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Effective design principles for leakless strand displacement systems

泄漏 冗余(工程) 级联 计算机科学 错误检测和纠正 电子工程 算法 化学 工程类 色谱法 环境工程 操作系统
作者
Boya Wang,Chris Thachuk,Andrew D. Ellington,Erik Winfree,David Soloveichik
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:115 (52) 被引量:111
标识
DOI:10.1073/pnas.1806859115
摘要

Artificially designed molecular systems with programmable behaviors have become a valuable tool in chemistry, biology, material science, and medicine. Although information processing in biological regulatory pathways is remarkably robust to error, it remains a challenge to design molecular systems that are similarly robust. With functionality determined entirely by secondary structure of DNA, strand displacement has emerged as a uniquely versatile building block for cell-free biochemical networks. Here, we experimentally investigate a design principle to reduce undesired triggering in the absence of input (leak), a side reaction that critically reduces sensitivity and disrupts the behavior of strand displacement cascades. Inspired by error correction methods exploiting redundancy in electrical engineering, we ensure a higher-energy penalty to leak via logical redundancy. Our design strategy is, in principle, capable of reducing leak to arbitrarily low levels, and we experimentally test two levels of leak reduction for a core "translator" component that converts a signal of one sequence into that of another. We show that the leak was not measurable in the high-redundancy scheme, even for concentrations that are up to 100 times larger than typical. Beyond a single translator, we constructed a fast and low-leak translator cascade of nine strand displacement steps and a logic OR gate circuit consisting of 10 translators, showing that our design principle can be used to effectively reduce leak in more complex chemical systems.

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