近日，南京邮电大学信息材料与纳米技术研究院、省部共建有机电子与信息显示国家重点实验室培育基地与上海交通大学、中科院上海应用物理研究所、慕尼黑工业大学等单位合作发展了具有计算能力和分子智能的单分子DNA巡航技术，并实现了纳米尺度的迷宫行走。相关研究成果已发表在《自然-材料》杂志(Nature Materials 2018, doi: 10.1038/s41563-018-0205-3)。
在活细胞中，精密的生物分子机器执行复杂的任务，维持必要的生理活动，并建立由元素单元构成的巨大生命系统。大自然的奇迹激励研究人员开发人造分子机器，以实现纳米尺度的几何结构、组成和集成功能的精细控制。仿生分子机器扩展了人们从宏观尺度到纳米尺度的操纵运动的能力。DNA分子作为一种进化产生的遗传物质，具有卓越的碱基配对识别能力，可以实现精确的分子自组装，并且可以构筑出具有高空间分辨和定位能力的纳米结构。因而，DNA纳米结构已在纳米电子学、纳米光子学、单分子催化等研究领域中发挥了重要作用。
虽然生物分子机器能够在基于内在可编程性的分子水平上以时空顺序进行决策，但是分子作用与简单决策过程的耦合在人工系统中制造是极具挑战性的。南京邮电大学黄维院士、汪联辉教授、晁洁研究员团队通过与上海交通大学樊春海教授、同济大学柳华杰教授、慕尼黑工业大学Fritz Simmel教授等国际团队合作，建立了具有计算能力和分子智能的单分子DNA巡航系统，其本质上是发展了基于链式反应的DNA纳米机器人。当激活（用引发剂）固定在折纸基板上的第一DNA发夹时，在具有纳米级可寻址性的明确位置上，将发生从一个邻居到另一个的路径铺设序列。这种机制可以称为近端链交换级联（PSEC），它等于数学中的节点访问过程。该系统利用了DNA碱基配对相互作用的序列特异性精度、DNA折纸结构的分子可寻址性和DNA链位移级联的计算能力。单分子技术，如原子力显微镜和超分辨率荧光显微镜，实现对折纸表面铺设路径的表征。除了迷宫求解，PSEC原则上还可以基于强大的并行搜索能力解决从1D到3D的其他图形问题。
与传统的电子计算相比，生物分子计算的特点在于可以直接与生物系统连接。可以设想，将生物医学传感和决策问题转化成DNA折纸平台上的图形表示有望为发展单分子智能传感和疾病诊疗提供新思路。论文第一作者、南京邮电大学信息材料与纳米技术研究院（IAM）晁洁研究员指出，本工作在国际上率先实现了具有计算能力和分子智能的单分子DNA巡航机器人，使得中国科技工作者在这一领域的研究进入了国际第一方阵，今后我们IAM团队将聚焦DNA纳米技术在计算与信息存贮中的应用，争取在生物分子计算领域取得重大突破，奠定我国在该领域的引领地位。
图1：单分子DNA巡航机器人的设计（Source from Nature Materials 2018）
文章信息：Solving mazes with single-molecule DNA navigators. Jie Chao, Jianbang Wang, Fei Wang, Xiangyuan Ouyang, Enzo Kopperger , Huajie Liu, Qian Li, Jiye Shi, Lihua Wang, Jun Hu, Lianhui Wang, Wei Huang, Friedrich C. Simmel and Chunhai Fan Nature Materials 2018, doi: 10.1038/s41563-018-0205-3, 3, https://www.nature.com/articles/s41563-018-0205-3．