Small Structures:DNA计算在智能诊断中的应用

现代社会对更快的信息处理速度和更密集的数据存储的需求正在催化新的计算模式。DNA作为一种重要的携带遗传信息的生物分子,由于其高效信息存储密度和高通量编码能力等优势,在信息处理、存储以及计算方面显示出巨大的潜力。DNA计算是信息科学与生物科学相结合的一种新的计算模式,主要思想是通过一系列连续的DNA分子反应来模拟特定的逻辑计算过程。例如,通过利用DNA分子的特异性识别能力,可以将信息编码成特定的DNA序列,在温度、光、分子浓度、酶等外部条件的控制下,级联成分子电路进行相关的运算。

此外,由于核酸分子在生物体系中具有重要功能,因此可作为疾病预测、诊断等应用的标志物。同时,功能核酸如核酸适体、核酶等一系列分子的发现也为识别蛋白、小分子等生物标志物提供了工具。DNA计算作为一种综合运算与分析的平台,可以将多种标志物的浓度信息与疾病诊断信息关联起来,为快速、灵敏、直接的分子诊断提供了一个智能化的框架。

近日,上海交通大学医学院分子医学研究院谭蔚泓课题组与韩达课题组综述了DNA计算在智能诊断中的应用。在这篇综述中,作者们介绍了DNA计算系统的设计和实现,并主要从与诊断相关的生物传感的角度介绍了DNA计算在生物医学应用中重要进展 (图1)。作者首先介绍了构建不同DNA计算电路的多种方案,包括基于核酶和链置换反应等联级反应方法。随后,文章分别介绍了构建更大规模DNA电路的方法和范例。最后,文章详细介绍了近年来利用DNA计算技术进行生物标志物分析的研究进展,并展望了该领域存在的问题和发展的机遇,期待DNA计算能在临床诊断、治疗相关的应用中起到更大的作用。

图1. DNA计算原理图及其相关应用

A smart “Doll grabbing machine” made of DNA that can intelligently perform computational functions to distinguish healthy and sick individuals

论文信息:

DNA Computing: Principle, Construction and Applications in Intelligent Diagnostics

Qian Ma, Chao Zhang, Mingzhi Zhang, Da Han*, Weihong Tan*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100051

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100051