基于DNA鏈置換實現(xiàn)的邏輯門(異或門)

1、 結合熒光標記的DNA鏈置換技術實現(xiàn)DNA邏輯門 -非門，異或門1. 引言 計算機技術被認為是20世紀三大科學革命之一，電子計算機為社會的發(fā)展起到了巨大的促進作用，但是量子物理學已經(jīng)成功的預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，科學家們正在尋找其他全新的計算機結構，例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡計算機、量子計算機、光學計算機等及DNA計算機。1994年，美國加利福尼亞大學的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路問題進行編碼，借助連接、變性、復性、PCR擴增、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、物理、化學以

2、及生物界科學家們的廣泛關注，也開辟了DNA計算的新紀元。隨后許多有關專家紛紛探討并研究了DNA計算乃至DNA計算機的可行性。這無疑是一個極具開發(fā)價值的研究領域。具體原因如下： DNA計算具有高度的并行性，運算速度快，一周的運算量相當于所有電子計算機從問世以來的總運算量。 (1)DNA作為信息的載體其儲存的容量非常之大，1m3的DNA溶液可存儲的二進制數(shù)據(jù)，遠遠超過當前全球所有電子計算機的總存儲量。 (2)DNA計算機所消耗的能量只占一臺電子計算機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?？傊珼NA計算機的出現(xiàn)將會給人類文明帶來一個質的飛躍，給全球帶來巨大的改變。就

3、DNA計算機的上述優(yōu)點及應用前景吸引了不同學科、不同領域的很多科學家，尤其是計算機科學家、生物學、化學、數(shù)學、物理和工程等領域的科學家。2. DNA計算的基本思想 DNA計算是一種以DNA為主及其相關的生物酶等作為最基本的原料、基于某些生化反應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特殊的雙螺旋結構和堿基互補配對原則進行信息編碼，把要運算的對象映射成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)運算高度并行的映射成DNA分子鏈的可控的生化反應過程。最后，利用分子生物技術如聚合鏈反應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，檢測所需要的運算結果。 在DNA計算的基礎上，人們的研究開始分化開來，不僅僅局限于“運算”方面，近年來有不少科學家從最簡便的布爾運算入手，利用DNA計算實現(xiàn)了部分邏輯門。3. 計算機及分子邏輯門及DNA鏈置換的介紹在2l世紀的高科技時代，計算機已經(jīng)成為人們工作、生活不可缺少的一部分。而一臺電子計算機的內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。邏輯門可執(zhí)行一個或多個邏輯輸入的邏輯運算，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。所以設計邏輯門就成為設計數(shù)字電路甚至計算機的關鍵步驟。邏輯門是集成電路上的

5、基本組件，是實現(xiàn)運算和邏輯操作的基礎。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”或者二進制當中的“1”和“0”，從而實現(xiàn)邏輯運算。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雜操作，得到相應的邏輯信號，適用于“0”和“l(fā)”二進制的布爾邏輯運算，從而達到數(shù)字運算的目的。 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)，并且越來越復雜，研究越來越熱。令人興奮的是，越來越多的基于化學體系構建的具有組合功能的復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，使得人們對于構建分子邏輯門的發(fā)展和應用無限憧憬。 分子邏輯門經(jīng)常使用的輸入信號包含光、電、熱、磁、機械和化學反應現(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)的半導體無機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體系中分子在外界刺激下發(fā)生的酸堿反應、構象變化、光誘導電子、質子和能量轉移變換、光誘導的異構化、氧化還原反應和各種超

7、分子化學反應來完成邏輯運算的。其中，分子開關是分子邏輯門的結構單元，是建立在分子水平上的可逆過程，外界條件的觸發(fā)改變使分子的結構或構型發(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識的不斷深入，納米技術和分子技術的研究取得了卓越的成績，人們對分子、離子進行調控，構建了一大批分子開關應用于生物分析檢測。 分子邏輯門的應用主要在邏輯運算，用于構建分子整流器、分子導線、分子晶體管、分子開關、分子機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信號進行相應的物理或化學信號輸出。所以，很多材料如DNA、RNA、蛋白質和其它有機分子均可用于構建分子邏輯門，這種邏輯門具備的生物化學信息也可以

8、應用于生物化學分子的檢測以及結構功能的調控。 DNA鏈置換是應用DNA分子單鏈間的粘貼互補，通過加入DNA鏈來釋放另一條鏈(如圖1)。這種技術具有白發(fā)性，靈敏度高和準確性等優(yōu)點。近年來在Science等雜志上都發(fā)表了大量的文章，在生物檢測領域也具有廣泛的應用前景。 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分子結構復雜性的加大，求解過程中實驗過程繁瑣且存在誤差，導致DNA計算中解的標記與檢測變得更加困難。在解決難題中，DNA計算中的熒光技術逐步獲得了普遍的使用。熒光是指某種常溫物

9、質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。具有這種性質的出射光就被稱之為熒光。 近年來DNA熒光技術在生物學領域中已經(jīng)有很多應用，如分子信標等技術,rael-time檢測技術，DNA熒光標記等。熒光標記DNA簡單便捷，并且可以實時檢測，靈敏度也非常高，這些特點都使得其在DNA計算中具有廣泛的應用前景。 本文在前人研究的基礎上，利用鏈置換、熒光標記、分子信標等技術，迸一步研究和解決DNA分子邏輯門，將DNA鏈置換和分子信標、熒光標記相結合來實現(xiàn)邏輯門的非門和異或門。4. 分子信標與DNA鏈置換相結合實現(xiàn)的邏輯門4.1、

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

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

12、基分別互補。且互補的長度大于靶細胞與分子信標互補的長度。（2） 設計特殊的靶細胞(圖7)，此靶細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的環(huán)部發(fā)生退火反應。（3） 實現(xiàn)異或門邏輯門的設計過程如下：當無分子信標輸入時，原試劑里只有一條單鏈的DNA分子(如圖8)，即靶細胞存在。則無熒光顯現(xiàn)如圖8。 當輸入分子信標A時，它與靶分子上的左側粘貼位串發(fā)生退火反應，因此分子信標A由于和靶細胞的左側位串發(fā)生退火反應而發(fā)生構象變化，干部的熒光部分和猝滅部分分開，從而有熒光現(xiàn)象，反應過程如圖9。 當輸入分子信標B時，它與靶細胞上的右邊的相應位串的位元發(fā)生退火反應，因此分子信標B也發(fā)生構象變化，干部的熒光基團被迫和猝滅基團分開，從而熒光基團的熒光得以恢復，反應過程如圖10。 當同時輸入分子信標A和分子信標B時，由于分子信標A和分子信標B的干部和環(huán)部分別堿基互補，而且它們的堿基互補長度大于分子信標A(或B)與靶細胞的堿基互補長度，互補的方向是分子信標的熒光基團與猝滅基團靠近，從而熒光被猝滅基團所猝滅，所以當同時輸入分子信標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 本章在前人的基礎上運用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