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研究背景

隨著科技的進步和對生物系統深入理解的不斷深化，人們越來越關注生物系統中復雜的拓撲結構和其在信息處理中的重要作用。生物體內存在著諸如大腦神經網絡和染色質組織中的高超結構，這些結構依賴于各種拓撲轉換來動態調整節點之間的連接，從而實現功能上的適應性和效率。然而，如何在合成的分子尺度上構建能夠模仿這些復雜拓撲轉換并具有高度功能的人工結構，是一個迫切需要解決的挑戰。

在現有的合成生物學領域中，DNA納米技術的發展提供了一個強大的工具箱，能夠精確地構建各種拓撲異構體納米結構。DNA折紙技術，作為一種典型的DNA納米技術，已被廣泛用于構建從一維帶狀物到三維具有預定形狀的物體的復雜結構。然而，目前的挑戰在于如何利用這些技術來實現動態的拓撲轉換，從而使得這些人工結構能夠像生物系統一樣，在信息傳遞和處理中展現出高度的靈活性和效率。

總結展望

為了解決這一問題，華東師范大學裴昊以及上海交通大學樊春海院士合作在Nature Chemistry期刊上發表了題為“Encoding signal propagation on topology-programmed DNA origami”的最新論文。本研究致力于開發一種系統的分子實現拓撲操作的方法。研究團隊通過“粘接-切割”過程，基于多重雜交和鏈置換反應，設計并構建了一種拓撲編程的DNA折紙系統。這些折紙結構能夠通過拓撲操作全局地改變其構形，例如從二維折紙到三維折紙再到二維折紙的連續轉換。研究團隊利用整數拓撲不變量如虧格、邊界組分數量和可定向性來表征這些結構的拓撲特性的變化，并展示了如何通過這些操作實現對結構的動態調整。

具體而言，通過在2D折紙的不同部位粘接DNA鏈的端部，研究團隊成功實現了包含可定向或非定向表面的3D折紙結構。這些結構不僅展示了復雜的拓撲變換，還作為動態支架，用于探索空間和時間上的信號傳播。通過空間排列具有反應性的DNA發夾，研究團隊演示了在3D折紙的曲面上不同長度、方向和曲率的傳輸路徑上的信號傳播。此外，研究團隊還利用拓撲變換誘導的鏈置換級聯在接近位置進行分子控制，進一步構建了多功能的可重編程雙軌電路，允許在折紙拓撲變換時重新連接局部電路元件，從而啟動不同的信號傳播路徑。

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研究亮點

（1）本文首次實現了基于DNA折紙的拓撲編程系統，通過”粘接-切割”過程進行拓撲操作，實現了全局結構的連續變化。

（2）實驗通過多重雜交和鏈置換反應，成功實現了DNA折紙結構的拓撲連續轉換，包括從二維折紙到三維折紙再到二維折紙的轉變。作者使用整數拓撲不變量如虧格、邊界組分數量和可定向性來表征這些拓撲結構的變化，驗證了拓撲連續轉換的有效性。

（3）此外，作者展示了通過空間排列反應性DNA發夾，在三維折紙的曲面上實現了信號傳播路徑的可編程控制，跨越不同長度、方向和曲率的傳輸路徑。

（4）進一步地，利用拓撲變換誘導的鏈置換級聯在接近位置進行分子控制，構建了多功能可重編程雙軌電路，允許在折紙拓撲變換時重新連接局部電路元件，以實現不同的信號傳播路徑。這些結果表明，作者的方法為制造能夠在可編程控制下執行復雜拓撲轉換的動態DNA折紙納米結構提供了通用途徑。

圖文解讀

圖1：DNA折紙系統的拓撲變換。

圖2. 可重構拓撲DNA折紙的設計和可視化

圖3. 具有橢球或雙曲面配置的三維折紙。

圖4：通過曲面上的分子線，實現了信號傳播。

圖5：可重構DNA折紙上的多用途雙軌門。

結論展望

以上研究揭示了利用DNA納米技術實現復雜拓撲操作的新途徑，這對于仿生學和分子計算領域具有重要的價值。通過多重鏈置換和雜交步驟，研究團隊成功地在分子水平上實施了“粘接-切割”過程，從而能夠精確控制DNA折紙結構的大小、形狀和拓撲特性。這一研究不僅拓展了DNA納米技術在構建復雜拓撲結構方面的應用，還展示了在控制精準拓撲轉換過程中的高度可編程性和可配置性。

此外，通過演示拓撲編程的DNA折紙在分子電路元素排列中的應用，研究為設計和實現多功能邏輯計算提供了新思路。這些成果促進了分子系統的復雜動態行為研究，進一步推動了納米技術在生物學和信息科學交叉領域的前沿探索，為未來發展具有高度動態和可控性的分子結構提供了理論和實驗基礎。

文獻信息

Ji, W., Xiong, X., Cao, M. et al. Encoding signal propagation on topology-programmed DNA origami. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01565-2

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