谭蔚泓院士设计DNA前馈控制系统，成功控制可编程结构的动态行为

通过将三种类型 DNA 瓦片的操作逻辑，与 DNA 反应网络的控制功能进行有机整合，他们发现 DNA 纳米管的动态行为可以被编程到 DNA 反应网络中，并且能被前馈系统控制。
他们还构建了基于油包水液滴的人工细胞简化模型，并将 DFFCS 控制的 DNA 纳米管内置为人工细胞骨架，通过跟踪人工细胞器的运动情况，研究了动态人工细胞骨架对于人工细胞区室化的影响。

（来源：ACS Nano）
概括来说，他们借助一个通用型网络基元，成功控制了可编程纳米结构的动态行为，证明基于 DNA 反应网络的人工分子系统在模拟类生物活性方面拥有巨大潜力。

（来源：ACS Nano）

此次工作所提出的控制策略，即使用分子反应网络作为控制中心来控制 DNA 纳米管的方法，也适用于其他的可编程纳米材料，并能用于构建具有动态行为的仿生机器人系统。
同时，作为一种受控对象，可编程纳米结构也能和蛋白质、抗体或适体等生物功能分子偶联，在分子反应网络的指导下实现更强大的生物功能。
日前，相关论文以《基于 DNA 反应网络的 DNA 纳米结构动态控制中心》（A Dynamic Control Center Based on a DNA Reaction Network for Programmable Building of DNA Nanostructures）为题发表在 ACS Nano 上 [1]。

图 | 相关论文（来源：ACS Nano）

通过人工系统实现动态组装
生命系统可谓十分奥秘，至今仍未被科学家完全研究清楚。可以确定的是生命系统包含一系列的生物反应网络，这些生物反应网络承担着中央控制器的作用，通过输出分子指令，来对生物分子的组装或解体过程进行调节，从而保证生命活动的正常进行。
那么，能否通过参考生物反应网络，构建人工反应网络并以此作为控制中心，让它来指导人工组件的动态组装过程？
答案是肯定的，一旦成功它将带来的好处是：在分子层面，可以帮助人们理解生物系统的运行机制，并能帮助我们造出仿生型人工系统。
幸运的是，沃森-克里克碱基配对的特异性、以及 DNA 杂交可预测的二级结构，让上述可能成为了现实。
此前，学界已经报道过结构各异的 DNA 可编程纳米结构。尽管可以通过手动添加控制链、或逐步改变缓冲条件的方法，来实现对于 DNA 纳米结构的逐步调节。但是，这些策略并不能很好地体现上游控制网络对于 DNA 可编程纳米结构的程序化控制能力。
那么，在生命系统中，像生物反应网络那样由上游控制网络指导下游结构的动态组装过程，能否通过人工系统实现？正是基于这一背景，课题组开展了本次研究。

（来源：ACS Nano）

一筹莫展之时，幸得高人相助
研究中，他们选取经典的 DNA 纳米管作为 DNA 组装结构模型，并选择生物反应网络中常见的网络基元前馈环，作为控制 DNA 纳米管动态行为的网络模型，此外还使用 DNA 链来对整个过程进行编码和实现。
“DNA 反应网络释放的 DNA 链可以作为一种分子信号，实现对 DNA 纳米结构组装过程的时空控制，”吕一帆说。
然后，他们又提出了新设想：作为完全由人工合成的纳米组装结构，DNA 纳米管在结构上与细胞微管非常相似。如果利用 DNA 纳米管，在人工细胞内构建出人工细胞骨架，将会非常有价值。
因为这样构建出来的人工细胞骨架，并不是一个简单的静态仿生结构，而是一种在上游 DNA 反应网络的控制下、不断生长和变化的动态系统，对于完全人造的纳米组件来说这是非常有利的，因为它能以“自下而上”的方式，实现类似活细胞内细胞骨架的动态行为。
“另一个重要研究内容是对整个 DNA 反应网络进行动力学建模，我们希望所构建的 DNA 反应网络，能像电子芯片一样可以被精确调试。”吕一帆说。
但是，该团队在这方面并没有太多研究基础。为解决这一问题他们查阅大量资料，也尝试编写了不少程序，甚至请教过多位数学和计算机领域的专家朋友。然而，模型的运行结果依旧不甚理想，这一度让他们感到十分挫败。
“就在一筹莫展的时候，我们得到了湖南大学岳亮老师的大力帮助，他为我们模型中的一个核心程序提供了重要见解，从而让整个动力学模型可以顺利运行，并且模拟结果和实验数据具有良好的一致性。”吕一帆说。

（来源：ACS Nano）

将探索人工系统产生生命活性的可能
总体而言，课题组此次构建的 DNA 反应网络可以对 DNA 可编程组装结构的动态行为进行时空调节。另外，针对人工细胞骨架在人工细胞内部形成的动态区室，对于人工细胞器运动情况的限域效应，他们也进行了一定研究。实验结果表明：人工反应网络确实可以作为分子控制中心，来控制人工组装结构的动态行为。
不过，相比与生物体内复杂精密的生物反应网络，目前构建的人工反应网络仍然十分初级，所能执行的控制功能依旧非常有限。后续研究中，他们希望能对 DNA 反应网络进行迭代进化，同时也打算开发更多的人造纳米组分，这些组分预计可以被 DNA 反应网络进行编程和控制。
最终，他们希望能在微米尺度的人工细胞内部，构造一个完全由 DNA 反应网络编码运行的、具有类生物功能的人工系统，从而探索人工系统产生生命活性的可能。
DNA 被认为是当前最优的可编程生物分子。此前已有研究证明，通过合理的序列设计，DNA 反应网络可以被赋予强大的逻辑性和分子计算能力。而 DNA 本身又具备可定制性的特点包括化学标记的可定制性，即通过 DNA 固相合成与化学交联，可以把功能分子修饰在 DNA 上，此外，DNA 还具备碱基序列的可定制性，即通过序列设计可以把功能核酸整合在 DNA 序列里。
另外，由于 DNA 本身就是生物分子，所以 DNA 反应网络可以接收生物分子作为输入信号，从而输出具有生物功能的输出信号。可以说，DNA 是一种既可以实现逻辑关系、又具备生物功能的理想纳米工程材料。
基于以上特性，吕一帆认为 DNA 反应网络在生物医学以及仿生科学领域具有巨大的应用潜力。举例来说，将 DNA 反应网络构建在生物系统中，可以实现对生物信号通路的调节和重编程，从而为理解生物分子作用机制提供更多见解，进而为疾病诊疗提供智能型分子网络工具。
同时，将 DNA 反应网络构建在人工系统中，则可以通过合理的序列设计，构建人工信息处理系统和人工功能组件，实现人工分子系统的类生命活性，从而为构建基于人工分子系统的全合成人工细胞提供技术支撑。

希望可以有越来越多的优秀人才