受体-配体相互作用在细胞的信号转导,新陈代谢和生长方面发挥着重要的作用。对于不同的细胞或细胞的不同状态,受体的种类和数量存在巨大的差异。虽然一些具有靶向性的分子探针能够可视化细胞膜上受体的分布,甚至实现肿瘤的诊断和靶向治疗,但针对内源性受体,筛选和设计具有正交性的受体-配体相互作用仍然面临着巨大的挑战。DNA链能通过Watson-Crick碱基互补配对原则杂交,并能通过改变碱基的种类和数目设计不同的DNA链。因此该过程具有高度的特异性和可编程性,理论上可以设计无限组正交相互作用对。本工作是通过DNA框架核酸编码并模拟具有正交性的受体-配体相互作用体系,并将该体系应用于细胞的模式识别,多价配体-受体相互作用研究,基于活细胞的细胞计算网络的构建。具体内容如下:第一,通过细胞膜表面DNA编码生物模拟的受体-配体相互作用体系,实现不同细胞的模式识别。胆固醇修饰的单链DNA能够插入细胞膜上,我们将锚定在细胞膜上的DNA链称为人工受体（ADR）。细胞质膜上分布着大量胆固醇,通常集中在与细胞内化作用相关的小窝蛋白结构域和脂筏。我们将带有手臂链的四面体DNA框架核酸（TDF）作为配体,其能通过碱基互补配对与互补的ADR结合。我们对ADR-TDF配体相互作用的正交性进行验证,发现ADR-TDF配体的相互作用具有正交性。受体在细胞膜上的分布通常受内化作用的影响,我们研究了哪个内化途径会对ADR-TDF配体的分布产生影响。发现ADR-TDF配体在细胞上的分布主要受温度和小窝蛋白依赖的内化途径的影响。由于不同细胞膜受体分布的动力学存在差异,从而导致不同ADR-TDF配体相互作用模式。因此,可以通过模式识别的方法,区分不同的细胞系。第二,基于第一部分内容建立的ADR-TDF配体相互作用体系,我们研究了多价的TDF配体与ADR相互作用的关系。带负电的DNA结构通常能与细胞膜表面的清道夫受体（SR）产生相互作用。我们用SR的抑制剂聚肌苷处理细胞后,发现ADR阴性细胞对TDF的内化受到明显的抑制,但ADR阳性细胞对TDF的内化几乎不受影响,表明ADR介导TDF配体的内化独立于天然的SR受体介导TDF配体的内化。通过全内反射显微镜,我们在单分子水平记录下了ADR或SR与TDF配体的相互作用过程。我们发现ADR与TDF配体相互作用的时间明显比SR与TDF配体相互作用的时间长,表明ADR与TDF配体的亲和力更高。TDF配体是三维结构,通过改变手臂链的位置和数量,可以构建价态和取向不同的TDF配体。我们发现价态和取向都会影响TDF配体的内化,价态越高,TDF配体的内化效率更高,并且对位的取向能提高配体的内化效率。利用价态对内化的影响,我们构建了加权运算体系,根据TDF配体的价态和浓度,控制不同价态TDF配体的内化效率。第三,根据ADR-TDF配体系统,构建了细胞计算逻辑线路。我们以活细胞为基质,实现了“与”门和“或”门的逻辑运算。我们根据设计加入作为输入信号的DNA链,当细胞内出现荧光信号时,输出为“1”,否则输出为“0”。我们进一步通过载有阿霉素（Dox）的TDF结构Dox@TDF,实现了根据逻辑线路调控的药物递送。该线路使用“非”门逻辑运算,当没有输入信号时,细胞正常生长,输出为“1”,当有输入信号时,细胞生长受到抑制,输出为“1”。总的来说,利用DNA编码的受体-配体相互作用系统,能够实现细胞的分类,多价相互作用模型和细胞计算线路的构建。相较于基于蛋白质的受体-配体相互作用系统,DNA编码的配体-受体相互作用系统更易设计。该系统有潜力应用于智能的药物递送,细胞计算系统的构建等方面。