DNA計算利用DNA分子的生物化學(xué)特性進行信息存儲和計算，它將數(shù)據(jù)編碼為DNA序列（ A、T、C、G ），通過分子生物學(xué)操作來執(zhí)行計算，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)雜問題的新型計算模式。其核心優(yōu)勢在于高度并行處理能力（數(shù)十億個DNA分子可同時參與運算）和極低的能量消耗，理論上能處理傳統(tǒng)計算機難以解決的NP難問題（如組合優(yōu)化問題）。DNA計算憑借其高并行性和低能耗，為信息處理和復(fù)雜問題解決提供了一種新的范式。

大多數(shù)DNA計算通過鏈置換級聯(lián)進行，其中DNA分支遷移使信號能夠通過邏輯門傳輸。該策略允許可擴展地實現(xiàn)復(fù)雜的計算架構(gòu)，例如4位輸入的平方根運算、算術(shù)邏輯單元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。然而，大多數(shù)此類計算模式需要由正交反應(yīng)單元構(gòu)建的邏輯門網(wǎng)絡(luò)，這需要大量精心設(shè)計的序列和結(jié)構(gòu)。隨著計算任務(wù)復(fù)雜度的增加，反應(yīng)設(shè)計可能變得繁瑣，確保正交性和最小化信號泄漏可能具有挑戰(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)健康中心的研究團隊描述了一種基于CRISPR技術(shù)的DNA計算和數(shù)字顯示策略。利用CRISPR-Cas12a系統(tǒng)能夠特異性地識別合成DNA靶標作為輸入，并能夠直接實現(xiàn)基于真值表或查找表的輸入-輸出對應(yīng)關(guān)系，這是通過引入與靶標對應(yīng)的CRISPR RNA（crRNA）實現(xiàn)的。合成DNA靶標序列編碼一系列二進制輸入位。每個DNA靶標都有一個互補的crRNA，當靶標存在時，crRNA會專門觸發(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一的關(guān)系，從而實現(xiàn)多級邏輯實現(xiàn)（參考文獻1）。

基于CRISPR的DNA邏輯實現(xiàn)設(shè)計原理。

（a）當CRISPR-Cas12a的crRNA識別dsDNA靶標時，由于CRISPR-Cas12a的反式切割活性，ssDNA-FQ熒光報告基因被切割。

（b）crRNA-dsDNA靶標識別的特異性。反式切割活性僅發(fā)生在完全匹配的crRNA-dsDNA靶標對中，并產(chǎn)生與半匹配和完全不匹配的crRNA-dsDNA靶標對不同的強熒光發(fā)射。

（c）基于CRISPR的AND邏輯。真值表顯示，AND邏輯的實現(xiàn)需要在輸出管中放置單個分子種類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）通過在輸出管中編程crRNA分子，實現(xiàn)基于CRISPR的DNA計算，實現(xiàn)基本邏輯NAND、NOR、XOR和XNOR。對于NAND邏輯，添加了crRNA-00、01和10。對于NOR邏輯，添加了crRNA-00。對于XOR邏輯，添加了crRNA-01和10。對于XNOR邏輯，添加了crRNA-00和11。

利用該系統(tǒng)，研究團隊演示了一個執(zhí)行平方和立方運算的兩位計算器。此外，我們引入了序列依賴的手柄開關(guān)反應(yīng)，該反應(yīng)選擇性地導(dǎo)致靶標屏蔽和CRISPR活性抑制，作為擴展輸入大小的潛在方法。具體來說，通過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計算結(jié)果。所開發(fā)的基于CRISPR的DNA計算方法可以執(zhí)行復(fù)雜的算術(shù)任務(wù)以及信息解碼，并且實現(xiàn)方案簡單、速度快，并且只需要少量的寡核苷酸種類。

基于CRISPR的紙基微流控芯片上的DNA計算和數(shù)字顯示。

（a）在紙基計算器上用CRISPR實現(xiàn)2位平方運算。蠟印紙質(zhì)計算器有七個矩形段（a?g），可以用凍干的CRISPR反應(yīng)進行編程。

（b）在熒光成像系統(tǒng)中可視化平方和立方運算的數(shù)字結(jié)果。對于平方計算器，當輸入范圍為0到3（2位）時，只有crRNA參與計算。當輸入范圍為4到7（3位）時，使用基于手柄開關(guān)的輸入擴展策略。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)中可視化平方根計算的部分數(shù)字結(jié)果。輸入范圍從0到7（3 位），計算器是根據(jù)手柄開關(guān)反應(yīng)設(shè)計的。完整結(jié)果見圖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地觀察到DNA計算的結(jié)果，特別是在不同輸入條件下的熒光信號變化。通過熒光成像技術(shù)，研究人員可以清晰地看到在允許條件下（輸入匹配）目標基因的高表達，而在非允許條件下（輸入不匹配）基因表達的顯著降低。

ChemiDoc MP實現(xiàn)了熒光信號的高靈敏度檢測，即使在低表達水平下也能清晰地觀察到基因表達的變化。通過熒光成像技術(shù)，研究人員可以直觀地評估基因表達的效率和邏輯門的功能狀態(tài)。

Bio-Rad ChemiDoc MP全能型成像系統(tǒng)具有獨特的五通道熒光，波長覆蓋從藍、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。

圖片來源：www.bioradiations.com及參考文獻

如需了解更多關(guān)于Bio-Rad ChemiDoc MP全能型成像系統(tǒng)信息，或報價咨詢，請?zhí)顚懚S碼表單，我們將盡快與您取得聯(lián)系。