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本文聚焦合成核酸液滴，阐述其作为生物编程平台的特性，如可编程性、动态调控等。介绍了其在分子计算、药物递送等领域的应用，还探讨了模拟建模情况。合成核酸液滴在多领域极具潜力，值得深入研究。
可编程核酸液滴
在生物分子研究领域，生物分子的液 - 液相分离（LLPS）是一个关键概念。细胞内的生物分子会形成无膜的凝聚体，这些凝聚体在细胞内发挥着多种重要功能，比如作为无膜的细胞组织者，参与细胞内的区室化过程、时空隔离化学反应、DNA 修复等。与此同时，由 DNA 或 RNA 组成的合成生物分子凝聚体，因其与生物凝聚体在物理化学性质上的相似性，以及可编程的结构特性，受到了广泛关注。
核酸液滴的设计通常从设计纳米级的构建亚基开始，这些亚基会自组装成微尺度的凝聚体。设计过程中，需要借助数值软件和热力学模型，精心筛选组成链，以确保亚基构建和相互作用的特异性，以及粘性末端（SE）杂交时合适的热稳定性。
核酸液滴的物理性质，如流变特性，不仅受温度、盐浓度、pH 等外部因素影响，还可通过 DNA 序列设计进行调控。比如，由多结构域 DNA 链组装而成的 DNA 凝聚体，其流变性质和熔化温度可通过调整结构域的长度和数量来改变。具体来说，增加 DNA 基序的价态，会使相分离状态更易实现，基序的流动性降低，体系呈现类似水凝胶的状态，硬度增加；在接头和突出部分添加未配对碱基作为间隔物，可增强 DNA 基序的灵活性，使相分离液滴表现出类似流体的行为；SE 相互作用的强度由序列决定的结合 - 解结合焓差（?ΔH）决定，在一定温度下，较大的?ΔH促进液滴形成，但?ΔH过大则会使液滴转变为凝胶。
DNA 液滴能够作为化学反应的调控宿主。细胞内的生物分子凝聚体会根据分子的电荷或大小，选择性地摄取或排除分子，合成的 LLPS 液滴通过调节自身物理参数来重构这种选择性。DNA 液滴利用分子的序列依赖性选择性，控制分子的摄取或排除，从而实现对化学反应的可编程控制，比如通过选择性富集客户分子来加速反应，以及实现空间耦合的酶级联反应。
无膜的合成 LLPS 液滴能对外界条件或信号的变化做出动态响应，DNA 液滴可根据设计序列表现出动态行为。与其他通过静电相互作用形成的复杂凝聚体不同，DNA 液滴可通过核酸或酶等外部信号引发多种动态行为。
DNA 连接子作为可编程表面活性剂
互不相溶的 DNA 相形成的液滴倾向于分离成多个隔室，但它们之间的空间耦合对于实现特定功能和行为至关重要。在生物系统中，RNA 在核仁形成过程中起到表面活性剂的作用。研究团队提出了一种 DNA 连接子系统，它是一种多分支的 DNA 纳米结构，能够结合多个正交的 DNA。
以六分支连接子LAB为例，它的部分 SE 分别与正交基序YA和YB特异性结合。在没有LAB时，互不相溶的 DNA 液态凝聚体会与相同序列的液滴融合，并与其他类型的液滴保持分离；而存在LAB时，YA和YB倾向于形成单相液滴，且这些液滴可以相互融合。此外，LAB的浓度会影响液滴的隔室化状态：浓度较低时，两个互不相溶的 DNA 相更倾向于保持明显的隔室化结构；浓度增加时，YA?YB界面增大；浓度足够高时，YA和YB会达到完全混合的状态。
另一方面，充分混合的多种正交 DNA 基序的液滴，在分子输入时会发生相分离。通过在连接子中编码对输入响应的切割位点，可实现这种相分离行为的编程。例如，设计的嵌合连接子包含 RNA 序列，当输入核糖核酸酶 A（RNase A）时，连接子会发生切割，混合状态的液滴会不可逆地分裂成多个不同相的液滴。从热力学角度看，连接子的断裂可被视为一种 “燃料”，它重塑了能量景观，使得液滴的相动态发生变化。
DNA 液滴的分裂
在生命起源研究中，科研人员利用合成 LLPS 液滴作为原细胞模型，重建细胞样的生长和分裂过程。DNA 液滴的细胞样分裂可通过在多分支 DNA 表面活性剂中插入可酶切或光可切割的连接子来实现。研究团队通过调节连接子的切割速率，实现了对 DNA 液滴分裂时间的控制。具体来说，输入 DNA 最初以 RNA/DNA 杂交体的形式存在，与保护 RNA 结合，通过核糖核酸酶 H（RNase H）催化 RNA 分解，逐渐释放输入 DNA，进而调节连接子的切割速率，控制 DNA 液滴的分裂时间。此外，控制多个连接子的切割顺序，可实现多步骤的液滴分裂，有效控制液滴在反应过程中的分裂路径。
DNA 液滴的动态结构变化
DNA 液滴的动态结构变化，如动态形成 / 溶解、分层结构形成或图案化，有助于分子的隔离和化学反应的空间调控。通过保护或解除对 SE 结合位点的控制，改变 DNA 基序的结合能力，可实现对 DNA 液滴形成和溶解的动态控制。链置换反应（SDR）、光照、酶等因素都能促进 DNA 液滴的溶解和重新组装。此外，通过 RNA 结合和核糖核酸酶反应实现的时间波动保护，可使 DNA 液滴暂时形成和溶解。通过组合多个基序，可构建 DNA 液滴的分层结构，如核 - 壳结构、同心多相结构等，还能实现反应 - 扩散图案的瞬时形成。
DNA 液滴的定向运动
无膜的 LLPS 液滴允许分子在液滴内外自由扩散，这种刺激响应特性使相分离液滴能够产生动态运动。基于核酸的液滴利用核酸碱基序列的可编程性，实现了传统 LLPS 液滴无法达到的可编程运动。例如，通过在基序序列中编码限制酶的识别位点，DNA 液滴可因空泡形成而瞬间定向排出。
计算核酸液滴
自 Adleman 将 DNA 工程与计算机科学融合以来，DNA 因其高特异性和易于大规模并行化的特点，被视为分子计算的有前景的材料。研究团队利用 DNA 连接子系统实现了基于 DNA 的计算架构，定义液滴的混合状态为布尔变量 [0]，分离状态为 [1]，构建了基于 DNA 液滴的与门（AND gate）。当输入两个特定的 DNA 或 RNA 序列时，单相液滴会因连接子结合位点的 SDR 发生相分离，产生 [1] 的输出，对应与门操作。此外，还利用三重 DNA 液滴，通过与门和非门（NOT gate）的复杂组合，用于早期乳腺癌的检测。基于 DNA 液滴的连接子分子计算在更复杂的逻辑运算，如神经网络分类器和随机存取存储器中，具有广阔的应用潜力。
越来越多的证据表明，RNA 的自组装在细胞内凝聚体的形成和功能中起主要作用。研究团队展示了能够进行 “与” 运算的计算 RNA 液滴。这种液滴由精心设计的 RNA 纳米结构组装而成，其多分支纳米结构构建块包含六个单链 RNA，在茎区碱基配对，每个分支末端的茎环设计可实现稳定的同轴碱基堆积，即 “亲吻环”（KL）相互作用。只有在输入两个目标微小 RNA（miRNA）时，四价基序才能通过 SDR 分解为两个二价亚结构，导致凝聚体从液态转变为分散态，产生 [1] 的输出。通过利用宏观相态变化，无需昂贵的成像设备，即可实现对目标 miRNA 的肉眼可见检测。
在生物医学工程中的应用
精心设计的生物应用需要整合货物运输、耐久性、选择性靶向和刺激响应性等特性，DNA 液滴因其精确的分子选择性，在药物递送和成像等生物医学应用中具有很大潜力。此前有研究利用 DNA - RNA 适配体杂交凝聚体实现细菌固定以及客体分子的招募和释放。研究团队还证明，结合路径控制分裂机制的计算 DNA 液滴可用于比较 miRNA 浓度。通过控制保护 RNA 的浓度，调节连接子的切割顺序，从而确定三元混合 DNA 液滴的分裂路径，观察到的分裂路径可指示不同保护 RNA 的相对浓度水平，使 DNA 液滴成为定制的诊断工具。
模拟建模
DNA 液滴的各种行为源于基序水平反应的自下而上的贡献。由于涉及大量基序，全原子分子动力学模型受到当前计算能力的限制，因此粗粒化模型被广泛应用于模拟高阶 DNA 结构。oxDNA 是最著名的粗粒化模型之一，它将核苷酸粗粒化为具有多个相互作用位点的刚性体，通过字符串连接，有效降低了计算复杂度，已被广泛用于模拟 DNA 基序凝聚体。此外，还有更高级的模型将 Y 形纳米星粗粒化为由七个刚性粒子和三个特定补丁组成的模块，用于评估水凝胶的流变性质。研究人员还对两个正交基序和可分裂连接子的复合物进行粗粒化，模拟连接子分裂导致的液滴分离；研究基序大小对聚集过程的影响；对液滴的聚结驱动生长进行建模；利用 Cahn - Hilliard 方程对涉及单体及其激活剂 / 抑制剂的相分离行为进行连续建模。然而，目前仍需要能够连接微观现象与不同基序的结构和热力学性质的跨尺度模型，以加速液滴动力学的研究。
结论
合成核酸液滴具有动态调控、可编程性、化学修饰可设计性以及能够承载多种反应等关键特性。通过碱基序列设计进行信息编码，使得这些特性具有可编程性，从而在纳米技术到生物医学等多个领域展现出广泛的应用潜力。DNA 凝聚体的动力学可通过时间控制，其动力学机制可根据特定输入，如 SDR 和酶促反应进行定制。研究团队引入的连接子系统，是对多个 DNA 相的相动力学进行编程的有效手段，输入分子起到 “燃料” 的作用，这些可调特性使 DNA 凝聚体成为多用途的工具。尽管如此，活细胞与 DNA 凝聚体之间的相互作用仍是一个新兴课题，在体内应用和进一步功能化方面有待更深入的研究。此外，目前具有异质子隔室的凝聚体结构还比较有限，为了推动合成细胞的发展，需要更复杂的架构来创建类似细胞器的分子载体，实现复杂的代谢功能，提高合成细胞的适用性。
