DNA作为一种遗传物质广泛用于遗传学相关的研究。具有独立结构及特定非遗传生物学功能的核酸的发现和DNA纳米技术的发展,使得DNA作为一种功能材料广泛应用于生物传感、药物递送等领域。随着对DNA链取代反应研究的深入,动态DNA纳米结构成为了一种十分强大的工具。研究者基于DNA动态纳米结构可设计出复杂的网络行为来操纵分子层面物质的时空分布。细胞行为的调控大多是通过对细胞膜表面受体或配体进行控制实现的,然而基因工程调控受体配体的方法存在一定的局限性,包括技术复杂度高、具有潜在毒性等。DNA动态纳米技术为在纳米尺度上动态控制表面受体提供了强大的工具,在人工调控细胞行为方面具有重要的应用前景。因此,DNA已成为了细胞调控领域的一个新型实用工具。然而,目前使用DNA来调控细胞行为的方法大多是简单的单向一步反应实现的,而生物反应更多是一个复杂的化学反应网络。为了更好地理解这些生物反应,实现人为对更复杂体系的调控,需要设计合适的方法,在细胞层面实现更为复杂的人为定义调控。因此,为了调控细胞层面的反应网络,我们基于功能核酸和DNA链取代反应,将DNA化学反应网络结合到细胞上,最终实现对细胞的行为调控。考虑到复杂的DNA化学反应网络的实现难度,在本文中我们选取三种化学反应网络（级联、逻辑和放大）作为代表,基于功能核酸和DNA链取代反应构建了可扩展的DNA化学反应网络,并将其应用到细胞的行为调控、分泌因子检测等领域。具体研究内容如下:1、构建了可以调控细胞之间信号传递的DNA级联反应网络。我们首先在体外构建了由结合部分、功能部分和toehold部分组成的可扩展DNA链取代模块。通过合理地组合该模块,构建了一个四级的DNA级联反应。根据不同级数的级联反应动力学结果,我们证明了人为输入的信号能通过级联反应逐级向后传递。我们利用功能核酸在不同组的Hep G2细胞上连接DNA级联网络的不同模块。研究结果表明,虽然这种信号在细胞上传递存在一定的损耗,但能实现人为控制信号在两组细胞之间逐级传递。2、构建了可以在多细胞体系中实现可编程细胞筛选的DNA逻辑反应网络,并将其应用于调控细胞信号通路的激活。我们首先在体外构建并优化了AND和NIMPLY两种不同的逻辑网络,经过输入两种不同的信号,逻辑网络可以按人为设计的逻辑响应外界信号,并解除对输出链的封闭,实现荧光的淬灭。以AND逻辑网络为代表,我们利用DNA aptamer的特异性结合功能,将AND逻辑网络逻辑性地结合在表达MUC1和Ep CAM两种细胞膜表面受体的细胞上。而且,仅在两种受体都表达的MCF-7细胞上会发生链取代反应释放预封闭的HGF蛋白,证明可以在一个多个细胞体系中选择性地调控MCF-7细胞的逻辑性行为。3、构建了基于HCR的TNFα原位检测与成像放大反应网络。我们首先在体外构建并验证了HCR放大反应网络的放大效果,实验结果表明实验组信号相对于对照组放大近5倍。以TNFα为检测目标物,我们设计了DNA发卡探针和与之对应的HCR放大网络。经过对HCR放大网络的序列优化,证明了HCR放大反应网络在检测时相对于DNA发卡探针可以实现2倍以上的信背比。我们使用Jurkat细胞和HT1080细胞培养了细胞肿瘤球,并利用本课题组之前构建的CBDDCV重组蛋白,分别将DNA发卡探针和HCR放大网络与肿瘤球结合,可以在肿瘤球上对其分泌的TNFα进行实时原位检测。结果表明该HCR放大网络在肿瘤球体系中相对于DNA发卡探针有两倍以上的放大效果。