Programmable autonomous synthesis of single-stranded DNA

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作者
Jocelyn Y. Kishi,Thomas E. Schaus,Nikhil Gopalkrishnan,Feng Xuan,Peng Yin
出处
期刊:Nature Chemistry [Springer Nature]
卷期号:10 (2): 155-164 被引量:215
标识
DOI:10.1038/nchem.2872
摘要

DNA performs diverse functional roles in biology, nanotechnology and biotechnology, but current methods for autonomously synthesizing arbitrary single-stranded DNA are limited. Here, we introduce the concept of primer exchange reaction (PER) cascades, which grow nascent single-stranded DNA with user-specified sequences following prescribed reaction pathways. PER synthesis happens in a programmable, autonomous, in situ and environmentally responsive fashion, providing a platform for engineering molecular circuits and devices with a wide range of sensing, monitoring, recording, signal-processing and actuation capabilities. We experimentally demonstrate a nanodevice that transduces the detection of a trigger RNA into the production of a DNAzyme that degrades an independent RNA substrate, a signal amplifier that conditionally synthesizes long fluorescent strands only in the presence of a particular RNA signal, molecular computing circuits that evaluate logic (AND, OR, NOT) combinations of RNA inputs, and a temporal molecular event recorder that records in the PER transcript the order in which distinct RNA inputs are sequentially detected. Primer exchange reaction (PER) cascades have now been used to grow nascent single-stranded DNA with user-specified sequences following prescribed reaction pathways. PER synthesis occurs in a programmable, autonomous, in situ and environmentally responsive fashion, providing a platform for engineering molecular circuits and devices with a wide range of sensing, monitoring, recording, signal processing and actuation capabilities.
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