基于DNA链置换实现的逻辑门(异或门)
DNA自组装模型的几种分子逻辑门的计算
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈ ｅ ｍｏ ｌ ｅ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ｇ ａ ｔ ｅ ｉ ｓ ｎ ｏ ｔ ｏ ｎ ｌ ｙ ａ ｎ ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ ｕ ｎ ｉ ｔ ｏ ｆ ＤＮＡ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ ，ｂ ｕ ｔ ａ ｌ ｓ ｏ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｉ ｃ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ． Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ，ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ ＤＮＡ ｓ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｏ ｎ
ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ＤＮＡ ｓ ｅ ｌ ｆ － ａ ｓ ｓ ｅ ｍｂ ｌ ｙ ｍｏ ｄ ｅ １ ． Ｂｙ ｍａ ｋ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｌ ｅ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ ｂ ｅ ａ ｃ ｏ ｎ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｐ ｕ ｔ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ，ｏ ｒ ｄ ｏ ｉ ｎ ｇ
ＤＮＡ 自组 装 模 型 的几 种 分 子逻 辑 门 的计 算
单静怡 ， 唐静静 ， 殷 志祥
（ 安徽理工大学 理学 院，安徽 淮南 ２ ３ ２ ０ ０ １ ）
摘
要： 分子逻辑 门是 Ｄ ＮＡ计 算机的重要单元 ， 也是 实现运算法则的基本条件 。文章 以 ＤＮ Ａ 自组装模 型为
基础 ， 构造 了特殊 的环状 Ｄ ＮＡ序列 。通过将分子信标作为输入信号 ， 或者对输 人信号进 行相应 的标记 ， 实现 了与非 门、 或非 门和异或门 ３种常见复合逻辑 门的构造 。在结 果读取 中 ， 用检 测荧光强 度的方法来 判断逻 辑 真值 。反应后溶液 中有荧光 出现时 ， 表示逻辑值为 １ ； 反 应溶液 中没有荧光 出现时 ， 表示逻 辑值为 ０ 。在 整个
基于分子信标的异或门DNA自组装计算模型
基于分子信标的异或门DNA自组装计算模型【摘要】随着DNA计算研究深入，运用布尔逻辑电路实现DNA计算机已经成为研究的热点。
分子信标是近年来备受关注的一种新型DNA探针，它具有高度的特异性和灵敏度。
以分子信标作为自组装单元设计出异或门DNA计算模型，是一种新的有效方法。
和以往的DNA计算模型相比，该模型操作简单，可靠性高，可重复使用。
【关键词】分子信标；异或门；DNA自组装一、引言DNA计算是一种以生物分子DNA作为计算介质，以生化反应作为计算工具的新型计算方法。
运用DNA分子的的海量存储能力和高度并行性来构建布尔逻辑电路为DNA计算机的实现奠定了基础。
1996年，Ogihara等人首次提出可基于DNA的布尔电路的模拟，并给出了图1所示的逻辑电路的DNA实现方法[1]。
不久，Amos等人提出了一种改进的逻辑与非门的DNA计算模型，并且解释了如何通过这种逻辑门实现二阶矩阵的传递闭包的计算[2，3]。
此后，Mulawka也提出另一个逻辑与非门的DNA计算模型[4]。
但这些方法都存在不能重复利用和基于试管方式的缺点，这不利于大规模布尔逻辑电路的实现。
2004年，刘文斌等人提出了一个基于吡啶二聚物的诱导发夹结构的逻辑“与非门”的DNA计算模型，克服了执行完特定运算后逻辑不能重复使用的缺点，但操作过程复杂，随后，他又提出了改进的方法[5，6]。
2009年，B.S.E. Zoraida等人提出了一种基于DNA 的新颖的广义设计方法和布尔操作的实现[7]。
这些实现布尔逻辑运算的方法中大都解决的是与门，或门，与非门，很少提到异或门的解决方法。
在前人的基础上，本文提出了一种基于分子信标的自组装方法解决异或门。
二、分子信标和自组装分子信标是一种发夹结构的寡居核苷酸探针。
因其背景信号低，灵敏度高、特异性识别性强、操作简单及均相检测等优点，在短短今年内得到迅速的发展。
传统的分子信标由四部分组成：环、茎、荧光基团、猝灭基团。
基于 DNA 链置换的分子逻辑门计算模型
基于 DNA 链置换的分子逻辑门计算模型张文逸;殷志祥【摘要】DNA computing is a hot research topic in recent years .Molecular logic gate is an important basis of DNA computer architecture and computing implementation .By combining DNA self -assembly with strand dis-placement technology and fluorescence labeling , the structure of the NOT gate , AND gate, NAND gate, OR gate, NOR gate was constructed on the basis of the existing logic calculation model of strand displacement .This model was carried out at room temperature to reduce the error caused by the complex biological procedures .The fluorescence detection was used to determine the logical result , which is simple in operation , easy in detection , and of high sensitivity .%DNA计算是近年来的研究热点，分子逻辑门是DNA计算机体系结构和运算实现的重要基础。
将DNA 自组装与链置换技术和荧光标记相结合，在现有的链置换逻辑计算模型的基础上，构造了非门，与门，与非门，或门和或非门。
基于DNA计算的逻辑运算研究及其应用
基于DNA计算的逻辑运算研究及其应用DNA计算，就是利用生物体内分子之间的相互作用和自组织、自组装等特性，利用生物材料构建计算模型和实现计算，是一种基于生物大分子的计算方法。
DNA计算是一种备受关注的前沿技术，它不仅拥有传统计算能力，还具有处理大量信息的高效能力和存储数据的环保能力。
这为计算机科学领域带来了广阔的应用前景，可以应用于密码学、生物信息学、医学、化学、环境监测等领域。
本文主要介绍基于DNA计算的逻辑运算研究及其应用。
DNA计算的基本操作包括模板引物法、酶法、杂交等方法，可以完成基本逻辑运算、算法求解、图像处理等任务。
1.基本概念DNA是人类细胞中保存遗传信息的分子，由核糖核酸组成。
DNA分子是由四种不同的核苷酸单元连接而成，结构形成一个双螺旋状，因此其拥有一定的方向性。
DNA单元包括腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C），它们的组合形成了不同的序列。
在DNA计算中，通常使用的是线性DNA或环形DNA，其中线性DNA是最为常用的DNA计算基础材料。
线性DNA的特点是具有两个端点，因此它可以进行固定和连接操作，用来构建DNA计算模型。
2.基本操作基于DNA计算过程中，最核心的就是如何通过DNA信息单元完成逻辑运算。
在DNA计算中，常用的基本操作包括模板引物法、酶法、杂交等方法。
（1）模板引物法模板引物法是一种DNA计算中的基本操作方法。
依靠模板DNA分子中的特定序列，将某个特定的序列引导到合适的位置上，从而实现特异性的分子识别、分离等作用。
该方法常用于DNA分子之间的连接和固定，并且可以广泛应用于DNA计算中的模板构建和引物设计等领域。
（2）酶法酶法是一种DNA计算中的重要操作方法。
利用特定的酶作用，使DNA分子发生特定的化学反应，以达到不同目的。
例如，通过酶法，可以触发DNA分子的复制、剪切、连接等操作，用于构建DNA计算模型中各种逻辑运算任务。
（3）杂交法杂交法是一种基于DNA分子互补碱基配对原理的操作方法。
基于DNA计算的生物逻辑元件
基于DNA计算的生物逻辑元件近年来，随着生物学、计算机科学等多个领域的蓬勃发展，基于DNA计算的生物逻辑元件成为一个备受关注的话题。
DNA是生命体中非常重要的一种分子，它不仅具有传递遗传信息的功能，还具有存储和处理信息的能力。
而基于DNA计算的生物逻辑元件，则是运用DNA分子的这些特性来实现信息计算和处理的一种技术。
本文将就此话题展开论述。
一、DNA计算DNA计算作为一种新兴的计算模式，是以DNA分子为基础的计算方法。
DNA计算的流程通常是，将需要计算的问题转化为DNA分子的形式，并通过操纵DNA分子的结构和序列等通道实现计算。
这样的计算方法具有并行性、低错误率等优点。
DNA计算的一大应用就是生物逻辑元件。
生物逻辑元件是一种利用生命体分子的拓扑、动力学特征，实现逻辑操作的一种技术。
DNA作为生命体中重要的分子，在这方面具有独特的优势，尤其是在信息存储、传输和处理等方面。
二、基于DNA计算的生物逻辑元件基于DNA计算的生物逻辑元件是将DNA计算与生物逻辑元件相结合的一种技术。
这种技术将DNA分子视为一个可以编程的逻辑元件，并在其表面修饰了许多附着物，从而实现逻辑运算。
基于DNA计算的生物逻辑元件的核心就是常被用来编程的DNA逻辑门。
常见的DNA逻辑门有AND门、OR门、NOT门等，它们的运算逻辑能够模拟数字电路的运算逻辑。
与数字电路不同的是，DNA逻辑门的运算过程不需要用电子，而是利用DNA分子的结构和序列等信息来实现的。
例如，AND门的原理是通过DNA分子的配对来实现的。
在一个AND门中，有两个输入DNA分子，它们只有在两个分子都存在时才会形成一个输出DNA分子。
这与数字电路中AND门的运算逻辑是一致的。
基于DNA计算的生物逻辑元件还有很多，比如用一种名为“分析器”的DNA逻辑门来实现DNA寻找的自动化，还有在细胞中编程的DNA逻辑门用来控制基因表达。
三、前景和挑战作为一种前沿的技术，基于DNA计算的生物逻辑元件具有广泛的应用前景。
异或门的DNA计算模型
异或门的DNA计算模型作者：刘璐璐殷志祥唐震来源：《牡丹江师范学院学报（自然科学版）》2020年第03期摘要：利用DNA鏈置换反应分别求解二输入和三输入异或门逻辑电路.对于二输入异或门电路，将不同输入值编译成不同数量输入链，将特定数量的输入链加入反应器中，与反应器中的反应链发生链置换反应，充分反应后，通过判断检验器中绿色荧光分子明灭从而得到异或门电路的解;二输入异或门逻辑电路可以推广到三输入异或门逻辑电路.该方法具有操作简单，实验成本低，可行性高等优点.关键词：DNA链置换反应;异或门;逻辑电路[中图分类号]TP301 ; [文献标志码]AAbstract：Two-input and three-input XOR gate logic circuits were solved by DNA chain replacement reaction.For two input XOR gates，different input values are compiled into different input chains.When a certain number of input chains are added to the reactor，a chain displacement reaction occurs with the reaction chain in the reactor.After a full reaction，the solution of the XOR gate circuit can be obtained by judging that the green fluorescent molecules in the detector are extinguished.Two-input XOR logic circuits can be extended to three-input exclusive or gate logic circuit.This method has the advantages of simple operation，low experimental cost and high feasibility.Key words：DNA strand displacement reaction;xor gate;logic circuit逻辑电路是一种对离散信号传递和处理，以二进制为原理，从而实现数字逻辑运算和操作的电路，广泛应用于计算机、通信、数字控制等方面.[1-5]构造可编程生物分子是生物技术、纳米技术和计算机科学交叉发展的最终目的之一.在复杂的细胞内或者细胞的内环境中，这种生物分子的关键部分是控制其行为的内部逻辑，这一原理使得越来越多的研究趋向于逻辑电路.Ogihara等人提出基于DNA模拟布尔电路，并给出相应逻辑电路的DNA实现方法.[6]Seelig 设计并证实了基于DNA链置换反应的数字逻辑电路，逻辑与门、或门、非门，这些逻辑门都是以DNA单链作为输入信号和输出信号，同时也可以利用DNA链置换实现放大级联反应.[7]杨静开发了一种链置换策略，可以在DNA折纸基地上选择性的和动态的释放特定的金纳米颗粒（AuNP）.基于该策略建立的一组DNA逻辑门（与门、或门、非门）可以用于组装更复杂的纳米系统，具有分子工程方面的潜在应用价值.[8]晁洁等人设计了一种单分子DNA导航仪用来解决迷宫问题，在这个设计中，以2D折纸术为模型建立基底，在基底上基于杂交链式反应的近端链交换级联反应进行单向扩增，通过原子力显微镜观察得到迷宫问题的正确路径.[9]唐震设计了基于杂交链式反应的与非门模型，该模型反应部分存在于折纸基地上，4种不同的DNA单链作为4种输入信号，输入信号会与对应发夹发生链置换反应从而打开发夹结构，打开部分会继续打开另一个发夹，直到反应结束，与非门的结果通过观察金纳米粒子是否从DNA折纸基底上脱落判断.[10]目前，有关逻辑门的研究成果越来越多，然而在异或门方面却仍然没有太大进展，因此，本文设计了一种基于DNA链置换的异或门求解模型，通过DNA链置换反应分别构建二输入和三输入异或门.对于二输入异或门，模型主要由反应器和检验器两部分组成.每种逻辑器中设计对应的DNA链用来反应，当反应器中链置换反应完成后，反应器内溶液全部进入检验器.检验器中存在一条带有绿色荧光基因分子的DNA双链，通过荧光基因分子的明灭判断异或门结果.对于三输入异或门，模型由反应器1、反应器2和检验器三部分组成，原理基本与二输入逻辑器一致，模型的检验通过荧光基因分子的明灭来判断.1 DNA链置换和异或门1.1 DNA链置换DNA链置换反应是一种依靠分子间作用力形成的自发的反应.DNA链置换反应是指DNA 单链与部分互补双链反应，生成新双链的过程.链置换反应的原理为：不同的DNA单链之间的结合力不同.在分子杂交系统中，自由能会趋于稳定，因此，结合力较强的输入链会替代掉部分互补结构中结合力较弱的DNA链.简单理解，较长的识别区域链取代较短的识别区域链，将被替代的链作为输出信号，实现分子逻辑运算.DNA链置换基本过程见图1.作为输入信号的单链a b与部分双链结构发生链置换反应.首先，区域a与a*区域通过一定的结合力形成互补双链.输入单链的识别区域b会逐渐替换掉原绑定的单链b，直到完全替代并释放出单链b，即释放出输出信号，达到稳定，完成链置换反应.1.2 异或门异或门被广泛应用于数字信号传输的纠错电路及计算电路中.实际应用中可用来实现模2加法器或奇偶发生器，还可以用作异或密码、加法器、可控反相器等.异或门作为基本逻辑电路，使用DNA计算构建异或门对DNA计算机的实现有着不可或缺的作用.在三输入异或门中，运算规则与两输入异或门相同，将两输入异或门运算结果与第三个输入再进行异或运算得到的结果就是三输入异或门的运算结果.如三输入值分别为1，0，1，先将1，0异或运算结果为1，再将得到的1与输入1进行异或运算得到输出值0，因此，三输入异或运算结果为0.逻辑表达式为：F=ABC=AB′C′+A′B′C+A′BC′+ABC，真值表见表2.2 基于DNA链置换的异或门模型2.1 输入链、反应链、输出链和检验链的设计输入链输入链为由S，T两个区域组成的DNA单链：3′-S-T-5′.结构见图2（a）.输入链主要是为了能够与反应链发生链置换.反应链反应链由三条DNA单链组成：第一条链由5个区域组成：5′-S*-T*-S*-T*-（S）-3′.（S）表示括号中的链S顺序为3′-5′.括号中的区域代表与它所在的DNA链的方向相反.第二条链由T，S两个区域组成：3′-T-S-5′.T与T*互补，S与S*互补，第二条链与第一条链互补配对，当一条输入链与反应链发生链置换反应时，生成一条3′-T-S-5′，称它为输出链，见图1（b）.第三条链由三个区域组成：3′-T-（T*-S*）-5′，其中（T*-S*）内的方向为5′-3′向.第三条链与第一条也互补配对形成双链.T*处形成发夹结构.设计（T*-S*）的目的是当发夹结构被打开时，（T*-S*）与3′-T-S-5′链互补配对，形成双链.结构见图2（c）.检验链检验链由两条互补的DNA单链组成，分别为：3′-S-5′和5′-T*-S*-3′，3′-S-5′链的5′端附有荧光猝灭因子，5′-T*-S*-3′的3′端附有绿色荧光基因分子.检验链主要是为了检验异或门模型中是否存在输出链.结构见图2（d）.2.2 两输入异或门模型的实现与检测两输入异或门模型由反应器和检验器两部分组成，反应器中只存在一条反应链，当要进行两输入异或门计算时，向反应器中加入特定数量的输入链.反应器内充分反应后，反应器内全部溶液进入检验器.检验器中存在大量的检验链，观察检验器中荧光明灭即可得到两输入异或门的输出结果.当检验器内充分反应后，有绿色荧光表示异或门输出结果为1，没有绿色荧光表示异或门输出结果为0.两输入异或门模型见图3.2.2.1 输入信号值为0，0对于输入的值是0，0，不添加输入链进入反应器.反应器内不会发生链置换反应，因此，不会生成输出链.反应器内溶液进入检验器后，不会发生反应，此时，绿荧光基因分子不会发光，则异或门输出结果为0.2.2.2 输入信号值为1，0或0，1向反应器中添加1条输入链3′-S-T-5′，输入链S-T部分会与反应链S*-T*部分互补配对，发生链置换反应生成一条输出链与一条过程链.反应过程见图4.当溶液进入检验器内后，检验链与反应器中生成的一条输出链发生链置换反应，绿荧光基因分子与附有荧光猝灭分子的链S 分开，绿荧光基因分子发亮.因此异或门输出结果为1.反应过程见图5.2.2.3 输入信号值为1，1向反应器中添加两条输入链：一条信号链会与反应链发生链置换反应生成一条输出链与一个过程链;此时，另一条信号链会继续与过程链发生链置换反应，过程链中的发夹结构被打开，反应链C部分3′-T3（T*-S*）-5′被置换出来成为单链，其中的（T*-S*）部分方向为5′-3′向.（T*-S*）部分与第一步所生成的输出链刚好形成互补配对，形成双链，因此，反应充分后，没有输出链生成.溶液全部进入检验器后，不会与检验链发生链置换，因而绿荧光基因分子不会发亮，即异或门输出结果为0.全部反应过程见图6.2.3 三输入异或门模型的实现与检测三输入异或门模型由反应器1、反应器2和检验器三部分组成.反应器1和反应器2与两输入异或门模型中反应器构成相同，即为反应器1和反应器2中都只存在一条反应链，反应链与两输入异或门模型反应器内的反应链结构相同.同样，检验器与两输入检验器完全一样，内部存在大量的检验链，检验链的结构与两输入异或门的检验链结构相同.三输入异或门模型见图7.当进行三输入异或门计算时，向反应器1中加入特定数量的输入链.反应器1内充分反应后，反应器1内溶液全部进入反应器2，待反应器2内反应充分后，反应器2内溶液全部进入检验器，检验器中存在大量的检验链，观察检验器中荧光明灭即可得到三输入异或门的输出结果.当检验器内充分反应后，有绿色荧光表示异或门输出结果为1，没有绿色荧光表示异或门输出结果为0.2.3.1 输入信号值为0，0，0对于输入的值是0，0，0，不添加输入链进入反应器1，异或门模型中不会发生链置换反应，因此，不会生成输出链.反应器2内溶液进入检验器后，不会发生反应，此時，绿荧光基因分子不会发光，则异或门输出结果为0.2.3.2 输入信号值为1，0，0或0，1，0或0，0，1向反应器1中添加1条输入链3′-S-T-5′，输入链S-T部分会与反应链S*-T*部分互补配对，发生链置换反应生成一条输出链与一条过程链.当反应器1中溶液全部进入反应器2中时，反应器2中不会发生反应，待反应器2中溶液进入检验器内后，检验链与反应器1中生成的一条输出链发生链置换反应，检验链的绿荧光基因分子与附有荧光猝灭分子的链S分开，绿荧光基因分子发亮，因此，异或门输出结果为1.反应过程见图8.2.3.3 输入信号值为1，1，0或1，0，1或0，1，1向反应器1中添加两条输入链，反应器1中会发生三次反应：（1）一条输入链会与反应链发生链置换反应生成一条输出链与一个过程链.（2）另一条信号链会继续与过程链发生链置换反应，过程链中的发夹结构被打开，反应链C部分3′-T-（T*-S*）-5′被置换出来成为单链，其中的（T*-S*）部分方向为5′-3′向.（3）（T*-S*）部分与第一步所生成的输出链刚好形成互补配对，形成双链，因此，反应充分后，没有输出链生成.反应充分后，反应器1中溶液全部进入反应器2，由于溶液中输入链全部反应，因此，在反应器2中不会发生反应，待反应器2中溶液全部进入检验器后，不会与检验链发生链置换，因而检验链的绿荧光基因分子不会发亮，即异或门输出结果为0.反应过程见图9.2.3.4 输入信号值为1，1，1向反应器1中添加三条输入链，反应器1中会发生三次反应：（1）一条输入链会与反应链发生链置换反应生成一条输出链与一个过程链.（2）另一条信号链会继续与过程链发生链置换反应，过程链中的发夹结构被打开，反应链C部分3′-T-（T*-S*）-5′被置换出来成为单链，其中的（T*-S*）部分方向为5′-3′向.（3）（T*-S*）部分与第一步所生成的输出链刚好形成互补配对，形成双链，因此，反应充分后，没有输出链生成，还有一条输入链未参与反应.反应充分后，反应器1中溶液全部进入反应器2，由于溶液中还有一条输入链，因此，在反应器2中会发生一次链置换反应，输入链与反应器2中反应链发生链置换反应生成一条输出链与一条过程链，待反应器2中充分反应后，溶液全部进入检验器，反应器2中生成的一条输出链与检验链发生链置换，检验链的绿荧光基因分子与附有荧光猝灭分子的链S分开，绿荧光基因分子发亮，因此，异或门输出结果为1.反应过程见图10.3 结论本文利用DNA链置换构建两输入异或门的模型，并将其推广至三输入异或门.该模型主要由输入链、反应链、检验链三种DNA链组成，反应条件简单，实验成本低.模型基于DNA链置换反应，因此，反应过程稳定，容错率高，产率高.反应通过荧光明灭来判断异或门输出，结果易于观察.该模型具有可行性高、易于操作、结果易于观察等优点.模型有潜力提供计算的其他应用，如二进制加法、多输入异或门等.该模型较为简单，难以应用于复杂的逻辑电路，这一不足将是下一步研究工作的重点.参考文献[1]Epstein G，Frieder G，Rine D C.The development of multiple-valued logic as related to computer science[J].Computer，1974，7（9）：20-32.[2]Smith K C.The prospects for multivalued logic：A technology and applications view[J].IEEE Transactions on Computers，1981（9）：619-634.[3]Hurst S L.Multiple-valued logic？Its status and its future[J].IEEE transactions on Computers，1984（12）：1160-1179.[4]张春露，殷志祥.最大匹配问题的链置换模型[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2018（1）：22-24.[5]常骥.DNA标记在种群研究中的应用[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2002（2）：29-30.[6]Ogihara M，Ray A.Simulating Boolean circuits on a DNA computer[J].Algorithmica，1999，25（2-3）：239-250.[7]Seelig G，Soloveichik D，Zhang D Y，et al.Enzyme-free nucleic acid logiccircuits[J].science，2006，314（5805）：1585-1588.[8]Yang J，Song Z，Liu S，et al.Dynamically Arranging Gold Nanoparticles on DNA Origami for Molecular Logic Gates[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2016，8（34）：22451-22456.[9]Chao J，Wang J，Wang F，et al. Solving mazes with single-molecule DNA navigators[J].Nature materials，2019，18（3）：273-279.[10]Tang Z，Yin Z X，Sun X，et al. Dynamically NAND gate system on DNA origami template[J].Computers in biology and medicine，2019，109：112-120.編辑：琳莉。
基于链置换的DNA分子计算机实现方法和实现装置[发明专利]
![基于链置换的DNA分子计算机实现方法和实现装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/6a9c9c8caf1ffc4fff47ac89.png)
专利名称：基于链置换的DNA分子计算机实现方法和实现装置
专利类型：发明专利
发明人：佟延秋,张天翼,邓宇霏
申请号：CN201810314373.4
申请日：20180326
公开号：CN108596340A
公开日：
20180928
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于链置换反应的DNA分子计算机实现方法和实现装置，所述基于链置换反应的DNA分子计算机实现装置，包括问题空间映射模块、单链DNA设计模块、链置换反应模块、反应结果检测模块。
所述问题空间映射模块能够将数学问题利用二进制真值表进行表示；所述单链DNA设计模块由DNA门电路执行运算逻辑；所述链置换反应模块根据多条DNA单链发生链置换反应进行问题求解；所述反应结果检测模块实时荧光定量PCR(RT‑qPCR)检测反应产物，显示问题求解结果。
本发明的基于链置换的DNA分子计算机具有高度的并行计算能力。
申请人：重庆交通大学
地址：402247 重庆市江津区双福新区福星大道1号
国籍：CN
更多信息请下载全文后查看。
粘贴DNA计算模型的几种分子逻辑门的实现
粘贴DNA计算模型的几种分子逻辑门的实现
王延峰;崔光照
【期刊名称】《计算机工程与应用》
【年(卷),期】2006(42)1
【摘要】理论上来说,基于DNA的分子逻辑门是DNA计算机体系结构的产生基础和DNA计算机实现技术的硬件基础.在这篇论文中,我们在先前提出的基于粘贴DNA计算模型的分子逻辑与门的实现方法的基础上,进一步提出了基于粘贴DNA 计算模型的分子逻辑或门和与非门的实现方法.与先前方法类似,逻辑门、输入信号和输出信号是DNA分子.可以实现OR,NOT和NAND类型的逻辑门操作.需要使用包括聚合酶链反应(PCR),琼脂糖凝胶电泳,探针的标记与检测等生物工程技术.这些技术集成于DNA芯片中可用于DNA计算机的研制.
【总页数】4页(P31-33,46)
【作者】王延峰;崔光照
【作者单位】华中科技大学控制科学与工程系,武汉,430074;郑州轻工业学院电气信息工程学院,郑州,450002
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.DNA自组装模型的几种分子逻辑门的计算 [J], 单静怡;唐静静;殷志祥
2.基于粘贴DNA计算模型的分子逻辑与门的实现 [J], 黄布毅;王延峰;崔光照
3.基于 DNA 链置换的分子逻辑门计算模型 [J], 张文逸;殷志祥
4.基于分子信标的逻辑门的计算模型 [J], 刘文斌;朱翔鸥;殷志祥
5.用分子信标作为粘贴串的DNA计算模型的逻辑门 [J], 唐静静;单静怡;;
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
结合荧光标记的DNA链置换技术实现DNA逻辑门---非门，异或门1.引言计算机技术被认为是20世纪三大科学革命之一，电子计算机为社会的发展起到了巨大的促进作用，但是量子物理学已经成功的预测出芯片微处理能力的增长不能长期地保持下去。
基于这一原因，科学家们正在寻找其他全新的计算机结构，例如人工神经网络计算机、量子计算机、光学计算机等及DNA计算机。
1994年，美国加利福尼亚大学的Adleman博士提出利用DNA(脱氧核糖核酸)对一个图论中的NP．完全问题．有向图的Hamilton路问题进行编码，借助连接、变性、复性、PCR扩增、电泳等生物操作可以求解出这一问题。
这一研究成果引起了数学、物理、化学以及生物界科学家们的广泛关注，也开辟了DNA计算的新纪元。
随后许多有关专家纷纷探讨并研究了DNA计算乃至DNA计算机的可行性。
这无疑是一个极具开发价值的研究领域。
具体原因如下：DNA计算具有高度的并行性，运算速度快，一周的运算量相当于所有电子计算机从问世以来的总运算量。
(1)DNA作为信息的载体其储存的容量非常之大，1m3的DNA溶液可存储的二进制数据，远远超过当前全球所有电子计算机的总存储量。
(2)DNA计算机所消耗的能量只占一台电子计算机完成同样计算所消耗的能量的十亿分之一。
(3)DNA分子的资源很丰富。
总之，DNA计算机的出现将会给人类文明带来一个质的飞跃，给全球带来巨大的改变。
就DNA计算机的上述优点及应用前景吸引了不同学科、不同领域的很多科学家，尤其是计算机科学家、生物学、化学、数学、物理和工程等领域的科学家。
2.DNA计算的基本思想DNA计算是一种以DNA为主及其相关的生物酶等作为最基本的原料、基于某些生化反应原理的一种新型的分子生物计算方法。
DNA计算的基本思想是：利用DNA 特殊的双螺旋结构和碱基互补配对原则进行信息编码，把要运算的对象映射成DNA分子链，在生物酶的催化作用下，生成各种数据池，然后按照一定的原则将原始问题的数据运算高度并行的映射成DNA分子链的可控的生化反应过程。
最后，利用分子生物技术如聚合链反应PCR、超声波降解、亲和层析、克隆、诱变、分子纯化、电泳、磁珠分离等，检测所需要的运算结果。
在DNA计算的基础上，人们的研究开始分化开来，不仅仅局限于“运算”方面，近年来有不少科学家从最简便的布尔运算入手，利用DNA计算实现了部分逻辑门。
3.计算机及分子逻辑门及DNA链置换的介绍在2l世纪的高科技时代，计算机已经成为人们工作、生活不可缺少的一部分。
而一台电子计算机的内部实际上是由许许多多的数字电路组成，而数字电路可以看作是用电子器件实现的逻辑门网络。
逻辑门可执行一个或多个逻辑输入的逻辑运算，并产生一个逻辑输出。
逻辑操作遵循布尔逻辑，这样的逻辑门就称为布尔逻辑门。
所以设计逻辑门就成为设计数字电路甚至计算机的关键步骤。
逻辑门是集成电路上的基本组件，是实现运算和逻辑操作的基础。
简单的逻辑门可由晶体管组成，这些晶体管的组合可以使代表两种信号的高低电平在通过它们之后产生高电平或低电平的信号。
高、低电平可以分别代表逻辑上的“真”和“假”或者二进制当中的“1”和“0”，从而实现逻辑运算。
与数字电路中的逻辑门概念类似，分子逻辑门是对分子或超分子实施两个或两个以上的复杂操作，得到相应的逻辑信号，适用于“0”和“l”二进制的布尔逻辑运算，从而达到数字运算的目的。
1993年，de Silva与其合作者首次把逻辑门概念引入分子与超分子体系，构建了第一个最简单的逻辑与门。
从那以后，各种各样的分子逻辑门与门、或门、异或门(XOR)、或非门(NOR)、与非门(NAND}、异或非门(XNOR)和禁止门(INHIBIT)等的不断涌现，并且越来越复杂，研究越来越热。
令人兴奋的是，越来越多的基于化学体系构建的具有组合功能的复杂逻辑门也不断呈现，如半加法器、半减法器、全加法器和分子密码键盘等，使得人们对于构建分子逻辑门的发展和应用无限憧憬。
分子逻辑门经常使用的输入信号包含光、电、热、磁、机械和化学反应现象等，而经常使用的输出信号往往主要是光信号、电信号以及磁信号等，与传统的半导体无机电子器件操作原理完全不同，分子逻辑器件主要是利用化学体系中分子在外界刺激下发生的酸碱反应、构象变化、光诱导电子、质子和能量转移变换、光诱导的异构化、氧化还原反应和各种超分子化学反应来完成逻辑运算的。
其中，分子开关是分子逻辑门的结构单元，是建立在分子水平上的可逆过程，外界条件的触发改变使分子的结构或构型发生改变，从而表现出信号的变化。
随着人们对微观世界认识的不断深入，纳米技术和分子技术的研究取得了卓越的成绩，人们对分子、离子进行调控，构建了一大批分子开关应用于生物分析检测。
分子逻辑门的应用主要在逻辑运算，用于构建分子整流器、分子导线、分子晶体管、分子开关、分子机器以及分子逻辑器件等。
通常，分子逻辑门对输入的物理或化学信号进行相应的物理或化学信号输出。
所以，很多材料如DNA、RNA、蛋白质和其它有机分子均可用于构建分子逻辑门，这种逻辑门具备的生物化学信息也可以应用于生物化学分子的检测以及结构功能的调控。
DNA链置换是应用DNA分子单链间的粘贴互补，通过加入DNA链来释放另一条链(如图1)。
这种技术具有白发性，灵敏度高和准确性等优点。
近年来在Science 等杂志上都发表了大量的文章，在生物检测领域也具有广泛的应用前景。
近年来，DNA计算发展迅速，特别是在DNA分子自组装，DNA纳米装置等方面。
但是随着DNA计算解决问题的规模增大及DNA分子数量在求解过程中急剧增加以及DNA分子结构复杂性的加大，求解过程中实验过程繁琐且存在误差，导致DNA 计算中解的标记与检测变得更加困难。
在解决难题中，DNA计算中的荧光技术逐步获得了普遍的使用。
荧光是指某种常温物质受到某种波长的入射光激发后，其原子中的电子被激发到较高能级产生的发射光。
而且一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。
具有这种性质的出射光就被称之为荧光。
近年来DNA荧光技术在生物学领域中已经有很多应用，如分子信标等技术,rael-time检测技术，DNA荧光标记等。
荧光标记DNA简单便捷，并且可以实时检测，灵敏度也非常高，这些特点都使得其在DNA计算中具有广泛的应用前景。
本文在前人研究的基础上，利用链置换、荧光标记、分子信标等技术，迸一步研究和解决DNA分子逻辑门，将DNA链置换和分子信标、荧光标记相结合来实现逻辑门的非门和异或门。
4.分子信标与DNA链置换相结合实现的逻辑门4.1、自组装DNA计算中的分子结构分子信标是一种由寡聚核苷酸形成的发夹型分子，基本结构如图2。
它包括一个环和一个干结构，其中环由与靶细胞互补的核酸碱基序列组成，一般有15～20个碱基；干为两列互补的碱基序列，一般有5～7个碱基对。
反应原理如图3所示。
4.2、分子信标与DNA链置换以及粘贴模型相结合实现NOT逻辑门NOT逻辑门真值表实现NOT逻辑门的设计想法和实现步骤：(1)先制备已有物质，即分子信标与靶细胞发生退火反应生成物如图4所示：(2)当无分子信标输入时，有荧光可见。
如图4所示。
(3)当输入分子信标时，两个互补的分子信标发生链置换反应。
如图5所示：在上述的分子信标链置换反应中，当无分子信标输入时，由于已有的分子信标与靶细胞发生退火反应，所以有荧光显现(图4)。
当输入分子信标时，它置换了已发生构象的分子信标，此两个分子信标结合的方向是带荧光的那端与原分子信标猝灭基团那端互补，因此当反应完全后，恰好荧光基团与猝灭基团靠的比较近，恰好猝灭了分子信标的荧光。
所以结果无荧光现象(图5)所示。
4.3、分子信标与DNA链置换以及粘贴模型相结合实现XOR逻辑门异或门真值表用DNA链置换及分子信标实现异或门的真值表如下(“+”代表输入分子信标A或者输入分子信标B，“一”代表无分子信标输入)设计特殊分子信标（1）设计特殊分子信标A和分子信标B(如图6)，使分子信标A与分子信标B的环和干碱基分别互补。
且互补的长度大于靶细胞与分子信标互补的长度。
（2）设计特殊的靶细胞(图7)，此靶细胞是含有两个粘贴位串的单链DNA分子，两个位串可以与两个分子信标的环部发生退火反应。
（3）实现异或门逻辑门的设计过程如下：当无分子信标输入时，原试剂里只有一条单链的DNA分子(如图8)，即靶细胞存在。
则无荧光显现如图8。
当输入分子信标A时，它与靶分子上的左侧粘贴位串发生退火反应，因此分子信标A由于和靶细胞的左侧位串发生退火反应而发生构象变化，干部的荧光部分和猝灭部分分开，从而有荧光现象，反应过程如图9。
当输入分子信标B时，它与靶细胞上的右边的相应位串的位元发生退火反应，因此分子信标B也发生构象变化，干部的荧光基团被迫和猝灭基团分开，从而荧光基团的荧光得以恢复，反应过程如图10。
当同时输入分子信标A和分子信标B时，由于分子信标A和分子信标B的干部和环部分别碱基互补，而且它们的碱基互补长度大于分子信标A(或B)与靶细胞的碱基互补长度，互补的方向是分子信标的荧光基团与猝灭基团靠近，从而荧光被猝灭基团所猝灭，所以当同时输入分子信标A和B时，无荧光显现，如图11所示。
在上述实现异或门的设计中，我们很容易操作和观察异或门实现的过程。
它具有很好可观察性和易控制性。
小结本章在前人的基础上运用DNA自组装和DNA链置换两种计算方法实现了逻辑非门和逻辑异或门，此两种逻辑门的实现过程易于操作，易于观察。
使DNA的计算方法很好的结合在一起，也很好的解决逻辑门的计算。
因为计算机离不开逻辑门，而DNA计算又是新兴的一种解决硅计算机瓶颈的一种方法。
所以DNA逻辑门的实现很是关键。
这章的内容可行性很高。
但是也有不足的地方，比如要设计特殊的分子信标，这样给模型带来了一定的困难，还需要进一步研究和改进。
注：本文出自2014年6月4日，安徽理工大，DNA计算在逻辑门中的应用。