點擊領取-->?

在人工分子機器領域，尋找一種像ATP或電力那樣通用的能源一直是一個重大挑戰(zhàn)。盡管DNA曾被用作燃料驅(qū)動納米設備，但每個系統(tǒng)都需要不同的燃料序列，限制了其普適性。過去二十多年來，研究者們雖不斷探索，卻始終未能找到一種可持續(xù)的能源方式，使無酶分子電路能夠反復執(zhí)行復雜計算而不受廢物積累的困擾。

近日，加州理工學院錢璐璐教授提出了一種突破性方案：利用熱量為DNA邏輯電路和神經(jīng)網(wǎng)絡“充電”。研究表明，通過加熱和冷卻，可以使酶游離的DNA電路從熱力學平衡狀態(tài)恢復到非平衡的動力學陷阱狀態(tài)，從而為后續(xù)計算提供能量。團隊成功構(gòu)建了包含超過200種分子物種的復雜邏輯電路與神經(jīng)網(wǎng)絡，系統(tǒng)可在幾分鐘內(nèi)完成充電，并支持至少16輪連續(xù)計算，且無需擔心廢物積累導致的性能下降。這一策略為分子機器實現(xiàn)迭代計算、無監(jiān)督學習等高級自主行為奠定了基礎。相關(guān)論文以“Heat-rechargeable computation in DNA logic circuits and neural networks”為題，發(fā)表在Nature上，該論文作者僅2人，錢璐璐教授擔任唯一通訊作者，Song Tianqi為論文唯一第一作者。

研究人員首先提出了“熱驅(qū)動可重用分子電路”的核心概念（圖1）。與一次性電路不同，可重用電路通過引入強而靈活的鏈間連接，使分子在加熱后冷卻時能夠重新形成動力學陷阱，從而復位至初始狀態(tài)。在DNA層面，他們設計了一種發(fā)夾結(jié)構(gòu)門控機制，輸入可催化輸出釋放，而熱循環(huán)則能重置系統(tǒng)，使其準備好響應新一輪輸入。

圖1 | 熱驅(qū)動可重用分子電路的概念。 a. 一次性分子電路。不同顏色的球代表不同單體，輸入可催化解離二聚體并釋放輸出。 b. 可重用分子電路。虛線表示單體間的強柔性連接，熱可復位系統(tǒng)至動力學陷阱狀態(tài)。 c. 一次性DNA催化劑。 d. 可重用DNA催化劑。彩色線條代表DNA鏈，箭頭表示3'端。

為實現(xiàn)高效的催化與重置，團隊開發(fā)了一種可重用的DNA催化劑（圖2）。通過引入單核苷酸凸起循環(huán)和額外的趾環(huán)結(jié)構(gòu)，他們優(yōu)化了反應路徑，顯著加快了信號放大速度，同時保證了高達96%的重置成功率。實驗顯示，該催化劑在2小時內(nèi)可實現(xiàn)10倍信號放大，并在輸入失活、熱循環(huán)后成功恢復至基線狀態(tài)，展現(xiàn)出良好的可重用性。

圖2 | 可重用DNA催化劑。 a. 反應路徑，箭頭粗細表示反應速率。 b. 復位過程中的反應與模擬，黑色為理想反應，灰色為非理想反應。 c,d. 八種設計的復位后熒光分子總濃度與反應完成時間。 e. 關(guān)鍵設計選擇。 f. 可重用催化劑的模擬與熒光動力學實驗。

在構(gòu)建更復雜系統(tǒng)時，動力學一致性與級聯(lián)能力至關(guān)重要（圖3）。以“贏家通吃”神經(jīng)網(wǎng)絡為例，研究人員發(fā)現(xiàn)，不同發(fā)夾門之間的動力學差異可通過引入環(huán)狀趾環(huán)來平衡。通過交替使用發(fā)夾門和雙鏈門，他們實現(xiàn)了多層催化與化學計量反應的級聯(lián)，確保了網(wǎng)絡在重置后仍能保持準確的模式識別能力。

圖3 | 動力學與級聯(lián)。 a. 雙輸入“贏家通吃”功能實現(xiàn)。 b,c. 無環(huán)趾環(huán)與有環(huán)趾環(huán)的DNA催化劑動力學比較。 d. 復位模擬。 e. 加權(quán)求和功能實現(xiàn)。 f,g. 發(fā)夾門與雙鏈門的下游級聯(lián)比較。 h. 催化與化學計量反應交替層實現(xiàn)抽象功能。

為驗證系統(tǒng)的可擴展性，團隊構(gòu)建了一個100比特的雙記憶“贏家通吃”神經(jīng)網(wǎng)絡，用于識別手寫數(shù)字“6”和“7”（圖4）。該系統(tǒng)包含多達289種不同的DNA鏈，在單一試管中實現(xiàn)了213種分子的共存。模擬與實驗結(jié)果表明，即使在十輪連續(xù)測試后，網(wǎng)絡仍能穩(wěn)定分類不同輸入模式，展現(xiàn)出優(yōu)異的復位穩(wěn)健性與系統(tǒng)兼容性。

圖4 | 可重用的100比特雙記憶贏家通吃神經(jīng)網(wǎng)絡。 a. 抽象電路圖、DNA實現(xiàn)與鏈數(shù)量。 b. 復位模擬。 c. 系統(tǒng)可重用性測試步驟。 d. 十組MNIST數(shù)字的加權(quán)和分析。 e. 連續(xù)十組測試模式的模擬與實驗熒光動力學。

進一步地，研究人員展示了該架構(gòu)的通用性（圖5）。他們設計了可重用的閾值門，并與催化劑結(jié)合，實現(xiàn)了信號在多層級電路中的恢復。通過優(yōu)化復位溫度序列，邏輯門在多次使用后仍能保持穩(wěn)定的ON/OFF輸出狀態(tài)。

圖5 | 可重用邏輯門。 a. 帶信號恢復的雙輸入邏輯門實現(xiàn)。 b. 復位反應與模擬。 c,d. OR門與AND門在復位前后的模擬與實驗。

最后，為驗證邏輯門的組合能力，團隊構(gòu)建了一個七層DNA電路，用于生成斐波那契詞的前16位元素（圖6）。該電路在連續(xù)16輪計算中表現(xiàn)出高度一致的性能，歷經(jīng)640小時與15次復位后仍能可靠響應，證明了該架構(gòu)在實現(xiàn)復雜、可持續(xù)分子計算方面的潛力。

圖6 | 可重用邏輯門的組合性。 a. 生成斐波那契詞前16元素的三層電路。 b. 抽象電路與DNA實現(xiàn)。 c. 16輪計算中的電路性能一致性。

這項研究不僅首次實現(xiàn)了以熱為能源的可重啟分子計算系統(tǒng)，還為未來開發(fā)能在自然環(huán)境中自主學習與適應的智能分子機器鋪平了道路。研究者展望，未來可結(jié)合模板化合成過程，實現(xiàn)選擇性復位與持續(xù)學習，使分子機器在無人干預的情況下不斷進化，邁向真正的化學智能時代。

來源：高分子科學前沿。

現(xiàn)在注冊滴滴順風車，完成首單有50元獎勵！

回復【A01】領取85本哈佛商學院必讀書單