22、分子机器人的分子材料技术进展

分子机器人的分子材料技术进展

1. 光响应人工核酸的 DNA 计算

1.1 DNA 计算基础

DNA 被视为分子机器人中设备间传递信息的候选分子。Adleman 等人关注 DNA 作为信息分子的特性，设计了利用 DNA 连接和扩增的计算方法。同时，也有基于 DNA 链置换的非酶逻辑电路被报道，如 Winfree 团队实现的 Seesaw 门逻辑电路，多个逻辑门级联，通过 DNA 链置换交换信息。具体过程为：以双链 DNA 突出的单链部分（toehold）为立足点，另一条单链 DNA 杂交，进行分支迁移，最终形成稳定双链并释放输出链。

1.2 光驱动计算与反应加速

研究团队成功实现了光驱动的二进制计算，并构建了全加器电路，朝着利用光响应人工核酸实现 DNA 计算迈进。当引入光交联剂 3 - 氰基乙烯基咔唑（CNVK）时，DNA 链交换反应可加速约 21 倍。而且，通过改变光照射能量可以控制 DNA 链置换速率。利用研发的光响应人工核酸（如 CNVD 和 CNVL），即使在同一系统中，也能通过光照射实现不同反应速率的 DNA 链置换并级联，有望缩短计算时间并实现输入同步。

1.3 应用前景

自提出基于 DNA 的分子计算约 30 年以来，其作为分子机器人的信息处理机制有多种应用预期。光响应人工核酸能控制 DNA 链置换速度，这是 DNA 计算的基本反应，从而实现全新的计算模型和控制方式。基于此，光响应人工核酸的 DNA 计算可能广泛应用于移动分子机器人的构建。

2. 核酸的正交性

2.1 DNA 的正交性

在数学中，正交性指两个向量垂直交叉且标量