發(fā)明).圖1中，左列為基本計(jì)算模塊.右列為特異性組裝計(jì)算模型結(jié)構(gòu).

基于同樣的粘貼思想，Nadrian Seeman等在2000年成功地實(shí)現(xiàn)了基于DNA結(jié)構(gòu)的XOR異或運(yùn)算[22].2004年，Rothmund等[23]合作完成DNA謝爾賓斯基三角的計(jì)算實(shí)驗(yàn).作為DNA折紙術(shù)的發(fā)明人，Rothmund對(duì)這種計(jì)算模型具有更深刻的理解.進(jìn)一步地，Winfree[24]設(shè)計(jì)了一種通用的2D計(jì)算模型(圖2)，該模型利用DNA塊的特異性識(shí)別和粘貼，可控方向、可控種類的生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)了一系列NP完全問題的計(jì)算模型轉(zhuǎn)換.

圖2 通用計(jì)算模型框架Fig.2 A general computing model framework

圖2中最下方一行為輸入數(shù)據(jù)，中間的連接結(jié)構(gòu)為計(jì)算過程，最上方一行為輸出.不同形狀的組件塊代表著不同的計(jì)算單元.

該模型具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和可靠性，在當(dāng)時(shí)直到現(xiàn)在都具有很高的適用性.該模型要求輸入組件要有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，輸入組件首先成型，并且只有在正確匹配的情況下才能粘貼到晶體上.通過對(duì)組件塊的粘性末端編碼，使得它們滿足計(jì)算邏輯的需要.并且通過對(duì)組件塊的設(shè)計(jì)，能讓它們?cè)诟叩臏囟认卤３址€(wěn)定.通過對(duì)溫度和結(jié)合域的調(diào)整保持平衡，實(shí)現(xiàn)最終的計(jì)算結(jié)果.

基于這種思想，國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者設(shè)計(jì)出了一系列的DNA計(jì)算模型.強(qiáng)小利等根據(jù)二部圖完美匹配的規(guī)則和他們之間的連接關(guān)系，設(shè)計(jì)出DNA自組裝計(jì)算模型，用于求解二部圖完美匹配問題，見圖3(a)[25].李肯立等設(shè)計(jì)出最大團(tuán)問題的DNA自組裝模型，見圖3(b)，減少了解的空間規(guī)模并通過實(shí)驗(yàn)仿真出了正確結(jié)果[26].

圖3 DNA粘貼模型解決圖論問題Fig.3 DNA stickup model solves graph problems

除此之外，還有：李肯立等[27]設(shè)計(jì)的最大匹配問題DNA計(jì)算；殷志祥等[28]設(shè)計(jì)的頂點(diǎn)覆蓋問題的計(jì)算模型；網(wǎng)格聚類的DNA計(jì)算模型等[29].這些模型無(wú)不應(yīng)用了DNA塊的拼接模型.無(wú)論是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的模型還是未實(shí)現(xiàn)的模型，DNA折紙結(jié)構(gòu)無(wú)疑是最為合適的計(jì)算單元.

1.2 網(wǎng)絡(luò)模型

近5年來(lái)，研究者們?cè)絹?lái)越不滿足于簡(jiǎn)單的粘貼模型.隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的興起，如何利用DNA塊搭建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)成為研究的熱點(diǎn).2015年Schiefer等[30]設(shè)計(jì)了一種基于DNA自組裝的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)-CRN(Chemical Reaction Network).在該網(wǎng)絡(luò)中，他設(shè)計(jì)了6種化學(xué)反應(yīng)方程式(圖4)，分別是前向反應(yīng)和刪除反應(yīng)、生成反應(yīng)和重置反應(yīng)、激活反應(yīng)和淬滅反應(yīng).將計(jì)算塊按照每一種反應(yīng)方程式進(jìn)行編碼，這樣計(jì)算塊就能按照預(yù)定設(shè)計(jì)，自發(fā)地進(jìn)行反應(yīng),計(jì)算的結(jié)果由自組裝的結(jié)構(gòu)輸出.最后他詳細(xì)地論證了該模型是圖靈等價(jià)的，并通過對(duì)計(jì)算模塊進(jìn)行編碼，仿真了一系列NP完全問題.

圖4 6種反應(yīng)方程式Fig.4 Six basal chemical reaction for CRN

在圖5的模型中，作者給出了一個(gè)柯爾莫果洛夫最佳組裝的示例.并證明所有的平面形狀都可以用該CRN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)柯爾莫果洛夫最佳組裝.除了Schiefer設(shè)計(jì)的CRN網(wǎng)絡(luò)，還有許多研究學(xué)者設(shè)計(jì)出其他類型的CRN網(wǎng)絡(luò).比如明尼蘇達(dá)大學(xué)的Keshab等設(shè)計(jì)的CRN網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的高等函數(shù)計(jì)算，Parh課題組通過Visual DSD軟件仿真出這些高等函數(shù)的計(jì)算結(jié)果[31].除此之外，比較重要的計(jì)算模型還有如加州理工錢露露組設(shè)計(jì)的seesaw門[32]，北京大學(xué)許進(jìn)提出的探針計(jì)算模型等[33].由于以上計(jì)算模型是通用型的計(jì)算模型，并非只用于DNA折紙計(jì)算，因此這里不再贅述.

圖5 柯爾莫果洛夫最佳組裝示例Fig.5 Kolmogolov optimal assembly example

事實(shí)上，要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算過程，計(jì)算模型必須同時(shí)具有粘貼、剪接、增加、傳遞、檢查等多種特性.DNA折紙雖然能具有其中幾個(gè)特性，但是復(fù)雜的計(jì)算過程往往是多種條件綜合的結(jié)果.例如DNA聚合酶、外切酶的作用，DNA分子的連接和擴(kuò)增作用的綜合效果.DNA折紙作為其中的計(jì)算單元有良好的特性，但更加完善的計(jì)算，需要更加高效準(zhǔn)確的手段.

2 基于DNA折紙的計(jì)算機(jī)

DNA結(jié)構(gòu)雖然很普通，但卻對(duì)生命有著重要的功能，并且DNA分子已經(jīng)成為化學(xué)、結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等許多領(lǐng)域的研究基礎(chǔ).由于DNA的反應(yīng)必須要在溶液中進(jìn)行，因此，DNA計(jì)算機(jī)也是溶液中的機(jī)器.構(gòu)建基于DNA折紙的計(jì)算機(jī)的目標(biāo)是發(fā)展成為能在獲得生物體中進(jìn)行工作的納米計(jì)算機(jī).通過生物體的特性幫助實(shí)現(xiàn)計(jì)算過程，并實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)做出判斷.

2.1 DNA計(jì)算游戲

DNA計(jì)算機(jī)的一個(gè)挑戰(zhàn)就是如何將上百個(gè)邏輯分子有序的整合到一個(gè)系統(tǒng)，這是非常重要的一點(diǎn).幸運(yùn)的是DNA折紙具有很高的延展性，DNA折紙表面可以進(jìn)行計(jì)算的標(biāo)記，探針鏈條的設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)行信息的傳遞和表征.還有DNA折紙自組裝能夠形成大規(guī)模的可控晶體，這為設(shè)計(jì)納米電路，DNA芯片提供了完美的解決方案.加利福尼亞理工學(xué)院的Qian小組設(shè)計(jì)出大規(guī)模的DNA折紙計(jì)算機(jī)能夠完成三子棋的游戲[17]，見圖6.它能夠通過2種不同的標(biāo)記(○和×)顯示出雙方所有的動(dòng)作(人與DNA計(jì)算機(jī))，雙方輪流在9個(gè)方格(3×3的棋盤)中落子，當(dāng)3個(gè)棋子連成一條線時(shí)即為勝利.DNA計(jì)算機(jī)能窮盡所有的下法，表現(xiàn)出很高的智能性.

圖6 DNA計(jì)算機(jī)游戲——三子棋
Fig.6 DNA computer game-Three chess

2.2 DNA分子神經(jīng)系統(tǒng)

據(jù)《自然》雜志2018年發(fā)表的一篇論文，科學(xué)家已經(jīng)建立了一種能夠識(shí)別手寫數(shù)字的DNA分子神經(jīng)系統(tǒng)[16].手寫系統(tǒng)的識(shí)別在深度學(xué)習(xí)中是一種非常常見的任務(wù).研究者通過20條DNA鏈條設(shè)計(jì)出1～9等不同的手寫數(shù)字，并將這些手寫數(shù)字編碼為不同的模式.在10×10的網(wǎng)格中顯示出不同的數(shù)字.通過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別特定的模式和相關(guān)的數(shù)字，并將其與訓(xùn)練的數(shù)組進(jìn)行匹配，對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.圖7所示為DNA分子精神系統(tǒng)識(shí)別手寫數(shù)字的示意圖.

圖7 DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別手寫數(shù)字Fig.7 DNA Neural Network to identity numbers

在具體的實(shí)驗(yàn)操作中，10×10的網(wǎng)格是設(shè)計(jì)在DNA折紙表面.DNA折紙作為計(jì)算平臺(tái)不僅是數(shù)字模式的基底，而且是結(jié)果檢測(cè)的介質(zhì).通過對(duì)計(jì)算平臺(tái)的檢查(原子力顯微鏡、電子透鏡)，可以直接觀測(cè)出DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別結(jié)果.這種DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅能夠用來(lái)識(shí)別手寫文字，還能用來(lái)進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢測(cè)或構(gòu)建分子生物電路.

目前DNA計(jì)算機(jī)所能計(jì)算的問題還都停留在中小型問題上，大規(guī)模的計(jì)算依然面臨著多種計(jì)算單元塊整合的問題.因此，雖然DNA計(jì)算機(jī)從理論上來(lái)說(shuō)比傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)要快很多，但是在實(shí)際工作中存在著大量待克服的困難.不過，DNA更適用于求解普通電子計(jì)算機(jī)難以解決的某些特定問題，例如圖論問題、信息加密等問題.DNA由于本身的特性，要比電子計(jì)算機(jī)更為適合.

3 DNA信息存儲(chǔ)工具

目前全球數(shù)字信息的重量為3.52×1022bit，預(yù)計(jì)到2040年將增長(zhǎng)到3×1024bit[34].基于磁帶的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)會(huì)在20年內(nèi)惡化，而硅芯片的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度有限.硅芯片有限的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力還具有嚴(yán)重的局限性，例如對(duì)人體健康存在危害和對(duì)環(huán)境污染.世界各地研究人員都在尋找合適的替代方案，DNA由于具有耐久性、更高的信息存儲(chǔ)密度，以及具有和電子計(jì)算機(jī)0/1相似的存儲(chǔ)邏輯，因而成為最吸引人的選擇.

DNA具有取代傳統(tǒng)硬盤的所有特性，因?yàn)楹蛡鹘y(tǒng)的磁體顆粒相比，它能夠保存10倍以上的數(shù)據(jù)，具有千倍的存儲(chǔ)密度，并且消耗的能量及其微小.近些年，以DNA作為存儲(chǔ)介質(zhì)的研究發(fā)展迅速.圖8是DNA信息存儲(chǔ)的簡(jiǎn)要年代表.

圖8 DNA信息存儲(chǔ)年代表Fig.8 Chronology of DNA information storage

最先使用DNA作為信息存續(xù)工具的是，1988年Davie將古日耳曼符號(hào)寫入到18 bp的DNA鏈中[35].之后DNA信息存儲(chǔ)開始了快速發(fā)展.2年后Eduardo等就將129個(gè)字符文本轉(zhuǎn)化到DNA信息存儲(chǔ)中[36].2001年Bancroft等[37]甚至將狄更斯的小說(shuō)存放在了DNA里，2005年DNA2.0公司把圣經(jīng)寫入了DNA的序列[38].除了文本和圖像信息的存儲(chǔ)之外，電影、音樂數(shù)字信息等也能同樣的存儲(chǔ)在DNA信息里.例如，2009年Ailenberg等[39]編寫了音樂和視頻信息，2013年Goldman等[40]對(duì)DNA序列編寫了740 K字節(jié)的數(shù)據(jù)，包括了莎士比亞的十四行詩(shī)、MP3文件和圖像等數(shù)據(jù).甚至還有編程愛好者把自己編寫的java程序?qū)懭肓薉NA序列[41].目前最新的研究成果是Erlich等使用DNA Fountain策略編碼了2.14×106字節(jié)的數(shù)據(jù)，包括有完整的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和電影[42].DNA作為納米級(jí)的信息存儲(chǔ)載體，無(wú)疑是最佳的大規(guī)模信息存儲(chǔ)材料.

然而DNA存儲(chǔ)也存在一些問題，現(xiàn)有的DNA信息的讀出方式還依賴于測(cè)序，這種方法緩慢且消耗大.另外DNA合成復(fù)制過程可能出現(xiàn)堿基錯(cuò)配缺失，嚴(yán)重影響著DNA存儲(chǔ)的可靠性.DNA作為未來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備具有巨大的潛力，但是它也需要解決多個(gè)瓶頸.例如DNA合成過高的成本，極其緩慢的寫入和讀取機(jī)制以及容易受突變或錯(cuò)誤的影響.不過DNA作為未來(lái)分子，是最有可能解決未來(lái)數(shù)據(jù)緊縮的方向.

4 DNA芯片和微流控芯片

4.1 DNA芯片

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越希望提高自身的體格，維持自身的健康狀況.例如，現(xiàn)代人普遍關(guān)注三高問題，關(guān)心家族是否有遺傳病、自身患癌癥的概率、身體代謝情況等，這些與人類的生命健康息息相關(guān)的問題都可以通過一種叫做“DNA芯片”的技術(shù)來(lái)掌控.

DNA芯片是一門新興的科學(xué)，是與生命科學(xué)、微電子科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等多種類科學(xué)交叉的技術(shù)，既有重要的實(shí)用價(jià)值，又有重要的科研學(xué)術(shù)價(jià)值，已經(jīng)成為高科技、工業(yè)界、企業(yè)界的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象.

DNA芯片實(shí)際上是一種高密度的寡核苷酸的DNA陣列，它使用電子束光刻或化學(xué)生物的方法，將大量特定的DNA探針有序的固定在玻璃或硅介質(zhì)的基底上，成為儲(chǔ)存大量有序可控信息的DNA聚合體.

DNA芯片可以將人類全部的基因序列集中固定在大約1 cm的芯片上.目前已經(jīng)可以達(dá)到的密度是40萬(wàn)個(gè)探針/芯片，每個(gè)探針之間的距離在10 μm以下.將DNA芯片放到目標(biāo)檢測(cè)物中的時(shí)候，即可檢測(cè)出大量生命信息，DNA芯片也可用于基因的鑒別和檢測(cè)、基因突變和基因表達(dá)等.

目前DNA芯片主要作為DNA信息處理的工具，這是因?yàn)镈NA芯片上集成的是DNA探針序列的信息.DNA芯片可以大規(guī)模并行的處理相應(yīng)信息，也可以快速高效的同步獲得大量的數(shù)據(jù)，因此，DNA芯片很可能成為未來(lái)生命科學(xué)、電子科學(xué)和醫(yī)學(xué)中革命性的方法.

DNA芯片與傳統(tǒng)的電子芯片相比，最大的優(yōu)勢(shì)就是在于DNA探針數(shù)據(jù)的高密度和高準(zhǔn)確度.目前以硅片作為基質(zhì)的芯片無(wú)法突破納米極的限制，而DNA芯片特有的納米級(jí)準(zhǔn)確度使得DNA芯片要比傳統(tǒng)的電子芯片有更大的優(yōu)勢(shì).相應(yīng)的納米級(jí)的檢測(cè)手段，目前也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展.這其中包括有共聚焦熒光顯微鏡技術(shù)、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡和原子力顯微鏡技術(shù)在內(nèi)的技術(shù)手段，為研究者們提供了精確的實(shí)驗(yàn)方法.

相信DNA芯片對(duì)信息領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用，乃至對(duì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、人類健康和環(huán)境等國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目可以做出重大的貢獻(xiàn).

4.2 微流控芯片

微流控芯片可以實(shí)現(xiàn)全樣品的分析，通過控制溶液在微流控芯片通道中的流動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)樣品的分離和分析.微流控芯片可以控制DNA探針在特定的PCR環(huán)境下信號(hào)放大、雜交及分析檢測(cè).因此，雖然微流控芯片非常小，但是與電子芯片相比，卻是處理、存儲(chǔ)、判斷分析等功能都一應(yīng)俱全.

如何將實(shí)驗(yàn)室的各種儀器的功能如生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離、檢測(cè)等操作單元轉(zhuǎn)移到微型分析設(shè)備中，甚至幾平方厘米的芯片上，是非常重大的挑戰(zhàn).微流控芯片在滿足這些功能的同時(shí)，更要實(shí)現(xiàn)儀器的體積微型化和便攜化、功能集成化、分析快速化.微型全分析系統(tǒng)是一個(gè)交叉的領(lǐng)域，已經(jīng)不是簡(jiǎn)單的分析化學(xué)科學(xué)，它既建立在分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，又融入了微電子加工技術(shù)、生物科學(xué)、材料和光學(xué)等學(xué)科，同時(shí)又需要物理、化學(xué)的理論支持.

微流控芯片的微通道能夠純化、分離樣品和控制液體流向，當(dāng)前微型全分析系統(tǒng)研究熱點(diǎn)集中在微流控芯片上.微流控芯片可以對(duì)樣品進(jìn)行采集、處理、分離、檢測(cè)、定性和定量等操作.

分離和檢測(cè)是分析科學(xué)的重點(diǎn)，也是微流控芯片目前研究的熱點(diǎn).在芯片通道內(nèi)可以對(duì)空的毛細(xì)管通道進(jìn)行分離，也可以填充各種分離介質(zhì)來(lái)擴(kuò)大柱內(nèi)表積，增強(qiáng)通道柱效.在這幾種方法中，將各種功能元件組裝到微流控芯片是當(dāng)前芯片發(fā)展的趨勢(shì)和特點(diǎn).它現(xiàn)在主要應(yīng)用于檢測(cè)生物樣品，且集中在蛋白質(zhì)和核酸2個(gè)方面.根據(jù)不同的生物樣品、設(shè)計(jì)思路，整合的元件亦不相同.對(duì)蛋白質(zhì)的檢測(cè)，可以根據(jù)蛋白質(zhì)的一些理化性質(zhì)(如等電點(diǎn)、特異性結(jié)合物等特性)來(lái)設(shè)計(jì)，而核酸就要考慮是否需要PCR擴(kuò)增或者序列是否已知.在毛細(xì)管電泳中，實(shí)現(xiàn)快速、高效的分離可以通過施加高場(chǎng)強(qiáng)來(lái)達(dá)到，但是高場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生的焦耳熱降低了分離效率.在毛細(xì)電泳中就存在這個(gè)瓶頸，對(duì)芯片毛細(xì)管來(lái)說(shuō)，由于厚度很小，具有優(yōu)良的傳熱效果，可以通過提高場(chǎng)強(qiáng)來(lái)提高分離效率和分離速度.在某些試驗(yàn)中，芯片毛細(xì)管電泳的場(chǎng)強(qiáng)比普通毛細(xì)管電泳場(chǎng)強(qiáng)高一個(gè)數(shù)量級(jí).在普通毛細(xì)管上的一些技術(shù)，如自由溶液區(qū)帶電泳、凝膠毛細(xì)管電泳、膠束電動(dòng)毛細(xì)管色譜、電色譜等，都在芯片上得到開發(fā)應(yīng)用，甚至凝膠的雙向電泳都在芯片電泳上得到實(shí)現(xiàn).

5 基于DNA折紙的線框構(gòu)型計(jì)算

DNA折紙由于其全編程的特性在二維以及三維的結(jié)構(gòu)上有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).然而有限于DNA折紙骨架鏈條的長(zhǎng)度，其構(gòu)成的結(jié)構(gòu)大小有限.如何利用有限長(zhǎng)度的骨架鏈來(lái)設(shè)計(jì)出盡可能多的種類、大小的結(jié)構(gòu)，是擺在研究者面前的難題.

由于DNA折紙是全編程的工具，一種解決辦法就是利用DNA骨架鏈條構(gòu)建線框.僅用DNA來(lái)搭建目標(biāo)結(jié)構(gòu)的框架，而把中間空缺出來(lái).如何解決這個(gè)問題，如何使得構(gòu)建的線框結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并且滿足DNA的螺旋特性，如何使得staple鏈特異性最高，這些問題都是擺在基于DNA折紙的線框構(gòu)型上的計(jì)算難題.

核酸分子自組裝是通過平行排列的DNA螺旋結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建2D和3D納米結(jié)構(gòu)[43-47]，線框結(jié)構(gòu)可以通過這種策略實(shí)現(xiàn)，圖9為一些3D結(jié)構(gòu)的例子.DNA 網(wǎng)格是一種復(fù)雜的線框架結(jié)構(gòu)，它在DNA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有很大的難度.在DNA 網(wǎng)格設(shè)計(jì)中，一系列四臂連接點(diǎn)被設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn).線性的雙鏈DNA用于連接這一系列四臂結(jié)構(gòu)，以形成設(shè)計(jì)的線框形狀.DNA 網(wǎng)格可用于組裝二維陣列、多層結(jié)構(gòu)、三維結(jié)構(gòu)和曲面物體.

圖9 三維線框的DNA納米結(jié)構(gòu)Fig.9 3D wireframe DNA nanostructures

在DNA網(wǎng)格的設(shè)計(jì)中，有一套經(jīng)典的Holliday中間體(4臂連體)被用作基本結(jié)構(gòu).其支架鏈的雙螺旋方向不限于一維并行，而是柵格排布的.通過設(shè)計(jì)不同長(zhǎng)度的DNA片段進(jìn)行連接，可以構(gòu)建復(fù)雜的線框幾何圖形(圖10).

(a)52-bp空腔尺寸的雙層格子網(wǎng)格.黃色圓圈表示允許連接點(diǎn)到第三層.虛線對(duì)應(yīng)于可能的連接點(diǎn)以形成附加層;(b)雙層格子網(wǎng)格(X和Y長(zhǎng)度)和第三層交叉點(diǎn)之間的距離，角度q可以計(jì)算為180° -cos-1 [(X2+Y2-L2)/2XY]; (c)交織在一起的網(wǎng)格框架; (d)3層6角網(wǎng)格設(shè)計(jì)的原理圖(左)，AFM(中)和TEM(右)圖像，q=120°; (e)4層網(wǎng)格設(shè)計(jì);(f)通過使用垂直鏈接組裝的3D網(wǎng)格.所有圖像比例為200 nm×200 nm.

圖10 多層網(wǎng)格設(shè)計(jì)策略
Fig.10 Multi-layer gridding strategy

雖然可以直接在水平和垂直方向連接4臂連接結(jié)構(gòu)就像制作烤架一樣，但這種方法需要一些非常規(guī)的鏈接特性[48-50]，如圖10(a)中設(shè)計(jì)的DNA 網(wǎng)格結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)的DNA鏈極性為從5′到3′. 在這個(gè)DNA 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中，4個(gè)4臂結(jié)構(gòu)連接在一起形成雙螺旋的2層方形框架.假如連接鏈?zhǔn)欠聪蚱叫信帕械?，則該結(jié)構(gòu)無(wú)法擴(kuò)大連接下去.

在圖10(b)中，四臂結(jié)構(gòu)都以其松弛的構(gòu)型來(lái)描繪，使得螺旋形成具有向右60°扭轉(zhuǎn)角扭曲. 每個(gè)連接處都需要從松弛構(gòu)象到垂直構(gòu)象來(lái)形成網(wǎng)格單元格. 首先，水平取向的螺旋(頂部和底部)中的紅色鏈可以連接在一起以產(chǎn)生連續(xù)的鏈. 接下來(lái)，垂直取向的螺旋連接旋轉(zhuǎn)角度，以便在上下連接點(diǎn)之間形成連續(xù)的5′至3′端的連接，見圖10(c).

連接多個(gè)網(wǎng)格單元可形成各種2D格子，見圖10(d)、10(e).藍(lán)線代表DNA鏈形成穩(wěn)定的螺旋結(jié)構(gòu)，并具有連續(xù)的堿基堆積.這種連續(xù)的堆疊對(duì)于保持整體結(jié)構(gòu)剛性是非常重要的.右側(cè)為原子力顯微鏡下觀察到的結(jié)果.在最基本的設(shè)計(jì)中，腳手架從一個(gè)角落開始，填充第一層，在對(duì)角處改變方向，然后填充第二層，以產(chǎn)生2層內(nèi)的垂直螺旋結(jié)構(gòu).最后，腳手架回到其初始位置并形成閉環(huán)，見圖10(f).

通過改變相鄰連接點(diǎn)之間的堿基對(duì)的數(shù)量，可以改變格子結(jié)構(gòu)的空腔尺寸.同時(shí)也可以在沒有支架鏈的情況下創(chuàng)建DNA 網(wǎng)格結(jié)構(gòu).

DNA線框結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了DNA折紙術(shù)強(qiáng)大的自組裝能力[51].近十幾年來(lái)人們高產(chǎn)率的構(gòu)建了種類繁多的、具有各種不同類型和幾何結(jié)構(gòu)的DNA形狀.結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù)能夠?qū)μ匦詭缀涡螤?、周期性、手性和拓?fù)涞刃再|(zhì)進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，DNA折紙術(shù)自下而上的組裝為納米技術(shù)提供了無(wú)盡的應(yīng)用，體現(xiàn)了DNA折紙術(shù)無(wú)窮的魅力.

6 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，DNA折紙術(shù)取得了一系列令人矚目的重要進(jìn)展.DNA自組裝從簡(jiǎn)單的一維到二維到三維結(jié)構(gòu)的組裝結(jié)合，以及在自組裝的發(fā)展過程中，人們對(duì)信息處理的能力不斷提高.每一次技術(shù)的突破都會(huì)伴隨著相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展和其他科學(xué)的融合.目前DNA組裝在信息領(lǐng)域的應(yīng)用不僅限于簡(jiǎn)單的信息存儲(chǔ)和解讀，而是和其他很多相關(guān)學(xué)科有聯(lián)合.隨著人們對(duì)DNA自組裝認(rèn)識(shí)的加深，DNA自組裝將會(huì)在許許多多方面應(yīng)用和擴(kuò)展.

可以預(yù)見DNA自組裝在一些新興的研究領(lǐng)域，例如合成生物學(xué)、生物信息學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)中獲得一些尚未發(fā)現(xiàn)的突破和應(yīng)用，逐步實(shí)現(xiàn)人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)和模擬.相信DNA自組裝將會(huì)在功能化的道路上實(shí)現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用.

對(duì)目前DNA在信息領(lǐng)域的應(yīng)用而言，DNA由于其特有的性質(zhì)無(wú)疑是最為合適的未來(lái)信息處理的工具.但是制約DNA計(jì)算、DNA信息存儲(chǔ)的關(guān)鍵還是在于目前人們所能掌握的生化技術(shù)還遠(yuǎn)不能達(dá)到進(jìn)行復(fù)雜信息處理的需求.人們致力于希望使用DNA構(gòu)建大規(guī)模納米電路、復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).如果DNA計(jì)算機(jī)要像電子計(jì)算機(jī)一樣方便地工作，還需要多領(lǐng)域的研究者們共同努力.我們相信DNA計(jì)算機(jī)有朝一日會(huì)被廣泛應(yīng)用于人類的生活當(dāng)中.