DNA計(jì)算利用DNA分子的生物化學(xué)特性進(jìn)行信息存儲(chǔ)和計(jì)算，它將數(shù)據(jù)編碼為DNA序列（ A、T、C、G ），通過(guò)分子生物學(xué)操作來(lái)執(zhí)行計(jì)算，本質(zhì)上是利用生物分子的并行性和自組裝特性解決復(fù)雜問(wèn)題的新型計(jì)算模式。其核心優(yōu)勢(shì)在于高度并行處理能力（數(shù)十億個(gè)DNA分子可同時(shí)參與運(yùn)算）和極低的能量消耗，理論上能處理傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以解決的NP難問(wèn)題（如組合優(yōu)化問(wèn)題）。DNA計(jì)算憑借其高并行性和低能耗，為信息處理和復(fù)雜問(wèn)題解決提供了一種新的范式。

大多數(shù)DNA計(jì)算通過(guò)鏈置換級(jí)聯(lián)進(jìn)行，其中DNA分支遷移使信號(hào)能夠通過(guò)邏輯門(mén)傳輸。該策略允許可擴(kuò)展地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算架構(gòu)，例如4位輸入的平方根運(yùn)算、算術(shù)邏輯單元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。然而，大多數(shù)此類(lèi)計(jì)算模式需要由正交反應(yīng)單元構(gòu)建的邏輯門(mén)網(wǎng)絡(luò)，這需要大量精心設(shè)計(jì)的序列和結(jié)構(gòu)。隨著計(jì)算任務(wù)復(fù)雜度的增加，反應(yīng)設(shè)計(jì)可能變得繁瑣，確保正交性和最小化信號(hào)泄漏可能具有挑戰(zhàn)性。此外，作為有前景的信息編碼器，DNA序列在DNA計(jì)算方法中很少得到利用。

康涅狄格大學(xué)健康中心的研究團(tuán)隊(duì)描述了一種基于CRISPR技術(shù)的DNA計(jì)算和數(shù)字顯示策略。利用CRISPR-Cas12a系統(tǒng)能夠特異性地識(shí)別合成DNA靶標(biāo)作為輸入，并能夠直接實(shí)現(xiàn)基于真值表或查找表的輸入-輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系，這是通過(guò)引入與靶標(biāo)對(duì)應(yīng)的CRISPR RNA（crRNA）實(shí)現(xiàn)的。合成DNA靶標(biāo)序列編碼一系列二進(jìn)制輸入位。每個(gè)DNA靶標(biāo)都有一個(gè)互補(bǔ)的crRNA，當(dāng)靶標(biāo)存在時(shí)，crRNA會(huì)專(zhuān)門(mén)觸發(fā)探針的反式切割。該策略允許在輸入和輸出之間建立一對(duì)一的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)多級(jí)邏輯實(shí)現(xiàn)（參考文獻(xiàn)1）。

基于CRISPR的DNA邏輯實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)原理。

（a）當(dāng)CRISPR-Cas12a的crRNA識(shí)別dsDNA靶標(biāo)時(shí)，由于CRISPR-Cas12a的反式切割活性，ssDNA-FQ熒光報(bào)告基因被切割。

（b）crRNA-dsDNA靶標(biāo)識(shí)別的特異性。反式切割活性?xún)H發(fā)生在完全匹配的crRNA-dsDNA靶標(biāo)對(duì)中，并產(chǎn)生與半匹配和完全不匹配的crRNA-dsDNA靶標(biāo)對(duì)不同的強(qiáng)熒光發(fā)射。

（c）基于CRISPR的AND邏輯。真值表顯示，AND邏輯的實(shí)現(xiàn)需要在輸出管中放置單個(gè)分子種類(lèi)crRNA-11，CRISPR反應(yīng)混合物包含CRISPR-Cas12a、反應(yīng)緩沖液和ssDNA-FQ。這樣，target-11能夠通過(guò)反式切割活性產(chǎn)生輸出“1”，而其他target-00、01和10則產(chǎn)生輸出“0”。 

（d）通過(guò)在輸出管中編程crRNA分子，實(shí)現(xiàn)基于CRISPR的DNA計(jì)算，實(shí)現(xiàn)基本邏輯NAND、NOR、XOR和XNOR。對(duì)于NAND邏輯，添加了crRNA-00、01和10。對(duì)于NOR邏輯，添加了crRNA-00。對(duì)于XOR邏輯，添加了crRNA-01和10。對(duì)于XNOR邏輯，添加了crRNA-00和11。

利用該系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)演示了一個(gè)執(zhí)行平方和立方運(yùn)算的兩位計(jì)算器。此外，我們引入了序列依賴(lài)的手柄開(kāi)關(guān)反應(yīng)，該反應(yīng)選擇性地導(dǎo)致靶標(biāo)屏蔽和CRISPR活性抑制，作為擴(kuò)展輸入大小的潛在方法。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)在紙基微流控芯片上編程CRISPR反應(yīng)的空間分布模式，可以直接可視化和數(shù)字化顯示DNA計(jì)算結(jié)果。所開(kāi)發(fā)的基于CRISPR的DNA計(jì)算方法可以執(zhí)行復(fù)雜的算術(shù)任務(wù)以及信息解碼，并且實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)單、速度快，并且只需要少量的寡核苷酸種類(lèi)。

基于CRISPR的紙基微流控芯片上的DNA計(jì)算和數(shù)字顯示。

（a）在紙基計(jì)算器上用CRISPR實(shí)現(xiàn)2位平方運(yùn)算。蠟印紙質(zhì)計(jì)算器有七個(gè)矩形段（a?g），可以用凍干的CRISPR反應(yīng)進(jìn)行編程。

（b）在熒光成像系統(tǒng)中可視化平方和立方運(yùn)算的數(shù)字結(jié)果。對(duì)于平方計(jì)算器，當(dāng)輸入范圍為0到3（2位）時(shí)，只有crRNA參與計(jì)算。當(dāng)輸入范圍為4到7（3位）時(shí)，使用基于手柄開(kāi)關(guān)的輸入擴(kuò)展策略。芯片尺寸：2.85厘米×2.36厘米。腔室尺寸：0.86厘米×0.12厘米。

（c）在熒光成像系統(tǒng)中可視化平方根計(jì)算的部分?jǐn)?shù)字結(jié)果。輸入范圍從0到7（3 位），計(jì)算器是根據(jù)手柄開(kāi)關(guān)反應(yīng)設(shè)計(jì)的。完整結(jié)果見(jiàn)圖S12。芯片尺寸：2.8厘米×2.36厘米。腔室尺寸：0.86厘米×0.12厘米。點(diǎn)的半徑：0.12厘米。

（d）紙基微流控芯片上用于字母顯示的“像素”排列。

（e）用 2 位系統(tǒng)顯示消息“UCONN”。輸入 00、01、10和11分別代表字母“U”、“C”、“O”和“N”。芯片尺寸：3.23×2.77厘米。點(diǎn)的半徑：0.16厘米。

在本研究中，ChemiDoc MP成像系統(tǒng)被用于捕獲紙基微流控芯片上的熒光圖像，以及在不同條件下進(jìn)行CRISPR反應(yīng)的熒光成像。ChemiDoc MP的應(yīng)用使得研究人員能夠直觀(guān)地觀(guān)察到DNA計(jì)算的結(jié)果，特別是在不同輸入條件下的熒光信號(hào)變化。通過(guò)熒光成像技術(shù)，研究人員可以清晰地看到在允許條件下（輸入匹配）目標(biāo)基因的高表達(dá)，而在非允許條件下（輸入不匹配）基因表達(dá)的顯著降低。

ChemiDoc MP實(shí)現(xiàn)了熒光信號(hào)的高靈敏度檢測(cè)，即使在低表達(dá)水平下也能清晰地觀(guān)察到基因表達(dá)的變化。通過(guò)熒光成像技術(shù)，研究人員可以直觀(guān)地評(píng)估基因表達(dá)的效率和邏輯門(mén)的功能狀態(tài)。

Bio-Rad ChemiDoc MP全能型成像系統(tǒng)具有獨(dú)特的五通道熒光，波長(zhǎng)覆蓋從藍(lán)、綠、紅到近紅外，具備完整的分子成像功能，如核酸凝膠成像、蛋白凝膠成像、Western Blot化學(xué)發(fā)光成像、WesternBlot多色熒光成像、紅外熒光成像及免染成像，甚至具備切膠功能。ChemiDoc MP系統(tǒng)搭載了創(chuàng)新的CCD芯片及光學(xué)定焦鏡頭，保證了成像所必需的靈敏度與分辨率。

圖片來(lái)源：www.bioradiations.com及參考文獻(xiàn)

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