2025年4月11日，上海交通大学的王飞副教授和樊春海院士课题组在《Nature Reviews Bioengineering》期刊上发表了一篇名为DNA-based biocomputing circuits and their biomedical applications的综述文章。该论文第一作者是上海交通大学的贾思思。
该文综述了DNA生物计算电路的基本原理，总结了其工程化设计和动态调控的最新进展，并探讨了其在生物医学中的前沿应用。此外，还展望了该领域的关键挑战和未来发展方向，以推动DNA计算技术向临床和生物技术应用的转化。
【主要内容】
图1：DNA计算电路及其生物医学应用发展里程碑
图1展示了自1994年Adleman首次利用DNA解决Hamilton路径问题以来，DNA计算的发展历程。时间轴纵贯30年，涵盖了逻辑电路、神经网络、基因调控、分子诊断、靶向治疗等多个方向，突出了DNA计算从基础研究到临床潜力的演进。图中区分了“电路设计”和“生物医学应用”两个阶段，体现出DNA电路逐步转向实际应用的趋势。
图2：DNA计算单元与电路集成策略
图2系统展示了DNA计算电路的基本组成单元（如开关、逻辑门、放大器、神经元）以及四种主要的电路集成策略：3D自由扩散、表面限制扩散、DNA折纸局部扩散与算法自组装。通过这些策略，不同功能模块可以高效组合，实现从简单信号转化到复杂多层逻辑处理，既支持液相计算，也可用于细胞膜和纳米结构上的空间控制。
图3：DNA电路的时序控制
图3阐述了如何通过分子机制对DNA电路的反应时间进行调控，包括延迟执行（如利用竞争反应抑制输出）、脉冲信号生成（如可降解RNA激活物形成非稳态信号峰值）、以及构建振荡电路（通过DNA分子互生互灭产生周期性波动）。这类时序控制对模拟生物节律和实现高级动态信息处理具有重要意义。
图4：多功能可配置计算系统
图4展示了DNA电路的三种可编程配置方式：① 通过“激活特定单元”构建不同计算线路；② 使用“线路连接分子”将不同功能单元串联组合；③ 借助“算法自组装”动态构建不同逻辑函数的电路。这种模块化设计思想使得DNA计算不再局限于特定任务，而是可复用、可拓展的通用计算平台。
图5：DNA计算电路的生物医学应用
图5汇总了DNA电路在生命医学中的六大典型应用：① 实时活细胞成像（如CRISPR靶点成像）；② 改写细胞内基因表达通路；③ 诱导特定细胞命运（如肿瘤细胞凋亡）；④ 条件触发的精准药物释放；⑤ 基于DNA的无细胞生物传感平台；⑥ 多基因表达分析辅助的疾病分类与诊断。图中强调了DNA电路的高特异性、响应性和生物兼容性在体内外环境中的巨大潜力。
【全文总结】
本文系统综述了基于DNA的生物计算电路的设计原理、集成策略及其生物医学应用。DNA计算电路通过碱基互补配对等分子相互作用实现信息处理，具有高度并行性和良好生物相容性等独特优势。研究表明，通过合理设计开关、逻辑门、放大器和神经元等基本计算单元，并结合三维自由扩散、表面受限扩散、DNA纳米结构定位扩散以及算法组装等集成策略，可构建功能多样的DNA计算系统。这些系统在时序控制方面的突破进一步拓展了其应用潜力。目前，DNA计算电路已在细胞成像、生物传感与诊断、条件性治疗以及内源基因网络重构等领域展现出重要价值。尽管在稳定性、信号保真度和临床转化等方面仍面临挑战，但随着分子工程技术的进步，DNA计算电路有望为精准医学和智能诊疗提供创新解决方案。未来研究应重点关注计算通路的优化、标准化模块的开发以及活体应用的可行性验证等方向。