基于DNA分子的邏輯門與計算機

1、基于 dna 分子的邏輯門與計算機洋1宋世平2樊春海2俞(1 . 上?？萍脊芾砀刹繉W(xué)院電子信息系 ,上海 201800 ; 2 . 中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 ,上海 201800)摘 要 :本文對基于 dna 分子的邏輯門與計算機研究進行了綜述 。dna 邏輯門與 dna 計算機是目前非?；钴S的研究領(lǐng)域 ,有可能解決電子計算機發(fā)展的瓶頸問題 。本文從 dna 邏輯門的分子基礎(chǔ) 、dna 邏輯門和 dna 計算 機等幾個方面進行了介紹 ,并且對可能的發(fā)展方向作了一些預(yù)期 。關(guān)鍵詞 :dna 邏輯門 計算機 核酶 分子雜交logic gates and computers ba sed on

2、d na moleculesy u yang1so ng shiping2fa n chun ha i2(1 . elect ro n info r matio n depart ment , shanghai instit ute of science & technology management ,shanghai 201800 ;2 . shanghai instit ute of applied physics ,ca s ,shanghai 201800)abstract :in t his paper , t he dna2based logic gates and co mp

3、uters were reviewed. dna logic gates and dna co mp uters are very active research areas at p resent , which may break t hrough t he bot tle2neck of elect ro nic co mp uters in t he f ut ure. the molecular basis of dna logic gates , dna logic gates and dna co mp uters were int roduced in t his paper

4、, and possiblef ut ure directio ns were also p redicted.key words :dna , logic gates , co mp uter , ribozyme , molecular hybridizatio n引言電子計算機在很大程度上改變了人類的生活方 式 ,成為人類進入信息化時代的關(guān)鍵性技術(shù)進步之 一 。然而傳統(tǒng)的集成電路工藝已經(jīng)面臨了嚴峻的挑 戰(zhàn) ,集成電路的發(fā)展已經(jīng)越來越接近技術(shù)所能容許 的極限 ,即電路線寬在 0 . 1 微米以下將達到僅有單 個分子大小的物理學(xué)極限 。而人工智能的實現(xiàn)取決 于計算機電路的密度和復(fù)雜性 ,基于

5、此項原因 ,目前 以半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)的電子電路將難以產(chǎn)生真正的 認知能力 。而生物計算機的誕生和發(fā)展無疑對人工 智能的研究提供了一個可能的選擇 。生物計算機是 一種用生物分子元件組裝成的具有并行數(shù)據(jù)處理 、 三維存儲器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等特征的智能化計算機 ,主 要有蛋白質(zhì)計算機和 dna 計算機 ,其中 dna 計算 機目前的研究較多 。分子運算是實現(xiàn) dna 計算機 的關(guān)鍵 。在傳統(tǒng)的電子計算機設(shè)計中 ,微處理器應(yīng) 用基本邏輯門 (與 、或 、非等) 構(gòu)建能夠執(zhí)行布爾數(shù)學(xué) 邏輯的電子電路 。與此類似 ,在分子運算中一個主 要的目標就是設(shè)計出可尋址的分子邏輯門 。目前 , 在基于電子學(xué)的分子計算機中

6、 ,人們可以應(yīng)用無機 或有機材料構(gòu)建納米級的電子邏輯門 ; 在基于化學(xué) 的電子計算機中 ,也有方法應(yīng)用分子或超分子系統(tǒng)構(gòu)建光學(xué)邏輯門 。這些邏輯門具有共同的輸入輸出信號 (電子和光) ,因而較易實現(xiàn)邏輯門之間的連接 , 從而可以構(gòu)造分子電路 。而邏輯門之間的連接在基 于 dna 的 生 物 計 算 機 中 則 是 一 個 相 對 較 難 的 問 題 。下面將對基于 dna 分子的邏輯門設(shè)計 、邏輯門之間的連接和一些基于 dna 分子的計算機雛形作一介紹 。dna 邏輯門的物質(zhì)基礎(chǔ)dna (脫氧核糖核酸) 是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ) 。 dna 由四種堿基 ( a 、t 、g 和 c) 組合而成 ,

7、并通過 堿基的排列組合存儲生物遺傳信息 。dna 的一個 重要特性是 dna 鏈可以通過堿基互補配對作用形 成雜合的雙鏈雙螺旋結(jié)構(gòu) ,而且配對具有高度的特 異性 ,即 a 只能與 t , g 只能與 c 結(jié)合 。這種特異 性作用是 dna 可用于構(gòu)建邏輯門的基礎(chǔ)之一 。與 dna 不同 ,在生物體內(nèi) rna ( 核糖核酸) 是 以單鏈形式存在的 ,而且往往通過鏈內(nèi)的堿基配對 形成一定的三維結(jié)構(gòu) ,并發(fā)揮特定的生理功能 。與 此類似 ,除了 dna 雙鏈結(jié)構(gòu)可以用于 dna 邏輯門 的構(gòu)建以外 ,特定的核酸結(jié)構(gòu)也是非常有用的構(gòu)造 元件 。核酶 ( ribozyme) 和核酸配體 ( ap tam

8、er) 是現(xiàn) 在受到廣泛關(guān)注的核酸結(jié)構(gòu) ,它們可為 dna ,也可1第 23 頁w w w . globesci . com世界科技研究與發(fā)展專題 :生物工程2006 年 2 月以為 rna , 或者 dna 和 rna 的 雜 合 體 。核 酶 是80 年代初期發(fā)現(xiàn)的具有催化功能的核酸分子 ,具有 高度專一內(nèi)切核酸酶的活性 。與常見的蛋白質(zhì)組成的酶相似 ,核酶能加速細胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng) 。經(jīng)過科 學(xué)家十多年的研究 ,核酶已發(fā)展成為一項廣泛應(yīng)用 于健康和疾病預(yù)防中的新型技術(shù) ,顯示出了廣闊的 應(yīng)用前景 。核酸配體則是完全由人工體外篩選產(chǎn)生 的概念 。受組合化學(xué) 、抗體庫和隨機噬菌體肽庫技術(shù)的啟發(fā)

9、, gold 等于 1990 年構(gòu)建了隨機核酸庫并 從中篩選出與靶蛋白特異結(jié)合的核酸配體 ,這種方 法被 命 名 為 sel ex 技 術(shù) ( systematic evolutio n of ligands by expo nential enrichment 指數(shù)富集的配體 系統(tǒng)進化) 1 3 。其基本原理就是利用分子生物學(xué)技術(shù)構(gòu)建人工合成的約 20 40bp 單鏈隨機寡核苷 酸文庫 ,其容量在 10141015 之間 。由于單鏈隨機 寡核苷 酸 片 段 特 別 是 rna 易 形 成 發(fā) 卡 、口 袋 、假 節(jié) 、g2四聚體等二級結(jié)構(gòu) ,能與蛋白質(zhì) 、核酸 、小肽 、 氨基酸 、有機物

10、,甚至金屬離子結(jié)合 ,形成具有特異性識別作用的復(fù)合物 。利用這一原理 ,將隨機寡核 苷酸文庫與抗原或藥物等靶分子相互作用 ,洗脫篩 選出特異的核酸配體 ,經(jīng) r t2pcr 及體外轉(zhuǎn)錄生成 新的次一級文庫 ,再與靶物質(zhì)結(jié)合 。反復(fù)數(shù)個循環(huán) , 即可篩選出能與靶物質(zhì)特異結(jié)合的寡核苷酸片段 。理論上 ,利用 sel ex 技術(shù)人們可以篩選出針對任 意靶物質(zhì)的配體 ,并應(yīng)用于臨床治療和診斷等領(lǐng)域 。 目前核 酶 已 經(jīng) 被 廣 泛 應(yīng) 用 到 dna 邏 輯 門 的 研 制 中 ,而核酸配體的應(yīng)用還未見報道 ,然而可以預(yù)期隨 著研究的深入 ,由于核酸配體的多樣性和復(fù)雜性 ,可 能在 dna 邏輯門研

11、究中發(fā)揮越來越重要的作用 。素發(fā)生很好的 fr e t ,從而激發(fā)熒光素發(fā)出 520 nm的熒光 。輸出被 定 義 為 在 350 nm 激 發(fā) 時 520 nm處的熒光強度 。因此在輸入 1 和輸入 2 均不存在 時 ,由于只有熒光素存在且不能被 350 nm 的光激發(fā) ,輸 出 為 0 ; 在 僅 有 輸 入 1 存 在 時 , 仍 然 不 存 在hoechst 33342 ,輸出也為 0 ; 在僅有輸入 2 存在時 , 由于 dna 是單鏈 ,而 hoechst 33342 只能與雙鏈結(jié) 合 ,所以 dna 上標記的熒光素與 hoechst 33342 之間也不能發(fā)生很好的 fr e t

12、 ,輸出仍為 0 ; 只有當輸 入 1 和輸入 2 都存在時 ,dna 片斷 1 和片斷 2 發(fā)生 配對形成雙鏈 , hoechst 33342 與雙鏈的小溝區(qū)域結(jié) 合 ,因 而 靠 近 片 斷 1 上 標 記 的 熒 光 素 , 可 以 通 過 fr e t 激發(fā)熒 光 素 的 熒 光 , 使 之 發(fā) 出 520 nm 的 熒光 ,產(chǎn)生輸出 1 。由此可以看出 ,這種組合方式完全 符合“與門”and 的條件 ,即當且僅當兩個輸入都存 在時輸出才為 1 。nand 是 與 門 與 非 門 的 結(jié) 合 , 在 電 子 邏 輯 門 中 ,and 門的輸出被送到一個反轉(zhuǎn)器 , 使所有的 0輸出 變

13、成 1 , 1 輸 出 變 成 0 。 ghadiri 等 , 設(shè) 計 的 nand 門是將 and 門中的輸入 2 從 hoechst 33342 改為溴乙啶 ( eb) ,并將輸出從 350 nm 激發(fā)改為適 合熒光素激發(fā)的 490 nm 。eb 是一種 dna 插入劑 , 且在插入狀態(tài)可以猝滅熒光素的熒光 。因此 ,在輸入 1 (互補鏈 2) 和 2 ( eb) 都不存在或只有輸入 1 存 在時 ,熒光素可以被激發(fā)并發(fā)出 520 nm 處的熒光 , 產(chǎn)生輸出 1 ; 如果只有輸入 2 ,由于 eb 不能插入單 鏈 ,熒光素仍然能夠發(fā)出熒光 ,輸出 1 ;而如果輸入 1 和 2 均存在 ,

14、dna 雙鏈結(jié)構(gòu)形成 ,使 eb 插入并猝滅 熒光素的熒光 ,這時的輸出就變成了 0 。為了展示這種 dna 邏輯門可以用來排布成邏 輯電 路 , ghadiri 等 設(shè) 計 了 in h ib i t 門 , 即 將 and 和 nand 結(jié)合起來 ,產(chǎn)生一個邏輯門的輸出傳遞到 下一個邏輯門作為輸入 。in h ib i t 門的基本元件 仍然為 3端標記有熒光素的 16 堿基的 dna 片斷1 ;輸入 1 為互補鏈 2 ;輸入 2 為 hoechst 33342 ;輸入3 為 eb ;輸出為 350 nm 激發(fā)時產(chǎn)生的 520 nm 處的 熒光強度 。in h ib i t 定義為在輸入

15、3 存在時 ,不管 其它輸入是否存在 ,輸出值均為 0 。因此 ,在輸入 3eb 不存在時 , in h ib i t 門簡化為 and 門 , 即當且僅當輸入 1 和 2 存在時可以觀察到 520 nm 處的熒 光 ;當 eb 存在時 ,由于其熒光猝滅作用 ,即使輸入 1 和 2 產(chǎn)生了熒光也可以被猝滅 ,因此輸出永遠為 0 。 從以上 結(jié) 果 可 以 看 出 , 基 于 這 些 簡 單 的 dna基于 dna 分子雜交過程的邏輯門美國 scripp s 研究所的 ghadiri 等在 2003 年提 出了通過熒光標記的 dna 分子構(gòu)建分子邏輯門的 方法4 。利用 dna 分子之間的配對作

16、用和多種熒 光分子之間的 fo ster 共振能量轉(zhuǎn)移 ( fr e t , fo ster reso nance energy t ransfer) 效應(yīng) , 他們構(gòu)建了三種光 學(xué)邏輯門 :and , nand 和 in h ib i t 。and 門的基本元件是一個 3端標記有熒光素 的 16 堿基的 dna 片斷 1 ; 輸入 1 是一段與之完全互補配對的 16 堿基 dna 2 ; 輸入 2 是一種可以與 dna 雙鏈的小溝結(jié)合的熒光染料 hoechst 33342 。 hoechst 33342 可在 350 nm 被激發(fā) ,在約 450 nm 處 發(fā)出熒光 , 因此可以與在 490

17、 nm 處被激發(fā)的熒光2第 24 頁w w w . globesci . com世界科技研究與發(fā)展2006 年 2 月專題 :生物工程分子雜交反應(yīng)和 fr e t 效應(yīng)人們可以設(shè)計成精巧的分子邏輯門 ,而且邏輯門之間可以發(fā)生信號傳輸 ,因此很有希望發(fā)展成為可尋址的分子邏輯門的研究 平臺 。然而也應(yīng)該指出 ,目前之一研究涉及的邏輯門還比較簡單 ,當要求多個邏輯門存在時 ,如何找到合適的熒光 fr e t 對且不發(fā)生相互的重疊可能是 一個較難解決的問題 。這些都有待于進一步深入的 研究 。較為復(fù)雜的邏輯門 ,如在此工作中設(shè)計的 and ( a ,no t (b) , no t ( c) ) 。 基

18、于核酶的邏輯門已經(jīng)引起了研究者的廣泛關(guān)注 ,然而這種邏輯門能否成為未來 dna 計算機的 基礎(chǔ)還存在很多關(guān)鍵性問題 。例如水解作用需要較長的時間 (幾分鐘到幾小時) ,邏輯門之間的連接仍然存在一些問題等 。前者由于 dna 的超級并行計 算能力可能在大規(guī)模計算時可以容忍 ,而后者則可 能需要引入新的元件 。例如最近出現(xiàn)的基于具有連 接酶活性的核酶邏輯門 。連接酶邏輯門的優(yōu)勢在于可以使下游邏輯門不斷輸出更長的 dna 序列用于構(gòu)建連續(xù)電路 ,而且連接酶可以為水解酶提供新的 底物 ,從而得以重建電路 ?；诤嗣傅倪壿嬮T正如前面提及的 ,核酶可以具有非常復(fù)雜的三 維結(jié)構(gòu) ,而且具有特定的酶活性 ,因

19、此可以構(gòu)造非常 精巧的分子邏輯門 。stojanovic 是利用核酶構(gòu)造分 子邏輯門的先驅(qū)之一5 。他選用了一種具有核酸 水解酶活性的 dna 核酶 ,這種核酶具有特定的莖2 環(huán)結(jié)構(gòu) ,可以特異性水解帶有一個核糖核苷的雜合 dna 片斷 (底物) 。利用這種核酶可以很方便地構(gòu) 建“非門”no t ,即將核酶和兩端分別帶有熒光素和 猝滅劑的底物作為基本元件 ,輸入 1 為一段可以與 核酶的“環(huán)”部分特異性結(jié)合的別構(gòu)效應(yīng)物 (allesteric effecto r) ,可以特異性地調(diào)控核酶的活性 ,使之不能 發(fā)生水解作用 。當輸入 1 不存在時 ,核酶可以通過 攻擊底物的核糖核苷并將底物水解 ,

20、這樣就釋放了 熒光素使之產(chǎn)生熒光 (輸出 1) ;當輸入 1 存在時 ,核 酶的莖2環(huán)結(jié)構(gòu)被別構(gòu)效應(yīng)所破壞 , 失去了水解活 性 ,底物仍然保持完整 ,熒光素被猝滅劑所猝滅 ,不 能產(chǎn)生熒光 ( 輸出 0) ?；陬愃频乃悸?, stojanovic 等構(gòu)建了更為復(fù)雜的邏輯門 ,并且完成了半加法器( half2adder) 的設(shè)計6 。盡管利用核酶進行 dna 邏輯門設(shè)計具有非常 大的優(yōu)勢 , 但是 stojanovic 使用的核酶需要將含有 核糖核苷的雜合 dna 作為底物 。由于 rna 核苷 的化學(xué)穩(wěn)定性差 ,容易自我降解 ,而且雜合 dna 合 成成本非常高 ,因此這種邏輯門的推廣是存

21、在問題的 。最近我們設(shè)計了一種完全由 dna 堿基構(gòu)成的 邏輯門 ,從而解決了這一問題7 。在這個工作中選 用了一種銅離子依賴的 dna 核酶 ,這是由 breaker 等首先用 sel ex 方法發(fā)現(xiàn)的8 ,9 。基于這種核酶 , 可以方便地構(gòu)建 yes 門 、no t 門等基本的邏輯門 。主要是通過別構(gòu)效應(yīng)物存在下核酶結(jié)構(gòu)的變化來調(diào) 控其水解酶活性 ,使之產(chǎn)生或不產(chǎn)生底物水解切割 反應(yīng) ,然后用電泳方法可以鑒別水解反應(yīng)是否發(fā)生 。 基于這一方法也可以實現(xiàn)邏輯門之間的連接 ,形成3dna 計算機利用 dna 分 子 構(gòu) 建 計 算 機 是 人 類 的 夢 想 之 一 ,目 前 這 一 領(lǐng) 域

22、 也 已 經(jīng) 取 得 了 相 當 進 展 。1994 年 ,dna 之父 adleman 在science雜志上首先發(fā)表 開創(chuàng) 性 文 章“molecular co mp utatio n of solutio n to co mbinato rial pro blems”10 ,提出了 dna 計算的思 想 ,指出 dna 計算機一步可完成 1020 次運算 , 其 運算速度大大超過電子計算機的運算速度 ;同時 ,生 物計算機每消耗 1 焦耳的能量 ,可以完成 1019 次運 算 ,其能量損耗及能量效率遠遠優(yōu)于電子計算機 。 adleman 首先利用 dna 計算機實現(xiàn)了具有 7 個城 市和

23、 13 條航線的哈密爾頓路徑問題 。其解決方案 分為五個部分 :一 、先用長度為 20 個核苷酸的不同 dna 序列 ,編碼 7 個城市設(shè)為 o i ( i = 0 、1 、2 、 6) , 然后將 13 條 i j 邊編碼為 o i j ,o i j 的前 10 個核 苷酸是 o i 3端的 10 個核苷酸 ,而后 10 個核苷酸為o j 5端的 10 個核苷酸 。在分子生物學(xué)反應(yīng)中 , 將等摩爾量的 o i 的互補鏈和 o i j 混合 ,以 o i 的互補 鏈為模板 ,使對應(yīng)的邊進行反應(yīng) ,進而產(chǎn)生各種隨機 連接序列 ( 路徑) 。二 、以 o0 序列和 o6 的互補序列 為引物 ,通過

24、 pcr 擴增隨機序列 ,不滿足條件的“路 徑”序列將不被擴增 。三 、應(yīng)用電泳分離擴增產(chǎn)物 , 獲取目的雙鏈 dna ( dsdna) ,此 dna 序列即代表 通過 7 個城 市 的“路 徑”序 列 。四 、上 述 雙 鏈 dna 變性后與磁顆粒固定的 o1 互補鏈結(jié)合 , 選取通過 城市 1 的通路 。然后依次用磁顆粒固定的 o2 、o3 、 o4 、o5 的互補鏈重復(fù)操作 ,獲取同時通過所有城市 的路徑 。五 、將最終獲取的 dna 序列通過聚合酶 鏈式反應(yīng) ( pcr) 擴增 ,用電泳分離輸出結(jié)果 。哈密4第 25 頁w w w . globesci . com世界科技研究與發(fā)展專題

25、 :生物工程2006 年 2 月爾頓路徑問題是一類典型的 n p 問題 。而 n p 問題的計算時間隨著變量數(shù)目的增加呈指數(shù)增加 ,因此 電子計算機在變量數(shù)目較大時就對 n p 問題無能為力了 。dna 計算機則提供了這樣一種可能 ,在一個 試管內(nèi)即有成千上萬的 dna 分子計算機同時進行 大規(guī)模并行計算 ,從而可以較快地解決電子計算機 所無法解決的 n p 問題 。這一成果在國際上產(chǎn)生了極其巨大的反響 ,并被稱為 dna 計算機研究中的里程碑 。此后各國研 究者紛紛投入該領(lǐng)域的研究 ,并產(chǎn)生了很多突破性 的進展 。2001 年 ,以色列魏茨曼研究所研制出一種 由 dna 分子和酶分子構(gòu)成的

26、dna 計算機 。上海 交通大學(xué)的研究組則基于類似的原理研制了在磁珠上的表面型 dna 計算機11 。2002 年 ,日本奧林巴 斯公司聲稱開發(fā)出了全球第一臺能夠真正投入商業(yè) 應(yīng)用的 dna 計算機 , 可以用于基因的分析 。然而 他們沒有公布技術(shù)細節(jié) ,普遍認為他們的產(chǎn)品還只 是一種 dna 計算機與電子計算機的雜合體 , 即利用 dna 計算機的并行計算能力和電子計算機相連 接 。最近 ,stojanovic 基于核酶研制出了世界上首臺 可玩游戲的互動式 dna 計算機 ma ya12 。運行 ma ya 程序 曾 是 電 子 計 算 機 發(fā) 展 的 里 程 碑 之 一 , stojano

27、vic 的 ma ya 可以進行人機交互 , 而且由于dna 計算機的高度并行計算能力 ,極少有人能夠擊 敗 ma ya 。從這些激動人心的進展可以看出 ,盡管 dna 計算機尚處于其發(fā)展的初期 ,其發(fā)展前景可謂 不可限量 。dna 邏輯門與計算機作為一個新興的研究領(lǐng)域 ,已經(jīng)展現(xiàn)出非常誘人的前景 ,然而也面臨著各種 各樣的技術(shù)挑戰(zhàn) 。首先是目前的分子生物學(xué)技術(shù)尚不能完全達到這些分子尺度運算的要求 。例如常規(guī) dna 重組技術(shù)中的的分子連接效率遠遠低于 dna 計算機的要求 ,這往往成為錯誤運算的來源 。第二 、 dna 邏輯門與計算機的芯片化 。現(xiàn)代的電子計算 機是芯片化 ,集成電路式的 。

28、因此如果能夠?qū)?dna邏輯門或計算機從試管型轉(zhuǎn)換為芯片型將是一個巨 大的進步 ,從而更有可能成為真正的計算機 。第三 、 信號輸入輸出問題 。目前的 dna 邏輯門或計算機 的輸入輸出信號主要是通過分子生物學(xué)操作 ( 如電 泳) 或熒光閱讀器來實現(xiàn)的 。顯然如果能夠象電子計算機一樣通過電信號來進行通訊就有可能顯著提 高傳輸效率 。這一點將可能依賴于 dna 雜交反應(yīng)的電學(xué)檢測技術(shù)的發(fā)展13 ,14 。參考文獻1osbo rne se , ellingto n ad. nucleic acid selectio n and t he chal2lenge of co mbinato rial c

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