合成生物学家和纳米生物学家门正在利用DNA重建，设计由自我组装材料构建的药物释放纳米结构。这些分子期间可感知周围环境，采取恰当的应对策略。如，检测身体环境中的炎症或毒素等。卢冠达团队报道新型基因电路，自动触发癌细胞免疫攻击

虽然这些纳米级应用设备往往涉及数以千计的DNA序列，但目前为止，研究人员还缺乏一种工具让大型单链序列自发生长，然后再尾对尾的互相连接，组合为多功能结构或设备。

今天《Nature Chemistry》发表文章，哈佛威斯生物工程研究所的Peng Yin（尹鹏）团队开发了一种让预先设计的DNA序列自主成长，并沿特定装配路径连接。这为新一代可编程分子器件开发提供了一个可用工具。

为了检验这一名为“引物交换反应（Primer Exchange Reaction，PER)”的新概念。研究人员用它成功设计了一组具有不同功能的设备，如能感知、放大、记录或对环境信号进行合理评估的自我构建DNA折纸和DNA纳米结构。

PER级联的启动需要两个基本组件：一种名为“催化DNA发夹介体（catalytic DNA hairpin mediator）”的单链DNA分子，它是带有短悬垂单链的发卡结构，悬垂部分的目的是捕捉PER级联的第二个组件“引物（primer）”。引物应包含与悬垂结构互补的序列区。

通过一系列的延伸和置换反应，引物被拓展了一段催化发夹介体序列，随后被驱逐出去。重获自由的催化发夹介体再进入下一轮级联进程，或是捕获新引物，或是捕获已被延长过的引物。

过去，一些固定的小序列副本被生产出来后，无法自发地装配形成更大的程序集合。“PEF级联反应器让完整的可编程的分子设备形成成为可能，填补了不同设备之间的兼容性问题，”项目领导人、哈佛医学院系统生物学教授Peng Yin说。“我们的数据显示，PEF在先进合成生物学领域将拥有广泛应用。”

利用新概念，团队目前制造了一系列具有不同应用的PER DNA转录产物，包括大型自组装DNA纳米结构“DNA折纸”和连接了癌症相关的小micro RNA的DNA转录合成物。甚至可产生源于不同触发事件逻辑评估的DNA转录，这一功能与今年8月尹教授团队在《Nature》发表文章提到的RNA计算纳米设备（RNA Ribocomputing Devices）类似。

有趣的是，PER DNA转录物还可以自我催化剪切任意靶RNA，变为在特定分子刺激下扩增的荧光标记探针，以“分子记录器”的身份忠实地反应它们所处环境中的特定分子信号。

由于这些合成路径相当于被给定了任务的分子机器人，在设定温度下该技术非常稳定。这种新方法提供了极大的创作空间。“我们不仅可以通过添加原材料，让相同的DNA序列生长，还能通过简单地改变催化发夹DNA的组成，‘复制粘贴’不同类型的DNA序列，最终产生复杂格局的DNA转录物，”文章一作Jocelyn Kishi说。

原文检索：
Programmable autonomous synthesis of single-stranded DNA  Nature Chemistry doi:10.1038/nchem.2872