基于DNA鏈置換實現(xiàn)的邏輯門(異或門)

1、 結(jié)合熒光標(biāo)記的DNA鏈置換技術(shù)實現(xiàn)DNA邏輯門 -非門，異或門1. 引言 計算機(jī)技術(shù)被認(rèn)為是20世紀(jì)三大科學(xué)革命之一，電子計算機(jī)為社會的發(fā)展起到了巨大的促進(jìn)作用，但是量子物理學(xué)已經(jīng)成功的預(yù)測出芯片微處理能力的增長不能長期地保持下去?；谶@一原因，科學(xué)家們正在尋找其他全新的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)、量子計算機(jī)、光學(xué)計算機(jī)等及DNA計算機(jī)。1994年，美國加利福尼亞大學(xué)的Adleman博士提出利用DNA(脫氧核糖核酸)對一個圖論中的NP完全問題有向圖的Hamilton路問題進(jìn)行編碼，借助連接、變性、復(fù)性、PCR擴(kuò)增、電泳等生物操作可以求解出這一問題。這一研究成果引起了數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)以

2、及生物界科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，也開辟了DNA計算的新紀(jì)元。隨后許多有關(guān)專家紛紛探討并研究了DNA計算乃至DNA計算機(jī)的可行性。這無疑是一個極具開發(fā)價值的研究領(lǐng)域。具體原因如下： DNA計算具有高度的并行性，運(yùn)算速度快，一周的運(yùn)算量相當(dāng)于所有電子計算機(jī)從問世以來的總運(yùn)算量。 (1)DNA作為信息的載體其儲存的容量非常之大，1m3的DNA溶液可存儲的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前全球所有電子計算機(jī)的總存儲量。 (2)DNA計算機(jī)所消耗的能量只占一臺電子計算機(jī)完成同樣計算所消耗的能量的十億分之一。 (3)DNA分子的資源很豐富。總之，DNA計算機(jī)的出現(xiàn)將會給人類文明帶來一個質(zhì)的飛躍，給全球帶來巨大的改變。就

3、DNA計算機(jī)的上述優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用前景吸引了不同學(xué)科、不同領(lǐng)域的很多科學(xué)家，尤其是計算機(jī)科學(xué)家、生物學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理和工程等領(lǐng)域的科學(xué)家。2. DNA計算的基本思想 DNA計算是一種以DNA為主及其相關(guān)的生物酶等作為最基本的原料、基于某些生化反應(yīng)原理的一種新型的分子生物計算方法。DNA計算的基本思想是：利用DNA特殊的雙螺旋結(jié)構(gòu)和堿基互補(bǔ)配對原則進(jìn)行信息編碼，把要運(yùn)算的對象映射成DNA分子鏈，在生物酶的催化作用下，生成各種數(shù)據(jù)池，然后按照一定的原則將原始問題的數(shù)據(jù)運(yùn)算高度并行的映射成DNA分子鏈的可控的生化反應(yīng)過程。最后，利用分子生物技術(shù)如聚合鏈反應(yīng)PCR、超聲波降解、親和層析、克隆、誘變、分子

4、純化、電泳、磁珠分離等，檢測所需要的運(yùn)算結(jié)果。 在DNA計算的基礎(chǔ)上，人們的研究開始分化開來，不僅僅局限于“運(yùn)算”方面，近年來有不少科學(xué)家從最簡便的布爾運(yùn)算入手，利用DNA計算實現(xiàn)了部分邏輯門。3. 計算機(jī)及分子邏輯門及DNA鏈置換的介紹在2l世紀(jì)的高科技時代，計算機(jī)已經(jīng)成為人們工作、生活不可缺少的一部分。而一臺電子計算機(jī)的內(nèi)部實際上是由許許多多的數(shù)字電路組成，而數(shù)字電路可以看作是用電子器件實現(xiàn)的邏輯門網(wǎng)絡(luò)。邏輯門可執(zhí)行一個或多個邏輯輸入的邏輯運(yùn)算，并產(chǎn)生一個邏輯輸出。邏輯操作遵循布爾邏輯，這樣的邏輯門就稱為布爾邏輯門。所以設(shè)計邏輯門就成為設(shè)計數(shù)字電路甚至計算機(jī)的關(guān)鍵步驟。邏輯門是集成電路上的

5、基本組件，是實現(xiàn)運(yùn)算和邏輯操作的基礎(chǔ)。簡單的邏輯門可由晶體管組成，這些晶體管的組合可以使代表兩種信號的高低電平在通過它們之后產(chǎn)生高電平或低電平的信號。高、低電平可以分別代表邏輯上的“真”和“假”或者二進(jìn)制當(dāng)中的“1”和“0”，從而實現(xiàn)邏輯運(yùn)算。與數(shù)字電路中的邏輯門概念類似，分子邏輯門是對分子或超分子實施兩個或兩個以上的復(fù)雜操作，得到相應(yīng)的邏輯信號，適用于“0”和“l(fā)”二進(jìn)制的布爾邏輯運(yùn)算，從而達(dá)到數(shù)字運(yùn)算的目的。 1993年，de Silva與其合作者首次把邏輯門概念引入分子與超分子體系，構(gòu)建了第一個最簡單的邏輯與門。從那以后，各種各樣的分子邏輯門與門、或門、異或門(XOR)、或非門(NOR)

6、、與非門(NAND、異或非門(XNOR)和禁止門(INHIBIT)等的不斷涌現(xiàn)，并且越來越復(fù)雜，研究越來越熱。令人興奮的是，越來越多的基于化學(xué)體系構(gòu)建的具有組合功能的復(fù)雜邏輯門也不斷呈現(xiàn)，如半加法器、半減法器、全加法器和分子密碼鍵盤等，使得人們對于構(gòu)建分子邏輯門的發(fā)展和應(yīng)用無限憧憬。 分子邏輯門經(jīng)常使用的輸入信號包含光、電、熱、磁、機(jī)械和化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象等，而經(jīng)常使用的輸出信號往往主要是光信號、電信號以及磁信號等，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體無機(jī)電子器件操作原理完全不同，分子邏輯器件主要是利用化學(xué)體系中分子在外界刺激下發(fā)生的酸堿反應(yīng)、構(gòu)象變化、光誘導(dǎo)電子、質(zhì)子和能量轉(zhuǎn)移變換、光誘導(dǎo)的異構(gòu)化、氧化還原反應(yīng)和各種超

7、分子化學(xué)反應(yīng)來完成邏輯運(yùn)算的。其中，分子開關(guān)是分子邏輯門的結(jié)構(gòu)單元，是建立在分子水平上的可逆過程，外界條件的觸發(fā)改變使分子的結(jié)構(gòu)或構(gòu)型發(fā)生改變，從而表現(xiàn)出信號的變化。隨著人們對微觀世界認(rèn)識的不斷深入，納米技術(shù)和分子技術(shù)的研究取得了卓越的成績，人們對分子、離子進(jìn)行調(diào)控，構(gòu)建了一大批分子開關(guān)應(yīng)用于生物分析檢測。 分子邏輯門的應(yīng)用主要在邏輯運(yùn)算，用于構(gòu)建分子整流器、分子導(dǎo)線、分子晶體管、分子開關(guān)、分子機(jī)器以及分子邏輯器件等。通常，分子邏輯門對輸入的物理或化學(xué)信號進(jìn)行相應(yīng)的物理或化學(xué)信號輸出。所以，很多材料如DNA、RNA、蛋白質(zhì)和其它有機(jī)分子均可用于構(gòu)建分子邏輯門，這種邏輯門具備的生物化學(xué)信息也可以

8、應(yīng)用于生物化學(xué)分子的檢測以及結(jié)構(gòu)功能的調(diào)控。 DNA鏈置換是應(yīng)用DNA分子單鏈間的粘貼互補(bǔ)，通過加入DNA鏈來釋放另一條鏈(如圖1)。這種技術(shù)具有白發(fā)性，靈敏度高和準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)。近年來在Science等雜志上都發(fā)表了大量的文章，在生物檢測領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。 近年來，DNA計算發(fā)展迅速，特別是在DNA分子自組裝，DNA納米裝置等方面。但是隨著DNA計算解決問題的規(guī)模增大及DNA分子數(shù)量在求解過程中急劇增加以及DNA分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的加大，求解過程中實驗過程繁瑣且存在誤差，導(dǎo)致DNA計算中解的標(biāo)記與檢測變得更加困難。在解決難題中，DNA計算中的熒光技術(shù)逐步獲得了普遍的使用。熒光是指某種常溫物

9、質(zhì)受到某種波長的入射光激發(fā)后，其原子中的電子被激發(fā)到較高能級產(chǎn)生的發(fā)射光。而且一旦停止入射光，發(fā)光現(xiàn)象也隨之立即消失。具有這種性質(zhì)的出射光就被稱之為熒光。 近年來DNA熒光技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域中已經(jīng)有很多應(yīng)用，如分子信標(biāo)等技術(shù),rael-time檢測技術(shù)，DNA熒光標(biāo)記等。熒光標(biāo)記DNA簡單便捷，并且可以實時檢測，靈敏度也非常高，這些特點(diǎn)都使得其在DNA計算中具有廣泛的應(yīng)用前景。 本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用鏈置換、熒光標(biāo)記、分子信標(biāo)等技術(shù)，迸一步研究和解決DNA分子邏輯門，將DNA鏈置換和分子信標(biāo)、熒光標(biāo)記相結(jié)合來實現(xiàn)邏輯門的非門和異或門。4. 分子信標(biāo)與DNA鏈置換相結(jié)合實現(xiàn)的邏輯門4.1、

10、自組裝DNA計算中的分子結(jié)構(gòu) 分子信標(biāo)是一種由寡聚核苷酸形成的發(fā)夾型分子，基本結(jié)構(gòu)如圖2。它包括一個環(huán)和一個干結(jié)構(gòu)，其中環(huán)由與靶細(xì)胞互補(bǔ)的核酸堿基序列組成，一般有1520個堿基；干為兩列互補(bǔ)的堿基序列，一般有57個堿基對。反應(yīng)原理如圖3所示。 4.2、 分子信標(biāo)與DNA鏈置換以及粘貼模型相結(jié)合實現(xiàn)NOT邏輯門NOT邏輯門真值表實現(xiàn)NOT邏輯門的設(shè)計想法和實現(xiàn)步驟：(1) 先制備已有物質(zhì)，即分子信標(biāo)與靶細(xì)胞發(fā)生退火反應(yīng)生成物如圖4所示：(2) 當(dāng)無分子信標(biāo)輸入時，有熒光可見。如圖4所示。(3) 當(dāng)輸入分子信標(biāo)時，兩個互補(bǔ)的分子信標(biāo)發(fā)生鏈置換反應(yīng)。如圖5所示： 在上述的分子信標(biāo)鏈置換反應(yīng)中，當(dāng)無分

11、子信標(biāo)輸入時，由于已有的分子信標(biāo)與靶細(xì)胞發(fā)生退火反應(yīng)，所以有熒光顯現(xiàn)(圖4)。當(dāng)輸入分子信標(biāo)時，它置換了已發(fā)生構(gòu)象的分子信標(biāo)，此兩個分子信標(biāo)結(jié)合的方向是帶熒光的那端與原分子信標(biāo)猝滅基團(tuán)那端互補(bǔ)，因此當(dāng)反應(yīng)完全后，恰好熒光基團(tuán)與猝滅基團(tuán)靠的比較近，恰好猝滅了分子信標(biāo)的熒光。所以結(jié)果無熒光現(xiàn)象(圖5)所示。4.3、 分子信標(biāo)與DNA鏈置換以及粘貼模型相結(jié)合實現(xiàn)XOR邏輯門異或門真值表用DNA鏈置換及分子信標(biāo)實現(xiàn)異或門的真值表如下(“+”代表輸入分子信標(biāo)A或者輸入分子信標(biāo)B，“一”代表無分子信標(biāo)輸入)設(shè)計特殊分子信標(biāo)（1） 設(shè)計特殊分子信標(biāo)A和分子信標(biāo)B(如圖6)，使分子信標(biāo)A與分子信標(biāo)B的環(huán)和干堿

12、基分別互補(bǔ)。且互補(bǔ)的長度大于靶細(xì)胞與分子信標(biāo)互補(bǔ)的長度。（2） 設(shè)計特殊的靶細(xì)胞(圖7)，此靶細(xì)胞是含有兩個粘貼位串的單鏈DNA分子，兩個位串可以與兩個分子信標(biāo)的環(huán)部發(fā)生退火反應(yīng)。（3） 實現(xiàn)異或門邏輯門的設(shè)計過程如下：當(dāng)無分子信標(biāo)輸入時，原試劑里只有一條單鏈的DNA分子(如圖8)，即靶細(xì)胞存在。則無熒光顯現(xiàn)如圖8。 當(dāng)輸入分子信標(biāo)A時，它與靶分子上的左側(cè)粘貼位串發(fā)生退火反應(yīng)，因此分子信標(biāo)A由于和靶細(xì)胞的左側(cè)位串發(fā)生退火反應(yīng)而發(fā)生構(gòu)象變化，干部的熒光部分和猝滅部分分開，從而有熒光現(xiàn)象，反應(yīng)過程如圖9。 當(dāng)輸入分子信標(biāo)B時，它與靶細(xì)胞上的右邊的相應(yīng)位串的位元發(fā)生退火反應(yīng)，因此分子信標(biāo)B也發(fā)生構(gòu)象變化，干部的熒光基團(tuán)被迫和猝滅基團(tuán)分開，從而熒光基團(tuán)的熒光得以恢復(fù)，反應(yīng)過程如圖10。 當(dāng)同時輸入分子信標(biāo)A和分子信標(biāo)B時，由于分子信標(biāo)A和分子信標(biāo)B的干部和環(huán)部分別堿基互補(bǔ)，而且它們的堿基互補(bǔ)長度大于分子信標(biāo)A(或B)與靶細(xì)胞的堿基互補(bǔ)長度，互補(bǔ)的方向是分子信標(biāo)的熒光基團(tuán)與猝滅基團(tuán)靠近，從而熒光被猝滅基團(tuán)所猝滅，所以當(dāng)同時輸入分子信標(biāo)A和B時，無熒光顯現(xiàn)，如圖11所示。 在上述實現(xiàn)異或門的設(shè)計中，我們很容易操作和觀察異或門實現(xiàn)的過程。它具有很好可觀察性和易控制性。小結(jié) 本章在前人的基礎(chǔ)上運(yùn)用DNA自組裝和DNA鏈置換兩種計算方法實現(xiàn)了邏輯非門和邏輯異或