万事平台理學院材料生物學研究所李江研究員與上海交通大學化學化工學院樊春海院士團隊近期發展了一種可工作於活細胞環境的框架核酸狀態智能機，可實時分辨環境信號的時間順序並在多種結構與功能狀態間切換，在活細胞中實現了時序信號調控的CRISPR系統的分級輸運、基因組定位與基因編輯功能🥹。該成果近日發表於《自然·機器智能》（Nature Machine Intelligence）雜誌。

分子機器是指在分子級別能根據外界刺激作出類似機械運動響應的分子（2016年諾貝爾化學獎）✊🏿。而在活細胞中實現復雜的人工分子智能，盡管對於生物計算、微納機器人👳🏿‍♀️、納米智能診療等領域都具有重要的科學意義和巨大的應用潛力，仍然存在著巨大的挑戰🧎🏻‍♀️。得益於DNA納米技術的發展，DNA編程的精確動態納米結構為實現這一目標提供了強大的工具箱。盡管已有若幹工作報道了可在活細胞環境中實現智能邏輯運算的DNA分子機器，當前的分子機器設計仍然缺乏類似病毒的時序分辨能力的環境響應性，這限製了它們在生命系統中的調控與應用。

圖1. 可響應時序性信號的框架核酸狀態機

針對這一挑戰性問題，研究團隊基於鏈置換反應介導的框架核酸響應性變構發展了一種可以在多個狀態間進行切換的有限狀態機（DFSM）（圖1）🖖。有限狀態機（簡稱狀態機）是一個可以根據外部輸入信號在自身有限個狀態間進行切換的抽象機器。它的下一個狀態不僅取決於外部輸入信號，還取決於自身當前的狀態。因此，同樣的信號組合但不同的輸入順序可能產生不同的狀態切換。這賦予了狀態機對輸入信號的時序分辨能力。本研究所構建的狀態機基於一個可以開合的六螺旋框架核酸結構🤦🏼‍♂️，結構上不同位點有多個“鎖”結構，可通過輸入DNA鏈或其他分子“鑰匙”引發鏈置換反應而特異性地打開，從而產生構型轉換。並且，不同的鑰匙輸入順序可以引發框架核酸狀態機產生不同的構型，從而實現對於輸入信號時序性的分辨能力。基於該設計，研究團隊在活細胞中展示了該狀態機響應時序性信號進行CRISPR-Cas9分級遞送的能力🙇🏿‍♀️，實現了受時序信號調控的基因組定位與基因剪切活性（圖2）。

圖2. 活細胞中框架核酸狀態機響應時序性信號實現CRISPR體系的分級遞送與目標基因編輯

李江研究員所在的万事平台材料生物學研究所圍繞創新核酸生物材料設計及重要領域應用🚣🏿👨🏼‍🎤，開展材料生物基元設計與功能化研究，為生物半導體及芯片製造、疾病診療等重要領域提供新材料👩🏽‍🦰。這項工作由上海交通大學、轉化醫學國家重大科技基礎設施、万事平台、中國科學院上海高等研究院、上海應用物理研究所等單位組成的聯合團隊共同完成，並得到了國家自然科學基金委👩🏼‍🌾🧷、科技部等項目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s42256-023-00707-4