合成生物学家和纳米生物学家正在重新设计DNA，DNA是几乎所有人类细胞中都存在的遗传物质。作为一种智能稳定的自组装材料，它可以用于构建纳米工厂、药物递送纳米结构和分子器件，并可以感知它们的环境，并在不同的环境中做出响应，例如，通过检测体内的炎症或环境中的毒素。

这些纳米尺度的应用通常涉及合成包含成千上万个由DNA组成的构建模块的大序列，这些构建模块被称为A、T、C和G核苷酸碱基，由于其特定的碱基配对能力，可以进一步折叠和构建。As和Ts之间，Cs和Gs之间。然而，到目前为止，研究人员还没有工具可以让更大的单链序列自主生长，然后按照分子设计方案将它们首尾相连。这种能力可以产生不同的结构和装置。能力。

今天发表在《自然化学》杂志上的尹鹏在哈佛大学Wyss生物工程研究所的研究为这个问题提供了一个广泛适用的解决方案。尹和他的团队开发了一种方法，允许预先设计的DNA序列沿着特定的组装路径自主生长和连接，从而为新一代可编程分子设备提供了基础。

他们使用了所谓的“引物交换反应”(PER)级联的新概念进行测试。他们成功设计了第一套具有多种功能的装置，如自建DNA折纸和DNA纳米结构，可以感知、放大、记录或逻辑评估环境信号。

过去的方法产生了固定的较小序列的相同拷贝，但是它们不能以确定的模式将不同的合成序列相互连接，从而在没有用户干预的情况下自主产生较大的装配体。“PER cascade提供的自主和可编程功能可以产生全新一代的可编程分子设备和应用，设计工作也存在差距，因此许多移动部件已经存在，”Wyss研究所核心学院成员尹鹏博士说。

这项研究的负责人、哈佛医学院(HMS)系统生物学教授是谁？“我们在各种先进的合成生物学应用中为PER提供概念验证数据，这清楚地表明了这项技术的广泛潜力。”

Wyss研究所的团队利用这一新概念设计了一系列用于各种应用的PER DNA转录物，包括称为DNA-origamis的大型DNA纳米结构的自主合成，以及合成生物学方法，其中DNA转录物的合成取决于触发因素，如癌症相关的微RNA。他们的PER方法甚至可以从逻辑评估的不同触发组合中生成DNA转录物，类似于尹团队今年早些时候发布的RNA核糖计算设备。

有趣的是，PER DNA转录本身可以自我催化，切割任何目标RNA，成为荧光探针，放大特定分子刺激的存在，或者“分子记录器”，忠实地指示某些分子信号出现的顺序。他们的环境。

要启动PER级联，需要两个基本组件。一种被称为“催化DNA”的发夹型介体是单链DNA分子，它与自身部分配对形成发夹结构，单链短而突出。突出物旨在捕获PER级联的第二种成分，即“引物”，其包含与突出末端互补的区域。通过一系列的延伸和取代反应，用催化发夹介体提供的序列延伸引物，然后排出。

这可以释放催化发夹介体，并通过捕获新的初始引物或已经延伸的引物级等级联下一个过程。

这些复杂的合成路径是自主进行的，这相当于一个分子机器人执行一项给定的任务，并且是在单一温度下进行的，这使得这项技术非常健壮。“这种方法给了我们极大的创作自由：我们不仅可以一次又一次地合成相同的DNA片段作为新的序列，还可以通过改变催化剂的组成来改变DNA序列的类型。在装配过程中，发夹DNA和引物混合在一起。

这项研究的第一作者Jocelyn Kishi说，他是HMS国家科学基金会(NSF)的研究生研究员，也是Wyss学院研究Yin的一个团队我们正在努力为各种应用实现PER级联，包括分子记录器、复杂诊断和组织成像。

我们还希望有一天这些系统可以用于活细胞，作为可以记录事件或以特定方式重新编程细胞行为的设备，”Kishi说。