科學家們正在尋找使這些可程式設計納米設備在活細胞內穩定運行的方法。如果成功，它們將徹底改變我們在分子層面上與生物互動和控制生物的方式，DNA鏈置換電路逐漸接近成為細胞機器。

《智能計算》雜誌最近發表了一篇題為《從試管到細胞：DNA計算電路的回歸？》（From the Test Tube to the Cell: A Homecoming for DNA Computing?）的評論文章，概述了將DNA計算電路引入活細胞的重大進展。作者描述了由DNA鏈置換反應驅動的動態納米器件如何很快在生物系統內進行實時計算、感知和控制——這為直接與細胞環境相互作用的新一代“分子機器人”打開了大門。

這項技術的核心是DNA鏈置換電路，它是動態DNA納米技術的關鍵組成部分。這些電路採用立足點介導的鏈置換技術：一條進入的DNA鏈與一個稱為立足點的短而暴露的區域結合，然後通過分支遷移取代現有的DNA鏈。

諸如蹺蹺板門和雜交鏈式反應等基礎系統能夠實現複雜的邏輯運算和信號放大，而協同門則需要多個輸入才能產生輸出，從而實現複雜的控制。這些獨立的元件可以組合成更大的網路，類比正式的化學反應路徑。DNA鏈置換技術還可以連接到DNA折紙和DNA組裝等結構納米器件，從而實現受控的形狀變化，並拓展其生物應用範圍。

左側，體外預組裝的DNA電路被遞送至活細胞。右側，RNA前門從染色體或質粒中自主轉錄，然後轉化為功能性RNA電路。無論哪種方式，功能性電路都會感知細胞的轉錄和代謝狀態，並進行信號整合和其他計算，最終啟動轉錄后基因調控等多種生物過程。圖片來源：Hyeyun Jung等人。

據作者稱，“DNA鏈置換反應可由核酸、小分子、蛋白質和離子等生物成分引發。”核酸，例如 DNA 和RNA，可以利用互補的底物設計作為直接輸入，從而應用於轉錄組分析和活細胞監測。輸入檢測可以通過適體實現，適體是一種單鏈核酸序列，能夠以高親和力和特異性與靶標或配體結合。

為了將適體連接到DNA鏈置換模組，已經開發了各種方法，例如結構轉換適體，關聯立足點，隱藏立足點，遠端立足點，暫態立足點，化學連接，金屬立足點和DNA酶，以確保從生物靶標到下游電路的精確信號轉導。

目前，DNA鏈置換主要在體外應用，其在體內的應用面臨著諸多挑戰，例如DNA降解酶的快速降解。為了增強穩定性，研究人員探索了諸如髮夾結構和蛋白質結合位點等末端保護結構修飾，以及2'-O-甲基化等化學修飾。

由於大多數細胞天生排斥DNA，因此將這些納米裝置遞送到細胞內需要專門的技術，例如轉染方法和轉化方案。一旦進入細胞，鹽濃度、分子擁擠和異質環境等細胞因素都會影響鏈置換反應。為了克服直接遞送的局限性，研究人員還在開發編碼到質粒或染色體中的可轉錄RNA納米裝置，從而使細胞能夠表達這些電路。

DNA鏈置換已被應用於計算模型的創新。通過將計算原理與DNA鏈置換相結合，傳統計算的結構化演算法可以與生物系統中的隨機生化過程和化學反應相結合，從而實現生物相容性的計算模型。未來，DNA鏈置換技術或許能夠使自主行動的DNA納米機器精確操控生物過程，從而推動醫療保健和生命科學研究的飛躍發展。

編譯自/ScitechDaily