永利材料生物学研究所李江研究员与上海交通大学化学化工学院樊春海院士团队近期发展了一种可工作于活细胞环境的框架核酸状态智能机，可实时分辨环境信号的时间顺序并在多种结构与功能状态间切换，在活细胞中实现了时序信号调控的CRISPR系统的分级输运、基因组定位与基因编辑功能。该成果近日发表于《自然·机器智能》（Nature Machine Intelligence）杂志。
分子机器是指在分子级别能根据外界刺激作出类似机械运动响应的分子（2016年诺贝尔化学奖）。而在活细胞中实现复杂的人工分子智能，尽管对于生物计算、微纳机器人、纳米智能诊疗等领域都具有重要的科学意义和巨大的应用潜力，仍然存在着巨大的挑战。得益于DNA纳米技术的发展，DNA编程的精确动态纳米结构为实现这一目标提供了强大的工具箱。尽管已有若干工作报道了可在活细胞环境中实现智能逻辑运算的DNA分子机器，当前的分子机器设计仍然缺乏类似病毒的时序分辨能力的环境响应性，这限制了它们在生命系统中的调控与应用。
图1. 可响应时序性信号的框架核酸状态机
针对这一挑战性问题，研究团队基于链置换反应介导的框架核酸响应性变构发展了一种可以在多个状态间进行切换的有限状态机（DFSM）（图1）。有限状态机（简称状态机）是一个可以根据外部输入信号在自身有限个状态间进行切换的抽象机器。它的下一个状态不仅取决于外部输入信号，还取决于自身当前的状态。因此，同样的信号组合但不同的输入顺序可能产生不同的状态切换。这赋予了状态机对输入信号的时序分辨能力。本研究所构建的状态机基于一个可以开合的六螺旋框架核酸结构，结构上不同位点有多个“锁”结构，可通过输入DNA链或其他分子“钥匙”引发链置换反应而特异性地打开，从而产生构型转换。并且，不同的钥匙输入顺序可以引发框架核酸状态机产生不同的构型，从而实现对于输入信号时序性的分辨能力。基于该设计，研究团队在活细胞中展示了该状态机响应时序性信号进行CRISPR-Cas9分级递送的能力，实现了受时序信号调控的基因组定位与基因剪切活性（图2）。
图2. 活细胞中框架核酸状态机响应时序性信号实现CRISPR体系的分级递送与目标基因编辑
李江研究员所在的永利材料生物学研究所围绕创新核酸生物材料设计及重要领域应用，开展材料生物基元设计与功能化研究，为生物半导体及芯片制造、疾病诊疗等重要领域提供新材料。这项工作由上海交通大学、转化医学国家重大科技基础设施、永利、中国科学院上海高等研究院、上海应用物理研究所等单位组成的联合团队共同完成，并得到了国家自然科学基金委、科技部等项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s42256-023-00707-4
