Expanding the Rule Set of DNA Circuitry with Associative Toehold Activation

DNA 化学 分支迁移 电子线路 结合属性 集合(抽象数据类型) 生物物理学 生物系统 拓扑(电路) 计算机科学 物理 DNA修复 生物 霍利迪路口 生物化学 数学 量子力学 组合数学 纯数学 程序设计语言
作者
Xi Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:134 (1): 263-271 被引量:163
标识
DOI:10.1021/ja206690a
摘要

Toehold-mediated strand displacement has proven extremely powerful in programming enzyme-free DNA circuits and DNA nanomachines. To achieve multistep, autonomous, and complex behaviors, toeholds must be initially inactivated by hybridizing to inhibitor strands or domains and then relieved from inactivation in a programmed, timed manner. Although powerful and reasonably robust, this strategy has several drawbacks that limit the architecture of DNA circuits. For example, the combination between toeholds and branch migration (BM) domains is 'hard wired' during DNA synthesis thus cannot be created or changed during the execution of DNA circuits. To solve this problem, I propose a strategy called 'associative toehold activation', where the toeholds and BM domains are connected via hybridization of auxiliary domains during the execution of DNA circuits. Bulged thymidines that stabilize DNA three-way junctions substantially accelerate strand displacement reactions in this scheme, allowing fast strand displacement initiated by reversible toehold binding. To demonstrate the versatility of the scheme, I show (1) run-time combination of toeholds and BM domains, (2) run-time recombination of toeholds and BM domains, which results in a novel operation 'toehold switching', and (3) design of a simple conformational self-replicator.
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