【人物与科研】上海交通大学医学院韩达研究员团队Angew. Chem.： 可用于分析基因组中多个单碱基突变的DNA分子计算方法

导语

为了处理海量的数据信息，人类的计算能力不断发展，其中的一个发展趋势是计算模式正逐渐从硅基过渡到碳基，从微纳计算芯片过渡到分子计算芯片。利用核酸分子的信息处理能力来代替数字开关的功能，则构成了核酸分子用于信息存储与计算的基本指导思想。

DNA分子计算是一种以分子生物学技术为基础的新型计算方法。它以DNA链来控制数据输入与输出。与传统的电子计算相比，具有较高并行性，在解决复杂问题时，显示出了巨大优势。若将一对DNA分子互补碱基的计算能力理解为1的话，1 uM的DNA序列可以平行计算大约1017的数据。同时，DNA分子具有高密度信息储存的能力，1 g DNA可以在1 cm3的体积中储存约750TB的信息。因此，若结合DNA的平行计算能力和分子识别能力，则可实现精细、智能的分子计算，在需要借助多靶标多参数的复杂分子分型和疾病诊断中有着较大的应用潜力，是当前智能科学领域的研究热点之一。

近日，上海交通大学韩达研究员课题组在DNA分子计算用于临床诊断方面取得重要进展：设计了一套可同时分析基因上多个SNP位点并直接输出结论的技术平台——用于快速鉴定ABO血型基因型。相关成果以“Logical Analysis of Multiple Single-Nucleotide-Polymorphisms with Programmable DNA Molecular Computation for Clinical Diagnostics”为题在线发表于Angewandte Chemie International Edition（DOI: 10.1002/anie.202117658）。

韩达团队简介

韩达研究员实验室团队成立于2018年，主要研究领域包括核酸纳米技术、核酸计算、生物分析传感技术、肿瘤的早期诊断与靶向治疗等，致力于突破现有研究领域所存在的挑战、制造出具有人工智能的核酸器件以应用到未来生命科学与生物医学中。实验室位于上海交通大学医学院附属仁济医院，团队学术氛围浓厚，科研经费充足，仪器设备齐全，待遇优厚可面议。联系邮箱：dahan@sjtu.edu.cn，更多详细信息，请见课题组主页https://www.hanlab.net及课题组微信公众号“交大IMM韩达课题组”。

韩达研究员简介

韩达博士，上海交通大学医学院分子医学研究院研究员，博士生导师。2013年于美国佛罗里达大学（University of Florida）化学系谭蔚泓（中国科学院院士）课题组获博士学位。2014-2018年在美国Intel公司制程研发中心进行芯片制程相关研究。2018年6月加入上海交通大学分子医学研究院，国家级海外高层次人才青年项目入选者，科技部“合成生物学”科技重大专项首席科学家。主要从事生物分析化学与化学生物学研究，以核酸分子工程技术为手段，通过设计和建立核酸分子器件和分子电路，证明其功能的多样化和智能化，并应用于解决蛋白质和细胞分析等生物医学中的难题。课题组成立以来，已在Science、Nat. Nanotechnol.、Nat. Chem.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.等国际权威期刊发表论文多篇。

前沿科研成果

DNA分子计算用于临床诊断

2020年5月，韩达课题组就在Nature Nanotechnology杂志以“Cancer diagnosis with DNA molecular computation”为题在线发表了关于DNA分子计算用于肺癌早期诊断的结果，该研究将机器学习算法模型通过DNA计算在分子水平上实现。通过原位同时分析血清样本中多个miRNA的表达谱，在不需要人工干预和复杂仪器的情况下快速给出肺癌诊断结果，成功将分子计算应用到临床诊断中，为肿瘤的无创分子诊断提供了新途径。近年来，用DNA构建分子计算系统并将其用于解决不同领域的实际应用问题成为国际前沿的研究方向和热点。DNA分子计算具有强大的多标志物平行计算和联合分析能力，可将多个输入信息综合分析后的结论直接输出。

（来源：Angewandte Chemie International Edition）

作为血清学方法的有效补充手段，血型基因分型在临床上具有重要意义。ABO对应基因上存在的多个单核苷酸多态性（Single nucleotide polymorphism，SNP）导致其表型存在多种亚型。将这些SNP位点汇总进行联合分析，可以准确判断血型基因型，避免发生输血反应。

该研究将DNA分子计算策略与“开关电路”反应原理相结合，在不需要人工干预和复杂仪器的情况下，快速实现了5个SNP位点同时分析并输出21种血型基因型组合种。研究人员首先设计了多个SNP位点的原位信号放大和信号转换方法，将SNP位点信息转化为较高浓度的单链DNA信号。随后，设计了基于开关电路原理的DNA分子计算策略，通过多色荧光输出策略实现21种血型基因型的快速鉴别，82例临床实际样本检测与DNA测序法对比准确率达100%。

（来源：Angewandte Chemie International Edition）

韩达研究员课题组正在探索完全自动化的DNA计算系统。通过集成核酸提取、扩增、DNA计算，结果报告在一个平台来实现“样本进结果出”。这种基于DNA计算的自动化平台将提供一种更快速、更准确的方法，为未来的临床诊断提供更多可能。

总结：

该研究成功将DNA分子计算技术应用于多参数联合的临床诊断中，其快捷、简便、精准以及不依赖人工数据分析等优势，预期可为临床更多诊断应用提供技术平台。文章的第一作者是上海交通大学医学院分子医学研究院副研究员张朝，通讯作者是上海交通大学医学院分子医学研究院研究员韩达和同济大学附属肺科医院教授杨洋。

关于人物与科研

今天，科技元素在经济生活中日益受到重视，中国迎来“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在追求创新驱动的大背景下，化学领域国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多优秀课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，携手ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官博、CBG资讯公众号等平台推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注研究、倾听故事、记录风采、发掘精神。欢迎来稿，详情请联系C菌微信号：chembeango101。

CBG资讯一直致力于追踪新鲜科研资讯、解读前沿科研成果。如果你也对科研干货、高校招聘、不定期福利（现金红包、翻译奖励、实验室耗材优惠券等）有兴趣，那么，请长按并识别下图二维码，添加C菌微信（微信号：chembeango101），备注：进群。