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利用基于 DNA 的分子马达进行化学机械分子计算,并配备板载逻辑。

Chemical-to-mechanical molecular computation using DNA-based motors with onboard logic.

机构信息

Department of Chemistry, Emory University, Atlanta, GA, USA.

Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering, Georgia Institute of Technology and Emory University, Atlanta, GA, USA.

出版信息

Nat Nanotechnol. 2022 May;17(5):514-523. doi: 10.1038/s41565-022-01080-w. Epub 2022 Mar 28.

DOI:10.1038/s41565-022-01080-w
PMID:35347272
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9119907/
Abstract

DNA has become the biomolecule of choice for molecular computation that may one day complement conventional silicon-based processors. In general, DNA computation is conducted in individual tubes, is slow in generating chemical outputs in response to chemical inputs and requires fluorescence readout. Here, we introduce a new paradigm for DNA computation where the chemical input is processed and transduced into a mechanical output using dynamic DNA-based motors operating far from equilibrium. We show that DNA-based motors with onboard logic (DMOLs) can perform Boolean functions (NOT, YES, AND and OR) with 15 min readout times. Because DMOLs are micrometre-sized, massive arrays of DMOLs that are identical or uniquely encoded by size and refractive index can be multiplexed and perform motor-to-motor communication on the same chip. Finally, DMOL computational outputs can be detected using a conventional smartphone camera, thus transducing chemical information into the electronic domain in a facile manner, suggesting potential applications.

摘要

DNA 已成为分子计算的首选生物分子,它可能有一天会补充传统的硅基处理器。一般来说,DNA 计算是在单独的试管中进行的,它在响应化学输入时生成化学输出的速度较慢,并且需要荧光读出。在这里,我们引入了一种新的 DNA 计算范式,其中使用远离平衡的基于 DNA 的动态马达将化学输入处理并转换为机械输出。我们表明,具有板载逻辑(DMOL)的基于 DNA 的马达可以在 15 分钟的读取时间内执行布尔函数(NOT、YES、AND 和 OR)。由于 DMOL 是微尺寸的,因此可以对相同或仅通过尺寸和折射率进行编码的大量 DMOL 阵列进行复用,并在同一芯片上进行马达到马达的通信。最后,DMOL 计算输出可以使用常规的智能手机摄像头进行检测,从而以简单的方式将化学信息转换为电子域,这表明了其潜在的应用。