生物分子计算是计算机科学与分子生物学的交叉融合新兴研究领域。其中DNA计算已经成为在分子尺度下的化学系统中实现可编程行为的一种新的手段。实现可以倍数变化检测广泛存在于各种生物体的感觉系统中，使生命体能够快速适应环境。近日，华东师范大学的裴昊教授课题组和朱通教授合作，以toehold介导的DNA链置换反应为基本机制，将DNA分子作为“计算硬件”来执行化学程序，设计构建了基于非相干前馈回路模型的无酶DNA电路以实现倍数变化检测。

非相干前馈回路是阐明倍数变化检测潜在机制的电路之一。非相干前馈回路由三部分组成：调节器X，由X激活的输出Y，及由X激活的抑制器Z。该研究团队以非相干前馈回路为数学模型在分子水平上搭建无酶DNA电路，以实现倍数变化检测。以DNA链置换反应的理论框架为基础构建数学模型以将分子电路映射至化学反应网络中，以单元反应的速率常数为模型参数，其复杂动力学行为可通过20个常微分方程进行描述，以在理论上指导分子电路的合成设计。通过实验测量并拟合获得化学反应网络中每个基本DNA链置换反应的二级反应速率常数，以修正模型的动力学参数。基于理论模拟与实验验证发现当分子物种F与U浓度比大于1.4时，该分子电路具备近似倍数变化检测性质。

倍数变化检测的一个关键特性是能够在宽信号范围内调节响应灵敏度。在选择模型预测的合适参数后，该研究团队进一步测试了DNA电路在不同初始浓度的多轮输入下的响应情况，对于首次输入分别为100，10和1 nM，选择分子物种F与U浓度比率分别为1.6，1.8与2.0时，实验结果显示多次输入的添加仍可在电路中引起类似的响应，表明电路具备近似倍数变化检测的特性。该可完成倍数变化检测的无酶DNA电路的成功设计构建有望为实现嵌入核酸分子程序的人工合成细胞的时空控制开辟新的可能性。