DNA计算利用DNA分子的生物化学特性进行信息存储和计算，它将数据编码为DNA序列（ A、T、C、G ），通过分子生物学操作来执行计算，本质上是利用生物分子的并行性和自组装特性解决复杂问题的新型计算模式。其核心优势在于高度并行处理能力（数十亿个DNA分子可同时参与运算）和极低的能量消耗，理论上能处理传统计算机难以解决的NP难问题（如组合优化问题）。DNA计算凭借其高并行性和低能耗，为信息处理和复杂问题解决提供了一种新的范式。
1994年，阿德尔曼（Adleman）提出的DNA计算机原型利用DNA连接酶和聚合酶解决了汉密尔顿路径问题，证明了DNA计算的可行性。之后，各国科学家开始研究，比如2001年以色列团队实现DNA计算机，2002年日本的可编程DNA计算，2011年美国的大规模DNA数据存储，以及近年来在数据存储、生物计算、医学诊断等领域的应用。
大多数DNA计算通过链置换级联进行，其中DNA分支迁移使信号能够通过逻辑门传输。该策略允许可扩展地实现复杂的计算架构，例如4位输入的平方根运算、算术逻辑单元和神经网络。然而，大多数此类计算模式需要由正交反应单元构建的逻辑门网络，这需要大量精心设计的序列和结构。随着计算任务复杂度的增加，反应设计可能变得繁琐，确保正交性和最小化信号泄漏可能具有挑战性。此外，作为有前景的信息编码器，DNA序列在DNA计算方法中很少得到利用。
康涅狄格大学健康中心的研究团队描述了一种基于CRISPR技术的DNA计算和数字显示策略。利用CRISPR-Cas12a系统能够特异性地识别合成DNA靶标作为输入，并能够直接实现基于真值表或查找表的输入-输出对应关系，这是通过引入与靶标对应的CRISPR RNA（crRNA）实现的。合成DNA靶标序列编码一系列二进制输入位。每个DNA靶标都有一个互补的crRNA，当靶标存在时，crRNA会专门触发探针的反式切割。该策略允许在输入和输出之间建立一对一的关系，从而实现多级逻辑实现（参考文献1）。
基于CRISPR的DNA逻辑实现设计原理。
（a）当CRISPR-Cas12a的crRNA识别dsDNA靶标时，由于CRISPR-Cas12a的反式切割活性，ssDNA-FQ荧光报告基因被切割。
（b）crRNA-dsDNA靶标识别的特异性。反式切割活性仅发生在完全匹配的crRNA-dsDNA靶标对中，并产生与半匹配和完全不匹配的crRNA-dsDNA靶标对不同的强荧光发射。
（c）基于CRISPR的AND逻辑。真值表显示，AND逻辑的实现需要在输出管中放置单个分子种类crRNA-11，CRISPR反应混合物包含CRISPR-Cas12a、反应缓冲液和ssDNA-FQ。这样，target-11能够通过反式切割活性产生输出“1”，而其他target-00、01和10则产生输出“0”。
（d）通过在输出管中编程crRNA分子，实现基于CRISPR的DNA计算，实现基本逻辑NAND、NOR、XOR和XNOR。对于NAND逻辑，添加了crRNA-00、01和10。对于NOR逻辑，添加了crRNA-00。对于XOR逻辑，添加了crRNA-01和10。对于XNOR逻辑，添加了crRNA-00和11。
利用该系统，研究团队演示了一个执行平方和立方运算的两位计算器。此外，我们引入了序列依赖的手柄开关反应，该反应选择性地导致靶标屏蔽和CRISPR活性抑制，作为扩展输入大小的潜在方法。具体来说，通过在纸基微流控芯片上编程CRISPR反应的空间分布模式，可以直接可视化和数字化显示DNA计算结果。所开发的基于CRISPR的DNA计算方法可以执行复杂的算术任务以及信息解码，并且实现方案简单、速度快，并且只需要少量的寡核苷酸种类。
基于CRISPR的纸基微流控芯片上的DNA计算和数字显示。
（a）在纸基计算器上用CRISPR实现2位平方运算。蜡印纸质计算器有七个矩形段（a−g），可以用冻干的CRISPR反应进行编程。
（b）在荧光成像系统中可视化平方和立方运算的数字结果。对于平方计算器，当输入范围为0到3（2位）时，只有crRNA参与计算。当输入范围为4到7（3位）时，使用基于手柄开关的输入扩展策略。芯片尺寸：2.85厘米×2.36厘米。腔室尺寸：0.86厘米×0.12厘米。
（c）在荧光成像系统中可视化平方根计算的部分数字结果。输入范围从0到7（3 位），计算器是根据手柄开关反应设计的。完整结果见图S12。芯片尺寸：2.8厘米×2.36厘米。腔室尺寸：0.86厘米×0.12厘米。点的半径：0.12厘米。
（d）纸基微流控芯片上用于字母显示的“像素”排列。
（e）用 2 位系统显示消息“UCONN”。输入 00、01、10和11分别代表字母“U”、“C”、“O”和“N”。芯片尺寸：3.23×2.77厘米。点的半径：0.16厘米。
在本研究中，ChemiDoc MP成像系统被用于捕获纸基微流控芯片上的荧光图像，以及在不同条件下进行CRISPR反应的荧光成像。ChemiDoc MP的应用使得研究人员能够直观地观察到DNA计算的结果，特别是在不同输入条件下的荧光信号变化。通过荧光成像技术，研究人员可以清晰地看到在允许条件下（输入匹配）目标基因的高表达，而在非允许条件下（输入不匹配）基因表达的显著降低。
ChemiDoc MP实现了荧光信号的高灵敏度检测，即使在低表达水平下也能清晰地观察到基因表达的变化。通过荧光成像技术，研究人员可以直观地评估基因表达的效率和逻辑门的功能状态。
Bio-Rad ChemiDoc MP全能型成像系统具有独特的五通道荧光，波长覆盖从蓝、绿、红到近红外，具备完整的分子成像功能，如核酸凝胶成像、蛋白凝胶成像、Western Blot化学发光成像、WesternBlot多色荧光成像、红外荧光成像及免染成像，甚至具备切胶功能。ChemiDoc MP系统搭载了创新的CCD芯片及光学定焦镜头，保证了成像所必需的灵敏度与分辨率。
图片来源：www.bioradiations.com及参考文献
如需了解更多关于Bio-Rad ChemiDoc MP全能型成像系统信息，或报价咨询，请填写二维码表单，我们将尽快与您取得联系。
