基于DNA折紙的可編程納米計算

王 方，肖溢銳，呂姝穎，強小利* ，石曉龍**

（1.廣州大學(xué)計算機科技研究院／計算機學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京 102400）

計算工具一直是人類生活中必不可少的一部分。古往今來，人們都在嘗試用各種介質(zhì)與算法進行數(shù)據(jù)的存儲和運算。作為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，電子計算機已經(jīng)深入影響了人類社會的各個領(lǐng)域，無疑是信息時代不可或缺的重要工具。當(dāng)今，互聯(lián)網(wǎng)更是進入了大數(shù)據(jù)時代，龐大的數(shù)據(jù)量需要計算機的處理功能及其自身復(fù)雜性都成指數(shù)級爆炸式增長，這使得科學(xué)家們在努力突破“摩爾定律”［1］的同時，不斷探尋著新的信息處理模式。另一方面，計算科學(xué)家將問題分為簡單、困難與不可計算3類，電子計算機由于其順序計算的圖靈機模型，容易處理簡單問題，但面對現(xiàn)實生活中存在的許多復(fù)雜系統(tǒng)問題，尤其是非確定性多項式（Nondeterministic Polynomially，NP）問題，其處理方式會使問題規(guī)模成指數(shù)增長，因此，科學(xué)家們從未停止探索新一代計算系統(tǒng)的腳步，量子計算機、生物計算機、光計算機等新型計算機也在這樣的環(huán)境下應(yīng)運而生［2－4］。

DNA計算是生物計算的一個分支，以脫氧核糖核酸鏈作為信息載體，借助化學(xué)反應(yīng)對DNA鏈進行切割或整合，行使類似硅基計算機中存儲器、控制器等元件的功能。運算過程在生物容器中進行，這個生化反應(yīng)過程類似電子計算機的輸入／輸出、計算器等電子元件的工作過程。DNA鏈作為自然界多數(shù)高級生命體內(nèi)的主要遺傳物質(zhì)，以4種堿基——腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）的組成和排列順序，達到編碼和儲存遺傳信息的目的。這與電子計算機基于0和1高低電頻處理信息的方式極為相似，因此DNA可以作為良好的信息處理材料，且大量DNA可以在微量液體中同時反應(yīng)，高度并行的處理能力使得DNA計算獲得越來越多的關(guān)注。

基于自組裝的DNA納米結(jié)構(gòu)制造技術(shù)與DNA計算相輔相成，指導(dǎo)DNA自下而上地有序組裝。自組裝是指大小分子、納米材料等結(jié)構(gòu)單元，在非共價鍵的相互作用下自發(fā)地聚集或組織成有序而緊密結(jié)構(gòu)的過程，是一種普遍存在的自然現(xiàn)象。DNA納米制造技術(shù)利用DNA分子的序列編碼和攜帶信息，指導(dǎo)和編程基本結(jié)構(gòu)單元組裝而成的大規(guī)模結(jié)構(gòu)，這就賦予了DNA其生物學(xué)意義以外的價值。

基于可編程自組裝建造的納米結(jié)構(gòu)往往具有穩(wěn)定的性質(zhì)和規(guī)則的幾何外觀，一些基于特定序列和縝密設(shè)計規(guī)則生產(chǎn)的高級納米結(jié)構(gòu)，如DNA折紙，其序列具有可尋址性。這樣的納米結(jié)構(gòu)可以作為一種強大的、納米分辨率的全編程工具，容易實現(xiàn)自動化，為DNA計算搭載了可靠的平臺。因此，DNA折紙技術(shù)的發(fā)展也掀起了國內(nèi)外學(xué)者對DNA計算的一股研究熱潮。本文首先對DNA計算和以DNA折紙為代表的自組裝納米技術(shù)兩方面進行簡要的介紹，然后針對DNA折紙在DNA計算領(lǐng)域的諸多研究，包括以DNA折紙為基底的DNA計算、算法與可編程自組裝、可計算折紙結(jié)構(gòu)等方向的成果進行論述與展望。

1 DNA計算與DNA納米制造

1.1 DNA計算研究現(xiàn)狀

DNA計算首次得到驗證是在1994年，Adleman［5］提出利用DNA分子解決具有7個頂點的有向Hamilton路徑問題，將頂點與邊的聯(lián)系轉(zhuǎn)化為DNA鏈之間的雜交，并在溶液中成功進行了實驗操作，開創(chuàng)了DNA計算領(lǐng)域的先河。DNA計算多為巧妙利用生物分子自身特性和反應(yīng)過程，構(gòu)建基于分子結(jié)構(gòu)或生物反應(yīng)機理的計算模型。隨后越來越多的DNA計算模型相繼被提出，由Roweis等［6］最早提出的粘貼模型主要通過對單雙鏈DNA混合、搜索的過程完成求解，已經(jīng)被用于求解圖頂點著色問題、可滿足性問題、最大團與最大獨立集問題等NP-完全問題［7－10］。Head等［11］和周康［12］則提出基于連接與切割質(zhì)粒DNA分子的質(zhì)粒計算模型，原理是對核酸內(nèi)切酶和連接酶作用在質(zhì)粒的反應(yīng)進行0、1兩種狀態(tài)的編碼，后續(xù)被用來解決了排課表問題、圖的邊著色問題、組合問題等。還有一些作用于其他非質(zhì)粒分子的剪接模型，如基于剪接操作的可編程有窮自動機和自律式分子計算機模型［13－14］。

隨著應(yīng)用場景的多元化與生物計算的進步，DNA計算也不單用于解決組合優(yōu)化等算法問題，而是向著邏輯計算的方向發(fā)展。早期由Stojanovic等［15］提出基于DNA酶的邏輯門，并構(gòu)造了與門、異或門等簡單布爾邏輯門。2006年，Seelig等［16］開發(fā)了基于DNA鏈置換反應(yīng)的邏輯門，實現(xiàn)了容易擴展的與門、或門、非門等基礎(chǔ)邏輯門。隨著基于鏈置換DNA計算的發(fā)展，已經(jīng)可以實現(xiàn)包含更多層級級聯(lián)的大規(guī)模邏輯電路，或是分子結(jié)構(gòu)更精密的復(fù)雜邏輯電路［17－19］。DNA分子更是可以與RNA、蛋白質(zhì)、酶、納米顆粒等更多材料結(jié)合，共同構(gòu)建可用于生物傳感和遞送的多組分邏輯電路［20］。

DNA計算和傳統(tǒng)電子計算機相比，具有高度并行性、極大的存儲容量、低能耗、高計算速度等顯著優(yōu)勢。DNA計算的獨特之處在于，可以通過排除偽解在操作上的便利來優(yōu)化初始解空間，降低求解復(fù)雜度。同時，DNA計算可以通過分子間的反應(yīng)與相互作用，在生物化學(xué)體系中提供嵌入和控制，擴展了在納米尺度的精確計算手段。然而，在DNA編碼、結(jié)果的檢測與表征、非解排除的徹底性、解空間指數(shù)爆炸等方面存在的問題依然亟待優(yōu)化與解決［21］。總而言之，總體研究處于起步階段的DNA計算已經(jīng)在NP困難問題求解、大規(guī)模圖像信息處理、信息存儲、系統(tǒng)加密與破譯、藥物遞送控制等方面取得了研究成果，并盡可能在信息科學(xué)、基礎(chǔ)科學(xué)、生命醫(yī)藥研究等領(lǐng)域提供技術(shù)服務(wù)與支撐。

1.2 DNA自組裝納米制造

最初將DNA作為納米材料的想法由Seeman教授提出［22］，通過合理設(shè)計稱為“四臂結(jié)”的十字叉狀的類Holiday結(jié)構(gòu)，作為一個瓷磚（Tile）結(jié)構(gòu)單元，多個Tile可以通過對DNA序列進行編碼，控制粘性末端雜交組裝成二維結(jié)構(gòu)，這種組裝方式稱為Tile組裝。隨著合成技術(shù)的發(fā)展，為了獲得分子結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，以及組裝產(chǎn)物更可控的納米單元，大量形形色色的DNA可編程結(jié)構(gòu)相繼被設(shè)計。Seeman團隊隨后在四臂結(jié)的基礎(chǔ)上進行改進，提出更穩(wěn)定的“雙交叉”（Double Crossover，DX）Tile結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)擁有沿螺旋軸方向的4個編碼位點，如圖1（a）所示［23］。類似基于DNA鏈交叉的Tile結(jié)構(gòu)相繼被設(shè)計，LaBean等［24］設(shè)計了包含3排雙螺旋區(qū)域的“三交叉”（Triple Crossover，TX）模塊，Seeman［25］和Yan等［26］設(shè)計了同極性鏈構(gòu)成的“平行交叉”PX模塊，以及用于構(gòu)建可控納米器械的JX2變體，如圖1（b）所示。2012年，Wei等［27］提出一種名為“單鏈瓦片”（Single Stranded Tile，SST）的自組裝策略，多個Tile之間通過堿基特異性識別，連接成交錯的雙鏈結(jié)構(gòu)，進而組裝出大面積的二維平面“分子畫布”，如圖1（c）所示。Shi等［28］構(gòu)建了一種可以組裝得到3，4和6臂結(jié)的微型Tile（subtile），并通過分層組裝策略，可以生產(chǎn)多種二次組裝產(chǎn)物。

圖1 DNA納米結(jié)構(gòu)Fig.1 DNA nanostructures

DNA Tile的自組裝過程往往相對復(fù)雜且產(chǎn)率并不高，源于其生物表征過程中涉及大量短的DNA序列，要求它們在合適的實驗條件下以合理的濃度配比反應(yīng)，才能形成完整結(jié)構(gòu)，且復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的組裝過程涉及較多的純化步驟，這就一定程度上制約了基于Tile的自組裝結(jié)構(gòu)的規(guī)模和應(yīng)用。DNA折紙技術(shù)的出現(xiàn)解決了這些問題，為自組裝納米技術(shù)的發(fā)展開拓了更廣袤的空間。

1.3 DNA折紙技術(shù)及應(yīng)用

作為自組裝納米技術(shù)的一個分支，DNA折紙技術(shù)的概念在2006年首次被Rothemund［29］提出，這是一項能夠指導(dǎo)DNA鏈自下而上組裝構(gòu)建幾十至數(shù)百納米尺寸范圍內(nèi)特定形狀結(jié)構(gòu)的實用技術(shù)。這一技術(shù)基于沃森-克里克堿基配對原則，通過人為編碼設(shè)計數(shù)百個短ssDNA（稱為訂書釘鏈，staples），將一條通常長度約7 000nt的單鏈環(huán)狀DNA骨架（稱為腳手架鏈，scaffold）折疊并綁定為預(yù)設(shè)形狀。這種高度可尋址且易于表征技術(shù)的出現(xiàn)，改善了Tile自組裝中涉及大量短鏈的問題，在納米制造史上具有里程碑意義。

從形貌層面的二維對稱到三維不對稱，再到組裝方式層面的二次組裝、動態(tài)組裝和對其他規(guī)模折紙的探索。DNA折紙結(jié)構(gòu)形貌方面的復(fù)雜度在不斷增加，實驗實現(xiàn)的手段也在不斷優(yōu)化與創(chuàng)新。如圖1（d）所示，納米燒瓶、DNA拼圖、DNA畫像等引人注目的成果的出現(xiàn)都意味著DNA折紙技術(shù)構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)方面的能力不斷被證實［30－32］。

近年對DNA折紙的研究范圍仍在不斷擴大，DNA折紙表面近10 000 nm2的區(qū)域包含約200個可尋址位點，這樣的全局尋址特性使之可以作為精確到納米級分辨率的定位模板或框架，在組織空間方面成效明顯［33－34］，也能用于更多其他物質(zhì)和材料的定點修飾［35］，其具體應(yīng)用觸及抗體檢測、生物傳感與遞送、納米電路板與分子計算、超分辨熒光成像、光采集、單分子研究等方方面面［36－39］，如圖1（e）所示。同時，對DNA折紙組裝條件及其動力學(xué)成因方面的研究揭示了很多自組裝過程的細節(jié)，幫助使用者對納米結(jié)構(gòu)形成進一步了解［40］。諸多對相關(guān)模擬仿真工具的研究方便了使用者對DNA折紙的深入理解［41－42］，許多針對突破規(guī)模限制、穩(wěn)定性與生產(chǎn)能力的研究為DNA折紙的廣泛應(yīng)用提供了更強的技術(shù)保障［43－44］，而這只是DNA折紙發(fā)展至今20年內(nèi)，在設(shè)計、構(gòu)建與應(yīng)用方面的一小部分研究成果。

2 基于DNA折紙的計算

DNA作為一種可以攜帶信息，且具有高度熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)的分子，長期被作為體外信號網(wǎng)絡(luò)和分子計算的流行底物。通常對算法的編碼與優(yōu)化最終落實在合理的序列設(shè)計上，這導(dǎo)致了DNA計算模型流程復(fù)雜，且計算速度隨著這種耗散電路規(guī)模的擴大受到限制［45］。而可尋址結(jié)構(gòu)DNA折紙的引入為電路元件分割、共定位提供一個框架，給DNA電路的發(fā)展帶來新思路。

針對當(dāng)時主流的DNA計算主要依賴于自由擴散分子隨機相互作用的現(xiàn)狀，一些理論研究認(rèn)為可以利用空間受限制的DNA電路架構(gòu)方法，來優(yōu)化計算速度和電路規(guī)模。Muscat等［46］最初在2013年討論了一種DNA鏈置換電路的計算架構(gòu)，提出可以通過一種實用的納米組件——DNA折紙進行空間隔離，從而更容易設(shè)計基于DNA的電路。2015年，Dalchau等［47］提出了一種基于DSD的DNA局部電路概率仿真分析方法，分析結(jié)果顯示，對于計算4比特數(shù)平方根的電路，其DNA折紙上的局部化電路方案在5～9 min完成了75%反應(yīng)，而其復(fù)雜的混合電路方案需要5～9 h，意味著局部化電路在速度方面的性能優(yōu)于混合電路。Teichmann等［48］則通過在折紙平臺固定“發(fā)送端”和“接收端”的方式研究了共定位電路的魯棒性，研究發(fā)現(xiàn)中間柵距≈20 nm的級聯(lián)表現(xiàn)出更快的動力學(xué)和更小的折紙內(nèi)泄露反應(yīng)。

Seelig團隊在2017年成功將可伸縮的DNA邏輯門及其傳輸通道搬運至以矩形DNA折紙為基底的平臺上，通過將獨立發(fā)夾固定在DNA折紙表面的方式，完成電路元件的共定位［49］。折紙對發(fā)夾邏輯門的排列和空間組織使得反應(yīng)優(yōu)先發(fā)生在“鄰居”間，這使得信號傳輸（導(dǎo)線）沿著發(fā)夾的布設(shè)進行，如圖2（a）所示。同時，相同的發(fā)夾可以在整個電路中重復(fù)使用，這克服了分子電路工程中一部分速度和規(guī)模限制。和擴散元件的分子電路相比，定位電路將一加法模型的計算時間從幾小時減少到了幾分鐘。次年，Bui等［50］構(gòu)建了由6個DNA元件參與雜交的折紙表面鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，證明了局部雜交反應(yīng)的執(zhí)行速度比非局部DNA更快，該研究運用了AFM、TIRF、集成熒光光譜等多種方式來確認(rèn)發(fā)生在折紙表面的局部DNA雜交反應(yīng)。

圖2 折紙表面的DNA計算Fig.2 DNA calculation on the surface of origami

除了針對確定性算法進行策略優(yōu)化，DNA折紙的表面定位也可以改變隨機算法的適用性。Thubagere等［51］建立的貨物分揀機器人，可以在二維折紙表面行走，同時撿起最初處于無序位置的兩種貨物，直到所有分子被分類并運送到指定目的地。該機器人的設(shè)計是在沒有能量供應(yīng)的情形下，行為由它們周圍的局部場景來引導(dǎo)。Chao等［52］在2019年構(gòu)建了單分子DNA迷宮導(dǎo)航器，其導(dǎo)航原理依靠一個折紙表面的鏈置換級聯(lián)反應(yīng)進行，觸發(fā)后反應(yīng)沿著DNA發(fā)夾定義的路徑自動前進，通過單分子對某一可能路徑的探索，從折紙導(dǎo)航器集合中獲取兩點的具體解決路徑，如圖2（b）所示。最終可以在DNA折紙平臺上定義的十頂點有根樹上執(zhí)行并行的深度優(yōu)先搜索。沒有DNA折紙對分子群的準(zhǔn)確定位與組織，這些應(yīng)用不易實現(xiàn)。

DNA折紙的組織能力不僅僅局限于表面定位。Winfree團隊報告了一種可以執(zhí)行多種算法的基于DNA自組裝分子自動機，DNA折紙作為種子組織者提供迭代布爾電路的輸入面板及SST作為邏輯門和導(dǎo)線周期性地重復(fù)電路層來計算，最終在DNA折紙－瓦片混合的2D陣列上顯示計算過程與結(jié)果［53］。

Yin等［54］還提出了一種可滿足問題的通用DNA計算模型，對公式中每個子句設(shè)計一個DNA裝置，該裝置在DNA折紙表面沿輔助線組合，生成邊緣構(gòu)建圖案，由此并行地完成對滿足子句賦值的搜索過程。次年，該組引入納米金顆粒作為頂點標(biāo)識放大光電信號，用熒光標(biāo)記的分子信標(biāo)作為錨鏈并固定在DNA折紙基板上，建立了求解最小生成樹的可視化計算模型［55］。由于折紙納米分辨率的組織，通過熒光檢測技術(shù)可以觀察到反應(yīng)路徑，這讓計算過程的讀取更加直觀，如圖2（c）所示。Yang等［56］提出了對一種NP-完全問題－背包問題的折紙表面計算模型，通過選擇映射為DNA折紙基底上的有向路徑，將問題的解映射為找到一條使背包價值最大的有向路徑的方式，引入熒光檢測找到滿足約束的解。該模型在Visual DSD模擬下驗證了有效性，但其局限性在于受制于底座的尺寸，只能解決規(guī)模較小的0-1背包問題。

近期，Liu等［57］則利用折紙共定位電路開發(fā)了一種雙輸入DNA有限狀態(tài)機（FSM）。折紙的空間限制帶來更簡單的設(shè)計、更小的泄漏反應(yīng)和最小的正交組件集的同時，被空間所約束的反應(yīng)順序也幫助解碼時間上的輸入信息，最終部署了這個無酶和外源燃料試劑參與的時序鏈置換電路，并被驗證可以感知兩種MicroRNA的順序，如圖2（d）所示。這是一個利用DNA局部電路來感知時間事件的例子，強調(diào)了DNA納米器件在生物過程的時間分辨率方面的潛力。

折紙參與定位計算元件的DNA計算系統(tǒng)優(yōu)勢在于：①電路元件間的相互作用被局限到近端之間，導(dǎo)致了更快的反應(yīng)；②空間定位導(dǎo)致電路組分的有效濃度高于混合溶液中組分的有效濃度，有助于調(diào)節(jié)化學(xué)計量；③由于信息流不再依靠序列特異性控制，各組分之間序列允許重用；④可以在同一試管中分割不同的功能模塊，方便某些應(yīng)用場景。

3 可編程自組裝

3.1 算法自組裝

隨著Tile分子從簡單的十字結(jié)構(gòu)發(fā)展到各種模塊構(gòu)成的復(fù)雜DNA納米圖形，在王氏Tile的基礎(chǔ)上，算法自組裝的概念應(yīng)運而生。最初，Winfree等［58］闡述了可以通過Tile自組裝來執(zhí)行計算，這個構(gòu)想中每個瓷磚被看作獨立邏輯門，例如DX Tile的一側(cè)粘端可以編碼為0或1，對應(yīng)輸入；另一側(cè)編碼粘端對應(yīng)輸出。代表異或（XOR）邏輯的DX一維自組裝在2000年已經(jīng)被實現(xiàn)［59］。根據(jù)二元函數(shù)XOR邏輯計算并生長的分形圖案——謝爾賓斯基三角形（Sierpinski Triangle）之后也被算法自組裝實現(xiàn)，在原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）下可以清楚觀察到分型三角形是如何生長，盡管還不是十分完美，有組裝錯誤的存在［60－61］。由于組裝過程中瓷磚不單單與錯誤瓷磚競爭插槽，還要面對半正確瓷磚的競爭，算法自組裝的實現(xiàn)過程比傳統(tǒng)自組裝更困難［62］。通過算法組裝，構(gòu)造復(fù)雜而尺寸可控的DNA晶格也成為可能，規(guī)模從2×2到8×8，多種有限尺寸的DNA自組裝陣列被實現(xiàn)［63］。還有類Lego積木的有限編碼3D系統(tǒng)，有目的性的增添或刪除特定的SST組件，可以實現(xiàn)類似積木搭建方式的任意形狀的自組裝［64］。

DNA折紙技術(shù)的出現(xiàn)則為傳統(tǒng)自組裝納米結(jié)構(gòu)提供了更多可能，在算法自組裝領(lǐng)域突出表現(xiàn)為，為DNA短鏈的生長提供種子（Seed）序列的規(guī)范化區(qū)域組織［65］。近期，Winfree等開發(fā)了基于SST與DNA折紙的混合生長的DNA元胞自動機模型，在2D平鋪陣列上將算法行為嵌入了分子自組裝過程，如圖3（a）所示，并實驗展示了20余種電路，可以執(zhí)行復(fù)制、隨機游走、排序、回文識別、倍數(shù)判斷等命令［66］。

圖3 基于DNA折紙的可編程自組裝Fig.3 DNA origami-based programmable self-assembly

3.2 編碼尋址的自組裝

由于掣肘于通用腳手架鏈約7 000 nt的長度，大多數(shù)DNA折紙結(jié)構(gòu)單體的尺寸被限制在50～200 nm左右。若要制造突破尺寸限制的DNA折紙結(jié)構(gòu)，一種方法是在單個DNA結(jié)構(gòu)中劃分一部分序列作為功能性連接區(qū)域，通過編碼連接區(qū)的堿基序列，讓小尺寸折紙以對應(yīng)的編碼策略放大為大面積結(jié)構(gòu)。

編碼可以以特定的幾何狀態(tài)呈現(xiàn)，例如Rajendran等［67］提出的拼圖狀自組裝折紙，沿螺旋軸方向以榫卯相接的方式完成特定堆疊，最終以35%的產(chǎn)量組裝得到3×3的拼圖陣列，如圖3（b）所示。

更多情況下編碼連接以兩條反平行粘性末端堿基互補或堆積的方式實現(xiàn)。Tikhomirov等［68］著名的“蒙娜麗莎”畫像便是基于粘端編碼邊緣并建立組裝規(guī)則，通過分層組裝的方式，生產(chǎn)了規(guī)模8×8，尺寸達到微米級的完全可尋址納米陣列。對編碼策略做出改變還可以構(gòu)建出擁有其他功能的組裝系統(tǒng)，該組還以可控的方式構(gòu)建了具有隨機組裝功能的平面陣列——包括實現(xiàn)了微米級隨機環(huán)圖案、迷宮和樹，如圖3（c）所示［69］。Kang等［70］提出的動態(tài)開關(guān)編碼方案則是通過添加過量阻斷鏈的方式，控制不同折紙單元以圖形輸出的方式實現(xiàn)布爾函數(shù)。

結(jié)構(gòu)間的組裝也可以依靠其自身形狀特性和連接處的編碼共同完成。例如Wang等［71］構(gòu)建了多種六邊形折紙，通過編碼和結(jié)構(gòu)自身的機械性能，控制它們組裝成微米級的蜂窩狀晶格和管。Wagenbauer等［72］構(gòu)造的3D自限制性齒輪，討論了單個折紙的幾何形狀細節(jié)，對高階組裝物中拷貝數(shù)、位置、方向等產(chǎn)生的影響和控制。Wang等［73］對線框DNA折紙引入了與螺旋軸平行的粘端，由六邊形線框的形狀和邊上的編碼共同限制組裝過程，合成閉合的有限陣列。

編碼組裝同樣適用于非平面的DNA折紙結(jié)構(gòu)。例如Wickham等［74］展示了不同直徑（30～120 nm）的模塊化的DNA折紙桶裝納米釘板，并演示了其3D-Exchange動畫中構(gòu)建的“小黃人”圖案，以展示自組裝桶的精細可尋址性，如圖3（d）所示。

分子可編程組裝的實現(xiàn)為生物系統(tǒng)的探索和設(shè)計提供了新思路［75］。無論分子來自人為設(shè)計或自然，可以獨特尋址的自組裝陣列們都像一張分子畫布一樣，讓原本無序散落在溶液里的大小分子變得容易通過建立算法去操作。

4 可計算結(jié)構(gòu)

DNA折紙由于其高度完整性、穩(wěn)定性以及優(yōu)異的抗酶消化能力，被廣泛用作分子機器人、信號傳遞、邏輯計算等功能性模板［76］。

一個經(jīng)典的例子是Douglas等［77］提出的DNA折紙六邊形納米機器人盒子，該設(shè)備可以裝載材料，借助適配體編碼的邏輯門有效感知環(huán)境中的線索并做出反應(yīng)，對細胞信號實現(xiàn)了AND邏輯計算，如圖4（a）所示。之后，Amir等［78］將這種可計算邏輯問題的納米機器人轉(zhuǎn)移到了生物體內(nèi)。這些機器人可以接收溶液中的某些信號，作為繼電器開關(guān)分子有效載荷或關(guān)閉，或是相互作用產(chǎn)生邏輯輸出。這個納米計算系統(tǒng)被用來創(chuàng)建了AND、OR、XOR、半加器等邏輯門，并在活蟑螂體內(nèi)用來控制針對他們細胞的分子。

圖4 用于計算的DNA折紙Fig.4 DNA origami for computing

DNA折紙在運算系統(tǒng)中還可以充當(dāng)顯示裝置，提供電化學(xué)讀出以外的其他結(jié)果讀出手段。Liu等［79］建立了一個查找系統(tǒng)，將兩個任意輸入組合成一個查找表來提供輸出，讓DNA折紙充當(dāng)組合手段來形成立即顯示的結(jié)果輸出，并展示了以乘法為例的折紙表面七段式阿拉伯?dāng)?shù)字顯示計算器，如圖4（b）所示。

作為一種序列高度可編程的納米結(jié)構(gòu)，DNA折紙也可以被設(shè)計與其他結(jié)構(gòu)互動并執(zhí)行計算過程。俞洋等［80］通過組裝DNA折紙瓦片的方式，提出了解決給定有向圖哈密頓路徑問題的計算模型。次年，俞洋等［81］又使用DNA折紙結(jié)構(gòu)編碼無向圖頂點，提出了解決圖著色問題的模型。Xu等［82］提出使用DNA折紙結(jié)構(gòu)作為代理的計算模型，用來并行計算圖的著色問題，如圖4（c）所示。折紙“代理”們根據(jù)承載的圖形數(shù)據(jù)在三維空間中組合，這里解決了一個六頂點三著色問題。其優(yōu)勢與其他可計算結(jié)構(gòu)相同，通過修飾將顏色信息分配給不同的折紙結(jié)構(gòu)，使得計算結(jié)果在AFM下高度可視化。

Zhang等［83］則考慮了自組裝結(jié)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)潛力，將DNA折紙用于隱寫，DNA折紙密碼體系見圖4（d）。通過對支架鏈引入特定的生物素修飾鏈的方式，將信息加密為連續(xù)的斑點圖案，二者的結(jié)合過程實現(xiàn)了加密，添加特定密鑰訂書釘鏈后的完整結(jié)構(gòu)的組裝過程則完成解密。該研究嘗試對字母A-Z和數(shù)字0～9生成折紙密文并傳輸，最終包含樣品處理及AFM掃描識別的解密過程需要約1～2 h。雖然相較于電子計算機耗時較長，但該過程符合信息安全的“CIA三位一體”（保密性、完整性、可獲得性），也為信息加密提供了一種新穎的分子解決方案。

5 總結(jié)與展望

作為一種高度可編程的納米結(jié)構(gòu)，DNA折紙使得很多精確依賴分子幾何、分子動力學(xué)模型和工程成為可能。通過在特定位置修飾的方式，一些依賴分子精確放置和操控及運行過程依靠分子組織的系統(tǒng)工程，原則上都可以在DNA折紙平臺上受益，本文所提到的基于DNA折紙的DNA計算系統(tǒng)也是得益于序列特異性賦予的可尋址性與可編程性。然而在計算場景下的DNA折紙展現(xiàn)其力量的同時，也揭示了充分發(fā)揮其潛力面臨的挑戰(zhàn)：①設(shè)計難題。目前大量DNA折紙相關(guān)的設(shè)計和仿真工具被開發(fā)，其中不乏許多優(yōu)秀軟件將折紙的設(shè)計過程簡化為黑箱操作，用戶容易將幾何模型轉(zhuǎn)化為DNA折紙設(shè)計。然而，DNA計算對定位分辨率一般要求精確至堿基，這就需要用戶理解折紙模型并計算或輸入更多結(jié)構(gòu)參數(shù)，以避免不合理的設(shè)計導(dǎo)致計算無法進行或是扭曲整體結(jié)構(gòu)，這是設(shè)計人員在系統(tǒng)的功能性與穩(wěn)定性之間尋找平衡面臨的挑戰(zhàn)。②環(huán)境問題。DNA計算與DNA納米結(jié)構(gòu)獨有的意義在于同時擁有生物特性與承載信息能力，在生物細胞或活體內(nèi)與生理環(huán)境對接是其獨特的優(yōu)勢。如何讓DNA計算在復(fù)雜生理環(huán)境中運行是一大難點。③規(guī)模問題。被支架序列長度限制規(guī)模的DNA折紙通?？梢酝ㄟ^兩種策略改變規(guī)模：生物技術(shù)手段改造支架或是編碼組裝堆疊為大型結(jié)構(gòu)，兩種方法都會犧牲產(chǎn)量，且讓DNA計算系統(tǒng)模板的制作流程更加繁瑣。

根據(jù)DNA折紙運用在DNA計算問題中面臨的問題，未來結(jié)合納米技術(shù)與DNA計算的可編程計算系統(tǒng)在發(fā)展過程中，一方面，需要著力于對底層組裝原理的更深層研究，因為分子自動化和序列可編程化是DNA計算得以運行的基礎(chǔ)，對自組裝機制清晰地描述和展示，是運用自組裝技術(shù)設(shè)計動態(tài)結(jié)構(gòu)或穩(wěn)定組合結(jié)構(gòu)所需要的；另一方面，就像Cadnano系列軟件催化了DNA折紙的發(fā)展一樣，基于納米結(jié)構(gòu)的DNA計算系統(tǒng)期待“分子編程”輔助工具的支持，這將催生更多沙盒模式下更復(fù)雜或更具創(chuàng)造性的計算系統(tǒng)，當(dāng)然這一點的具體實現(xiàn)依然依賴對分子自組裝機制更清晰的探索和穩(wěn)定表征。Young等［84］近期開發(fā)的多尺度分析框架，可以在近原子分辨率預(yù)測結(jié)構(gòu)單體到分層組裝產(chǎn)物的三維形狀、動力學(xué)特性和機械剛性，對約7 000堿基對組成的折紙結(jié)構(gòu)分析時間不到15 min。這些動力學(xué)模擬手段可以幫助研究者更快捷地迭代DNA組裝物的設(shè)計－分析－修訂工作。因此，期待DNA計算建模、納米結(jié)構(gòu)合成與自組裝技術(shù)之間會建立更緊密的聯(lián)系，產(chǎn)生更多自動化的、穩(wěn)定的復(fù)合模型服務(wù)于信息科學(xué)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。