科学家开发拓扑编程DNA折纸系统，在单分子尺度实现图形计算

生物体通过拓扑变换动态重组节点连接，形成适应环境的拓扑模式，从而在复杂环境中提升信号传播的效率。

例如，脑网络虽然受限于三维空间，但皮层褶皱将远距离神经元连接起来，提供快速传递信号的捷径。

同样地，染色质折叠将增强子与启动子连接，激活转录因子，精准调控约 2 万个基因的表达。

生物体巧妙利用拓扑转换来优化局部信息传播，这一原理启发了生物分子计算的设计。最近，科学家们在相关计算模型的开发上也取得了新进展。

华东师范大学裴昊教授与上海交通大学樊春海院士团队共同研发了一种拓扑编程的 DNA 折纸系统。

这种 DNA 纳米结构通过拓扑变化实现的可变形折纸技术，能够在纳米尺度上构建动态框架，从而编码信号节点之间的连接方式和网络连通性，并突破性地在分子尺度实现了图形计算。

“我们构建的 DNA 系统在单分子尺度上实现的复杂性控制程度处于已报道的人工分子体系前沿，这为分子图形计算设计提供了新的探索方向。”裴昊表示。

该过程涵盖了超过 100 个链置换反应，并且在分子层面上实现了杂交反应的高效拓扑变换。

该研究展示了将 DNA 折纸技术作为一种可编程的动态框架，以在纳米级别进行拓扑图形化计算。实验中，他们成功展示了包含多达 77 个分子节点的信号传输网络。

审稿人对研究评价称，“该研究通过‘剪切’操作实现更高级的拓扑变换，将这一概念扩展到下一个层次，并用亏格、边界数量和可定向性等正确的数学拓扑术语描述他们的系统。”

图丨裴昊（来源：裴昊）

拓扑编程的 DNA 折纸系统有望为从生物医学到材料科学的多个领域提供全新的思路。

具体来说，在智能分子计算系统开发、药物定向释放、诊断检测、智能纳米材料等方面具有巨大的应用潜力。

在智能分子计算系统开发方面，研究人员已论证该 DNA 折纸系统能够作为计算支架实现可重构逻辑运算，并展现出用于计算系统开发的多种优势，包括分子正交性、交叉反应等。

“如果我们能够将拓扑变构与外界环境刺激相结合，使 DNA 结构能够响应外界刺激进行拓扑变构进而调控计算功能，有望构建出具备适应性的、更智能化的分子计算系统。”裴昊说。

需要了解的是，这样响应性快速的计算设备可嵌入到细胞、组织、血清等生物材料中，能够响应体内特定的信号（如 pH 值或温度变化）进行计算实现分子诊断，从而实现精准的药物递送、智能诊疗、提高治疗的有效性并减少副作用。

图丨期刊当期封面（来源：Nature Chemistry）

日前，相关论文以《基于拓扑编程的 DNA 折纸结构中的分子信号传播编码》（Encoding signal propagation on topology-programmed DNA origami）为题，以期刊封面形式发表在 Nature Chemistry[1]。

华东师范大学博士生季玮、熊谢微、曹梦瑶、朱韵是共同第一作者，华东师范大学裴昊教授和上海交通大学樊春海院士担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature Chemistry）

生命的本质在于信息的存储、编码和解码。以模拟自然界 DNA 分子存储高密度信息和精准表达基因为出发点，樊春海院士团队开始尝试构建人工分子体系来处理分子信息。

该研究历时七年，是一项高度交叉学科的工作，融合了拓扑学、计算机、分子生物学和化学等多个领域，涉及精巧的分子折纸结构设计和匹配的 DNA 单分子电路架构，以探索基于分子的图形化计算。

裴昊课题组致力于开发具备信息处理能力的人工合成生物分子计算系统。但是，如此复杂和精巧的分子结构的设计对他们来说也是“第一次”。

这样全局的构象变化需要考虑的设计因素非常多，例如分子层面上的应力、扭转力都需要考量，并通过模拟等不断调整。

他们先后利用多种款设计软件及实验验证，才完成了从几何模型、粗粒度模型、到序列设计生成及仿真模拟的全部设计流程。

图丨基于 DNA 折纸系统的拓扑转换与计算（来源：Nature Chemistry）

在该研究中，人工迭代、精确控制 DNA 分子构成的大分子组装体系的拓扑结构变化。研究人员在这种结构上研究了单个分子的信号传递，并展示了 3 种不同 DNA 折纸结构的两次连续拓扑变换。

此外，该系统还可进行三个多用途、可编程双轨电路的连续计算功能切换，并具备多种逻辑计算功能。

基于拓扑变构实现计算网络节点连接模式的变换，该系统在纳米尺度上展现出极高的拓扑可编程性，为拓扑图形化计算提供了新的设计思路。

在实验阶段，折纸结构的组装本质上是分子杂交到最终稳定状态的过程，一个合适的实验条件设置至关重要，研究人员尝试了多种实验条件设置，包括后续的纯化条件，以优化折纸的组装效率与产率。

结果显示，初始折纸的组装效率能够达到 80% 以上，拓扑变构效率则高达 70% 以上。

值得注意的是，这项研究成功地实现了信号在三维折纸形状的表面上，沿着长度超过约 300 纳米、不同方向和不同曲率（凹面/凸面皆可）的路径传播。

裴昊解释说道：“这与我们所熟知的多米诺骨牌效应相似，一个发夹分子的解开引起后续一系列分子发夹的解开，从而实现分子信号在 3D 曲面上的传递。”

这样的信号传播方式使空间组织成为控制分子信号传递的主要因素之一，可极大地减少对于分子组件正交性的要求。

此外，这样的信号传递速度非常快，同时发夹分子之间的距离间隔使得分子间的交叉反应被极大地减少。

未来有望基于此开发出更复杂的分子计算系统，为分子电路规模扩展面临的设计困难和交叉反应等问题提供新的解决方案。

图丨可重构拓扑 DNA 折纸的设计和可视化（来源：Nature Chemistry）

据了解，研究人员在后续的研究阶段中，将继续关注相关问题并寻找解决方案。

首先，拓扑结构的复杂性有待进一步提高，未来的研究将关注如何构建更加复杂、动态的拓扑结构，并实现更高层次的可编程性。

这涉及开发新的适配拓扑编程需求的设计和仿真模拟工具，使拓扑结构能够以更高的精度进行编程和操作。

其次，结构的稳定性将直接影响其在生物环境中的应用潜力。

下一步，该课题组计划探索如何增强拓扑结构的稳定性和耐久性，特别是在外界环境变化（如温度、pH 值、离子浓度等）或复杂操作条件下保持其功能和形状，这可能需要改进材料或优化结构设计。

此外，现有的拓扑图形化计算能力仍然有限，因此该团队将探索如何通过更复杂的拓扑结构设计、多结构组合、新型计算模型开发，以及结合多折纸结构进行并行计算等方式提升计算能力。

与此同时，他们将与樊春海院士更深入地合作，将拓扑图形化计算扩展到 DNA 存储、纳米诊疗和精准医学等领域。

如果能够将基于 DNA 折纸术的 DNA 存储方式与拓扑图形化计算相结合，有望构建出存算一体的新型 DNA 存储系统。

“这不仅能够存储信息，同时也能够直接原位处理所存储的信息，期待我们的合作共同推动领域的快速发展。”裴昊说。

参考资料：

1.Ji, W., Xiong, X., Cao, M.et al. Encoding signal propagation on topology-programmed DNA origami. Nature Chemistry 16, 1408–1417 (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01565-2

排版：初嘉实