近日，化學(xué)化工學(xué)院高中鋒副教授與中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）夏帆教授、湖南大學(xué)柯國梁教授合作在Science 子刊《Science Advances》上發(fā)表題為 “Enthalpy and entropy synergistic regulation–based programmable DNA motifs for biosensing and information encryption”的研究論文 （Science Advances, 2023, 9, eadf5868）。

基于DNA的人工信息學(xué)系統(tǒng)具有高密度、高精度、低成本、易合成和大規(guī)模并行計(jì)算等優(yōu)勢，已初步實(shí)現(xiàn)了在信息加密、身份驗(yàn)證和數(shù)字簽名等領(lǐng)域中的應(yīng)用。然而，從化學(xué)熱力學(xué)的角度來看，這些DNA器件大多依賴于單一的焓調(diào)控模式，忽略了熵的影響，使得系統(tǒng)具有較大的能量波動窗口，導(dǎo)致性能難以預(yù)測并出現(xiàn)信息偏差。因此，開發(fā)一種精確可調(diào)的DNA器件用于信息加密至關(guān)重要。  

受蛋白質(zhì)內(nèi)在無序折疊構(gòu)型啟發(fā)，高中鋒副教授報(bào)道了一種熵與焓協(xié)同調(diào)控的pH響應(yīng)型DNA motif器件，用于生物傳感和信息加密。通過改變莖環(huán)DNA的環(huán)上堿基個數(shù)，實(shí)現(xiàn)了分子熵的精確調(diào)節(jié)；通過改變莖上A⁺/C堿基錯配個數(shù)，實(shí)現(xiàn)了分子焓的精確調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)探究了熵變和焓變協(xié)同調(diào)節(jié)機(jī)制，提出了DNA器件設(shè)計(jì)規(guī)則。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了糖尿病患者臨床血樣檢測。進(jìn)一步發(fā)展分子布爾邏輯計(jì)算系統(tǒng)，將體系的邏輯語言結(jié)合密碼學(xué)中非對稱信息加密策略，用于多種信息隱寫，實(shí)現(xiàn)了地理位置（“Maldives”）和莎士比亞《哈姆雷特》中經(jīng)典名句（“To be, or not to be, that is the question”）的存儲加密。這項(xiàng)工作促進(jìn)了DNA納米材料未來在分析傳感、信息存儲、編碼和加密等領(lǐng)域的發(fā)展，在化學(xué)熱力學(xué)尺度上為精確調(diào)控DNA器件的響應(yīng)特性提供了理論基礎(chǔ)。該項(xiàng)研究由濟(jì)南大學(xué)為第一完成單位，我校化學(xué)化工學(xué)院高中鋒副教授與中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）夏帆教授、湖南大學(xué)柯國梁教授為論文的共同通訊作者。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、面上項(xiàng)目等資助。

高中鋒，西南大學(xué)博士、華中科技大學(xué)博士后，現(xiàn)任濟(jì)南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域?yàn)榛贒NA納米技術(shù)、邏輯傳感與界面檢測。在國際學(xué)術(shù)期刊Science Advances, Nature Protocols, Chem, National Science Review, NPG Asia Mater., Analytical Chemistry, Biosensors Bioelectronics等發(fā)表SCI論文40余篇，申請專利3項(xiàng)，參編專著2部。先后承擔(dān)國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年科學(xué)基金，山東省自然科學(xué)基金，中國博士后科學(xué)基金等多項(xiàng)科研項(xiàng)目，獲濟(jì)南市優(yōu)秀科技工作者稱號、獲山東省循環(huán)經(jīng)濟(jì)科學(xué)技術(shù)獎三等獎?，F(xiàn)兼任中國青年科技工作者協(xié)會會員、SCI雜志Technology in Cancer Research & Treatment 副主編（Associate Editor）、Frontiers in Chemistry副主編（Associate Editor）、《分析試驗(yàn)室》青年編委。

撰稿：高中鋒        編輯：趙華磊        編審：賈海寧