早期檢測是減緩埃博拉疫情爆發的關鍵，例如目前在西非蔓延的疫情，據世界衛生組織最新報告估計，已感染近1000人。研究人員表示，分子計算機有一天可以簡化用於診斷埃博拉等生物醫學檢測的分析。一種新的原型裝置可以在埃博拉病毒或密切相關的馬爾堡病毒的核酸序列存在時，顯示一個熒光字母：“E”代表埃博拉，或“M”代表馬爾堡。
一種識別微生物的方法是使用微陣列，其中包含與不同病毒中的DNA或RNA互補的核酸鏈。對於這些測試，醫生會從感染患者的樣本中分離並擴增病毒核酸。純化樣本中的核酸與陣列上的核酸結合，產生訊號——通常是熒光分子。微陣列上會出現熒光點的圖案，然後計算機解釋該圖案以識別樣本中的病毒。
分子邏輯
然而，使用分子計算機的檢測可以簡化生物醫學診斷。這種方法將微陣列表面發生的分子識別與傳統上由電子計算機完成的模式識別結合成一個步驟。分子計算機透過DNA、RNA或蛋白質邏輯閘的集合進行程式設計，這些邏輯閘與多個分子輸入相互作用以生成一個輸出。
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一種邏輯閘使用脫氧核酶（或DNA酶）將DNA輸入轉化為熒游標記的DNA輸出。當輸入核酸與DNA酶上的單鏈閉環結合時，它會觸發環的一端與DNA酶的莖分離。一段稱為底物的DNA與莖結合，DNA酶剪下底物。該切割的產物之一是包含熒光染料的短鏈DNA。由於它與底物另一端的淬滅劑分離，染料現在會發光。
研究人員可以設計DNA酶的結構，使輸入失活該門，而其他DNA酶邏輯閘則需要輸入的組合。科學家將不同型別的分子邏輯閘連線成電路，這些電路基於分子輸入執行計算。
2006年，當時在美國哥倫比亞大學的喬安妮·麥克唐納和她的同事建立了一個分子計算機，該計算機使用32個DNA分子和128個DNA酶邏輯閘，計算與人類對手進行井字棋遊戲的下一步移動。另一個由12個基於DNA的邏輯閘組成的電路使用八個輸入計算四位二進位制數的平方根。分子計算機也可以在細胞內部工作。一個電路感應五種不同微RNA的水平，如果水平與人宮頸癌細胞中通常發現的水平匹配，該電路會產生一種殺死細胞的蛋白質。
清晰的顯示
現在，在澳大利亞陽光海岸大學的麥克唐納和她的同事想知道是否有可能將DNA酶邏輯閘連線到可以生成數字或字母的可見顯示的電路中。
她的團隊設計了邏輯閘來響應來自兩種絲狀病毒（埃博拉和馬爾堡）基因組的15個核苷酸片段。存在馬爾堡病毒特有的序列觸發一個DNA酶門來切割包含綠色熒光染料的底物鏈。
然而，四種埃博拉病毒株的變異如此之大，以至於它們不共享一個15個核苷酸的序列。這意味著檢測埃博拉需要一個稍微複雜的DNA酶門。研究人員設計了一個具有兩個環的DNA酶：一個用於檢測馬爾堡序列，另一個用於檢測所有絲狀病毒共有的序列，其中包括馬爾堡和所有埃博拉病毒株。僅當存在絲狀病毒序列，但不存在馬爾堡序列時，該門才被啟用；啟用切割用粉紅色熒光染料標記的底物鏈。
接下來，研究人員使用電路設計程式將兩個邏輯閘佈置在384孔板的15個孔中的每一箇中。他們希望該佈置能夠響應馬爾堡輸入而生成綠色的“M”。在孔中新增不含馬爾堡序列的絲狀病毒序列將生成粉紅色的“E”。用任何一種輸入序列將孔孵育過夜後，研究人員使用紫外線燈箱可視化了相應的字母輸出。
麥克唐納說，她的團隊現在正在使用病毒基因組樣本而不是合成序列測試DNA酶門。
在另一個實驗中，研究人員構建了一個分子計算機，該計算機生成一個七段顯示器，類似於數字時鐘上的數字。他們使用四個DNA輸入的各種組合對數字一到九進行編碼。然後，他們建立了一個分子電路，以便當將特定數字的輸入新增到孔中時，顯示器的相應段會亮起。
哥倫比亞大學的米蘭·斯托亞諾維奇說，這項原理驗證工作暗示了未來無需計算機讀取診斷檢測的可能性。他曾是麥克唐納2004-2012年的博士後導師，但未參與目前的工作。他很高興看到一個清晰的讀數，否則將需要在微陣列上解碼複雜的模式，他認為簡單的字母數字顯示的想法也可以應用於其他型別的分子邏輯。
本文經《化學世界》許可轉載。該文章於2014年7月18日首次發表。