DNAzyme-Based Dissipative DNA Strand Displacement for Constructing Temporal Logic Gates

耗散系统 脱氧核酶 模块化设计 DNA纳米技术 纳米技术 DNA 生物系统 物理 计算机科学 材料科学 化学 生物 量子力学 生物化学 操作系统
作者
Minghao Hu,Xiaolong Li,Jiani Wu,Mengyao Yang,Tongbo Wu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (3): 2184-2194 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c09506
摘要

Toehold-mediated DNA strand displacement is the foundation of dynamic DNA nanotechnology, encompassing a wide range of tools with diverse functions, dynamics, and thermodynamic properties. However, a majority of these tools are limited to unidirectional reactions driven by thermodynamics. In response to the growing field of dissipative DNA nanotechnology, we present an approach: DNAzyme-based dissipative DNA strand displacement (D-DSD), which combines the principles of dynamic DNA nanotechnology and dissipative DNA nanotechnology. D-DSD introduces circular and dissipative characteristics, distinguishing it from the unidirectional reactions observed in conventional strand displacement. We investigated the reaction mechanism of D-DSD and devised temporal control elements. By substituting temporal components, we designed two distinct temporal AND gates using fewer than 10 strands, eliminating the need for complex network designs. In contrast to previous temporal logic gates, our temporal storage is not through dynamics control or cross-inhibition but through autoregressive storage, a more modular and scalable approach to memory storage. D-DSD preserves the fundamental structure of toehold-mediated strand displacement, while offering enhanced simplicity and versatility.
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