早期检测是减缓埃博拉疫情爆发的关键，例如目前在西非蔓延的疫情，据世界卫生组织最新报告估计，已感染近1000人。研究人员表示，分子计算机有一天可以简化用于诊断埃博拉等生物医学检测的分析。一种新的原型设备可以在埃博拉病毒或密切相关的马尔堡病毒的核酸序列存在时，显示一个荧光字母：“E”代表埃博拉，或“M”代表马尔堡。
一种识别微生物的方法是使用微阵列，其中包含与不同病毒中的DNA或RNA互补的核酸链。对于这些测试，医生会从感染患者的样本中分离并扩增病毒核酸。纯化样本中的核酸与阵列上的核酸结合，产生信号——通常是荧光分子。微阵列上会出现荧光点的图案，然后计算机解释该图案以识别样本中的病毒。
分子逻辑
然而，使用分子计算机的检测可以简化生物医学诊断。这种方法将微阵列表面发生的分子识别与传统上由电子计算机完成的模式识别结合成一个步骤。分子计算机通过DNA、RNA或蛋白质逻辑门的集合进行编程，这些逻辑门与多个分子输入相互作用以生成一个输出。
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一种逻辑门使用脱氧核酶（或DNA酶）将DNA输入转化为荧光标记的DNA输出。当输入核酸与DNA酶上的单链闭环结合时，它会触发环的一端与DNA酶的茎分离。一段称为底物的DNA与茎结合，DNA酶剪切底物。该切割的产物之一是包含荧光染料的短链DNA。由于它与底物另一端的淬灭剂分离，染料现在会发光。
研究人员可以设计DNA酶的结构，使输入失活该门，而其他DNA酶逻辑门则需要输入的组合。科学家将不同类型的分子逻辑门连接成电路，这些电路基于分子输入执行计算。
2006年，当时在美国哥伦比亚大学的乔安妮·麦克唐纳和她的同事创建了一个分子计算机，该计算机使用32个DNA分子和128个DNA酶逻辑门，计算与人类对手进行井字棋游戏的下一步移动。另一个由12个基于DNA的逻辑门组成的电路使用八个输入计算四位二进制数的平方根。分子计算机也可以在细胞内部工作。一个电路感应五种不同微RNA的水平，如果水平与人宫颈癌细胞中通常发现的水平匹配，该电路会产生一种杀死细胞的蛋白质。
清晰的显示
现在，在澳大利亚阳光海岸大学的麦克唐纳和她的同事想知道是否有可能将DNA酶逻辑门连接到可以生成数字或字母的可见显示的电路中。
她的团队设计了逻辑门来响应来自两种丝状病毒（埃博拉和马尔堡）基因组的15个核苷酸片段。存在马尔堡病毒特有的序列触发一个DNA酶门来切割包含绿色荧光染料的底物链。
然而，四种埃博拉病毒株的变异如此之大，以至于它们不共享一个15个核苷酸的序列。这意味着检测埃博拉需要一个稍微复杂的DNA酶门。研究人员设计了一个具有两个环的DNA酶：一个用于检测马尔堡序列，另一个用于检测所有丝状病毒共有的序列，其中包括马尔堡和所有埃博拉病毒株。仅当存在丝状病毒序列，但不存在马尔堡序列时，该门才被激活；激活切割用粉红色荧光染料标记的底物链。
接下来，研究人员使用电路设计程序将两个逻辑门布置在384孔板的15个孔中的每一个中。他们希望该布置能够响应马尔堡输入而生成绿色的“M”。在孔中添加不含马尔堡序列的丝状病毒序列将生成粉红色的“E”。用任何一种输入序列将孔孵育过夜后，研究人员使用紫外线灯箱可视化了相应的字母输出。
麦克唐纳说，她的团队现在正在使用病毒基因组样本而不是合成序列测试DNA酶门。
在另一个实验中，研究人员构建了一个分子计算机，该计算机生成一个七段显示器，类似于数字时钟上的数字。他们使用四个DNA输入的各种组合对数字一到九进行编码。然后，他们创建了一个分子电路，以便当将特定数字的输入添加到孔中时，显示器的相应段会亮起。
哥伦比亚大学的米兰·斯托亚诺维奇说，这项原理验证工作暗示了未来无需计算机读取诊断检测的可能性。他曾是麦克唐纳2004-2012年的博士后导师，但未参与目前的工作。他很高兴看到一个清晰的读数，否则将需要在微阵列上解码复杂的模式，他认为简单的字母数字显示的想法也可以应用于其他类型的分子逻辑。
本文经《化学世界》许可转载。该文章于2014年7月18日首次发表。