硬核！钱璐璐，唯一通讯发Nature，作者仅2人！

摘要：在人工分子机器领域，寻找一种像ATP或电力那样通用的能源一直是一个重大挑战。尽管DNA曾被用作燃料驱动纳米设备，但每个系统都需要不同的燃料序列，限制了其普适性。过去二十多年来，研究者们虽不断探索，却始终未能找到一种可持续的能源方式，使无酶分子电路能够反复执行复

在人工分子机器领域，寻找一种像ATP或电力那样通用的能源一直是一个重大挑战。尽管DNA曾被用作燃料驱动纳米设备，但每个系统都需要不同的燃料序列，限制了其普适性。过去二十多年来，研究者们虽不断探索，却始终未能找到一种可持续的能源方式，使无酶分子电路能够反复执行复杂计算而不受废物积累的困扰。

近日，加州理工学院钱璐璐教授提出了一种突破性方案：利用热量为DNA逻辑电路和神经网络“充电”。研究表明，通过加热和冷却，可以使酶游离的DNA电路从热力学平衡状态恢复到非平衡的动力学陷阱状态，从而为后续计算提供能量。团队成功构建了包含超过200种分子物种的复杂逻辑电路与神经网络，系统可在几分钟内完成充电，并支持至少16轮连续计算，且无需担心废物积累导致的性能下降。这一策略为分子机器实现迭代计算、无监督学习等高级自主行为奠定了基础。相关论文以“Heat-rechargeable computation in DNA logic circuits and neural networks”为题，发表在Nature上，该论文作者仅2人，钱璐璐教授担任唯一通讯作者，Song Tianqi为论文唯一第一作者。

研究人员首先提出了“热驱动可重用分子电路”的核心概念（图1）。与一次性电路不同，可重用电路通过引入强而灵活的链间连接，使分子在加热后冷却时能够重新形成动力学陷阱，从而复位至初始状态。在DNA层面，他们设计了一种发夹结构门控机制，输入可催化输出释放，而热循环则能重置系统，使其准备好响应新一轮输入。

图1 | 热驱动可重用分子电路的概念。 a. 一次性分子电路。不同颜色的球代表不同单体，输入可催化解离二聚体并释放输出。 b. 可重用分子电路。虚线表示单体间的强柔性连接，热可复位系统至动力学陷阱状态。 c. 一次性DNA催化剂。 d. 可重用DNA催化剂。彩色线条代表DNA链，箭头表示3'端。

为实现高效的催化与重置，团队开发了一种可重用的DNA催化剂（图2）。通过引入单核苷酸凸起循环和额外的趾环结构，他们优化了反应路径，显著加快了信号放大速度，同时保证了高达96%的重置成功率。实验显示，该催化剂在2小时内可实现10倍信号放大，并在输入失活、热循环后成功恢复至基线状态，展现出良好的可重用性。

图2 | 可重用DNA催化剂。 a. 反应路径，箭头粗细表示反应速率。 b. 复位过程中的反应与模拟，黑色为理想反应，灰色为非理想反应。 c,d. 八种设计的复位后荧光分子总浓度与反应完成时间。 e. 关键设计选择。 f. 可重用催化剂的模拟与荧光动力学实验。

在构建更复杂系统时，动力学一致性与级联能力至关重要（图3）。以“赢家通吃”神经网络为例，研究人员发现，不同发夹门之间的动力学差异可通过引入环状趾环来平衡。通过交替使用发夹门和双链门，他们实现了多层催化与化学计量反应的级联，确保了网络在重置后仍能保持准确的模式识别能力。

图3 | 动力学与级联。 a. 双输入“赢家通吃”功能实现。 b,c. 无环趾环与有环趾环的DNA催化剂动力学比较。 d. 复位模拟。 e. 加权求和功能实现。 f,g. 发夹门与双链门的下游级联比较。 h. 催化与化学计量反应交替层实现抽象功能。

为验证系统的可扩展性，团队构建了一个100比特的双记忆“赢家通吃”神经网络，用于识别手写数字“6”和“7”（图4）。该系统包含多达289种不同的DNA链，在单一试管中实现了213种分子的共存。模拟与实验结果表明，即使在十轮连续测试后，网络仍能稳定分类不同输入模式，展现出优异的复位稳健性与系统兼容性。