生物通报道：来自加州理工大学计算与神经系统，牛津大学物理学系，贝尔实验室（Bell Laboratories）的研究人员在DNA环路（DNA-based circuits）设计上获得了一项重要的飞跃性成果：首次不使用酶扩增得到目的DNA序列，这是迈向创造细胞内人工生化环路（artificial biochemical circuits）的重要进步。这一研究成果公布在《Science》杂志上。

德州大学的Andrew Ellington认为，“他们获得了一种DNA的程序性语言，一种软件”，这项工作是“跨越之前研究的一种重大进步。”

科学家们之前利用DNA构建人工生化环路，但是这些网络通常只能设计用来执行一种功能，Ellington说，“这些只是一些执行一项特殊任务或解决一个特殊问题的机器。”

而在这一新研究中，文章第一作者，加州理工大学的David Yu Zhang表示，“我们发现了一种能设计出任何你想要的序列的方法。”

Zhang和其同事利用基于6个短小的，单链的DNA片段碱基互补创造了一个反应网络，每一个DNA链的位点都决定了这一环路成分是如何相互作用的。每一个反应中一个DNA催化剂被绑定在一个互补DNA链上，置换两个另外的链，由于这导致了整体的混乱性，因此反应是热力学相关的，不同于生物催化，这种发应是不需要酶的。

利用这一系统，研究人员获得了两种在天然生物调控网络中发现的信号扩增类型，从而他们创造了一种反馈扩增系统，这种系统中一个反应的产物催化其原来的反应，研究人员认为，这样的自催化系统最终能变成一种不需要酶的“PCR反应”。另外研究人员也进行了扩增目的DNA片段的系列反应，Zhang说，“我们能放大这些催化剂的作用，进行系列扩增，就像是信号传导体系。”

虽然这一项工作是在DNA中进行的，但这一系统也可以用于RNA或人工核苷酸，最终，这一类研究的目的就是创造出平行于生物细胞网络的独立系统。这些人工合成的环路能检测出细胞功能中的遗传，能启动“一些只针对这一细胞的治疗性行为”的应答。

文章作者也表示这些环路在动物RNA和细胞溶解产物存在的情况下也能正常行使功能，这是一项重要的证明，因为如果这些环路要在细胞中起作用，那么就不能受到这些物质的干扰。

这一研究新发现的这一体系相比于之前的研究结果，更简单，作用也更强，韦恩州立大学（Wayne State University）的John SantaLucia认为，这一系统也许并不适用于DNA计算之类的技术，因为这些技术需要非常复杂的计算，但是对于“细胞中的简单计算”之类技术却很适用。
（生物通：张迪）

原文检索：
Science 16 November 2007:
Vol. 318. no. 5853, pp. 1121 - 1125 DOI: 10.1126/science.1148532
Engineering Entropy-Driven Reactions and Networks Catalyzed by DNA
『Abstract』

附：
David Yu Zhang
Graduate Student, Computational Neural Systems



Research Interests and Goals
- Specific measurement of nucleic acid concentration dynamics (chemical oscilloscope)
- Non-enzymatic DNA-based catalysis (chemical fuels)
- Hybridization-based DNA logic gates (chemical logic)
- Bistable and winner-take-all circuits (chemical memory)
- Autonomous chemical oscillatory networks (chemical timing)
- Localized signal integration and thresholded output response (chemical neuron)
- String matching algorithms
- Cellular automata and error correction


Past Life
Lab safety officer in Erik Winfree's Group. (2007 - present)
Graduate student in Erik Winfree's Group. (2005 - present)
Visiting Student in Andrew Turberfield's Group. (2004 - 2005)
Tutor for the 2004 Research Science Institute (2004).
Undergraduate research assistant in Erik Winfree's Group (2001 - 2004).
Undergraduate computer science teaching assistant (2001).
Undergraduate research assistant in Demetri Psaltis's Group (2000 - 2001).

Awards and Recognition
I am a 2006 Hertz Fellow.
I was a 2000 Axline Scholar.
I was a 2000 Chemistry Olympiad Camp Finalist.
I was a 1999 Research Science Institute Scholar.
I won second place in the 1996 National Mathcounts competition.