許多自組織系統本質上利用了確定性和隨機過程的復雜混合。沒有兩棵樹是完全相同的，因為生長是隨機的，但是紅木可以很容易地與藍花楹分開，因為這兩種樹種遵循不同的遺傳程序。生物有機體中隨機性的價值尚不完全清楚，但有人假設它允許更小的基因組大小 - 因為不是每個細節都必須編碼。隨機性還提供了適應性進化的變化。

與生物學相比，工程學很少利用隨機性的力量來制造復雜的結構。現在，一群加州理工學院的科學家已經證明，分子自組裝的隨機性可以與確定性規則相結合，從DNA中產生復雜的納米結構。這項工作在Lulu Qian生物工程助理教授的實驗室完成，發表在11月28日出版的“自然納米技術”雜志上。

生物使用DNA來存儲遺傳信息，但DNA也可以用作分子工程的強大化學構建塊。構成DNA的四個互補分子，稱為核苷酸，僅以特定方式結合在一起：A與T結合，G與C結合。2006年，加州理工學院生物工程，計算和數學科學以及計算和神經系統研究教授Paul Rothemund（BS '94）發明了一種名為DNA折紙的技術，利用長鏈DNA核苷酸之間的匹配，折疊它們從納米級藝術品到藥物輸送設備，應有盡有。

使用DNA折紙作為構建模塊，研究人員已經制作了更大的DNA納米結構，例如折紙瓷磚的周期性陣列。然而，因為構建塊只是在任何地方重復，所以可以在這些較大結構上形成的圖案的復雜性非常有限。完全確定性的裝配過程 - 控制每個單獨瓷磚的設計及其在陣列中的獨特位置 - 可以產生復雜的圖案，但是這些過程不能很好地擴展。相反，如果僅涉及隨機過程并且陣列的全局特征不受設計規則控制，則不可能產生具有期望特性的復雜圖案而不同時產生大部分被浪費的不期望分子。

“我們一直在尋找具有確定性和隨機性的分子自組裝原則，”錢說。“我們開發了一套簡單的規則，允許DNA瓦片隨機綁定，但只能綁定到特定的受控模式。”該方法涉及在各個瓦片上設計圖案，調制不同瓦片的比例，以及確定在自組裝期間哪些瓦片可以綁定在一起。這導致具有可調統計特性的大規模緊急特征 - 作者稱之為“可編程障礙”的現象。

除了循環之外，團隊還選擇了另外兩個例子，迷宮和樹，以證明這些結構的許多非平凡屬性可以通過簡單的本地規則來控制。他們發現這些例子很有趣，因為循環，迷宮和樹結構在自然界中廣泛存在于多個尺度上。例如，肺是毫米到厘米尺度的樹結構，神經樹突是微米到毫米尺度的樹結構。它們顯示的受控屬性包括分支規則，增長方向，相鄰網絡之間的接近度以及大小分布。

該小組最初的靈感來自經典的Truchet瓷磚，這些瓷磚是方形瓷磚，表面有兩條對角線對稱的DNA弧線。弧形圖案存在兩個旋轉不對稱的取向。允許在陣列中的每個位置隨機選擇兩個瓦片方向，該圖案將繼續通過相鄰瓦片，或者成為各種尺寸的環或者從陣列的邊緣退出。為了在分子尺度上創建Truchet陣列，該團隊使用DNA折紙技術將DNA折疊成方形瓷磚，然后設計這些瓷磚之間的相互作用，以鼓勵它們自組裝成大型二維陣列。

“由于所有分子在自組裝過程中在試管中漂浮時互相撞擊，因此相互作用應足夠弱，以使瓷磚能夠重新排列，避免陷入任何不需要的配置，”Philip Petersen說，錢實驗室的研究生和論文的共同第一作者。“另一方面，相互作用應該足夠具體，因此所需的相互作用總是優于不希望的，虛假的相互作用。”

當使用不同的局部模式標記切片時，會出現不同類型的全局模式。例如，如果每個隨機定向的塊帶有“T”而不是兩個弧，則全局模式是具有分支和循環而不是僅循環的迷宮。如果自組裝規則約束相鄰“T”瓦片的可能相對方向，則可以確保除了單個“根”之外，迷宮中的分支從不接近生成樹的循環。為了探索這些原則的完整普遍性，錢的團隊開發了一種隨機DNA折紙的編程語言。

“使用這種編程語言，設計過程從瓦片和陣列的高級描述開始，可以自動轉換為抽象陣列圖和數值模擬，然后轉移到DNA折紙圖塊設計，包括圖塊如何相互作用最后，我們設計DNA序列，“錢說。“利用這些DNA序列，研究人員可以直接訂購DNA鏈，將它們混合在試管中，等待分子在一夜之間自組裝到設計結構中，并使用原子力顯微鏡獲得結構圖像。 “

該組織的可編程障礙方法具有多種未來應用。例如，它可以用于構建復雜的測試環境，用于更復雜的分子機器人 - 基于DNA的納米級機器，可以在表面上移動，拾取或丟棄蛋白質或其他類型的分子作為貨物，并做出決策關于導航和行動。