三輸入三輸出的dna算法自組裝六邊形結(jié)構(gòu)模型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及DNA自組裝和DNA計算領(lǐng)域，特別涉及一種三輸入三輸出的DNA算法 自組裝六邊形結(jié)構(gòu)模型。
【背景技術(shù)】
[0002] DNA以其特有的雙螺旋結(jié)構(gòu)和堿基互補(bǔ)配對特征，非常適合程序化自組裝過程?；?于DNA自底向上的自組裝研宄始于30年前，吸引了全球范圍內(nèi)的多個實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)研 宄。DNA算法自組裝基于DNAtile結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是一簇具有分支結(jié)構(gòu)的DNA交叉分子，其 每個分子都有粘性末端，可以與其他互補(bǔ)的DNAtile互補(bǔ)結(jié)合，逐漸形成DNA分子網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)。這種DNA算法自組裝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的可編程性，形成過程中無需人工干預(yù)，而且計 算并行性很強(qiáng)。其靈活的DNAtile設(shè)計方法提供了納米尺度的自底向上的編程方法，DNA tile算法自組裝模型被證明是圖靈等價的。
[0003] 由于目前計算機(jī)系統(tǒng)都是基于體硅工藝，隨著芯片的集成度逐步提高，芯片尺寸 的持續(xù)縮小，目前硅工藝已經(jīng)接近硅工作的物理極限。以DNA自組裝計算為代表的生物分 子計算有望大幅度降低計算機(jī)芯片的邏輯元件尺寸，從而進(jìn)一步挺高芯片的集成度。研宄 表明，應(yīng)用DNA算法自組裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字計算具有運(yùn)算速度快，并行處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，應(yīng) 用DNA算法自組裝技術(shù)有望提高計算機(jī)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲等多方面性能?，F(xiàn)代計算機(jī)的 數(shù)字電路都是基于布爾邏輯，其基本組成單位為各種門級電路，如與門，或門等。傳統(tǒng)研宄 中已有學(xué)者提出基于DNA算法自組裝的門級器件，但是這些研宄都是基于二輸入二輸出的 DNA算法自組裝模型。
[0004] 本發(fā)明提出一種三輸入三輸出的DNA算法自組裝六邊形結(jié)構(gòu)模型，該模型能夠有 效改善傳統(tǒng)的算法自組裝的錯配率較大的問題，提高了自組裝的可靠性。由于六邊形結(jié)構(gòu) 具有三個輸入輸出方向，該DNA算法自組裝六邊形結(jié)構(gòu)模型能夠?qū)崿F(xiàn)三輸入三輸出的邏輯 功能，這在DNA計算領(lǐng)域?qū)⑹且粋€突破。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種三輸入三輸出的DNA算法自組裝六邊形結(jié)構(gòu)模型， 其三輸入三輸出六邊形結(jié)構(gòu)子單元由一條DNA單鏈組成，六邊形單鏈?zhǔn)褂貌煌木幋a方 式，在三個方向上能夠執(zhí)行三輸入三輸出的算法。
[0006] 進(jìn)一步地，應(yīng)用該DNA算法自組裝六邊形結(jié)構(gòu)模型可以通過執(zhí)行異或邏輯算法， 并且用一條兩端為多個邏輯0中心為邏輯1的長單鏈作為輸入，構(gòu)造出Sierpinski三角 形。此外，基于該DNA算法自組裝六邊形模型可以生成多種邏輯門和執(zhí)行多種運(yùn)算。
[0007] 進(jìn)一步地，為使相鄰的DNA算法自組六邊形單鏈滿足異或邏輯關(guān)系，該DNA算法自 組六邊形單鏈需要實(shí)現(xiàn)四種輸入輸出情況，分別為兩種輸出為〇的鏈和兩種輸出為1的鏈， DNA單鏈六邊形模型使用不同的編碼序列來區(qū)分輸入輸出端的邏輯0或1，并且在輸出為1 的鏈末端連接納米金顆粒來區(qū)別輸出0和1鏈，在通過使用原子力顯微鏡可以直觀區(qū)別輸 出0和1。此外，應(yīng)用該DNA算法自組裝六邊形模型可以生成與門、或門、非門等多種邏輯單 元器件。
[0008] 進(jìn)一步地，DNA算法自組六邊形單鏈可以選擇多種標(biāo)記方法，如：納米金-疏基化 寡核苷酸、生物素-鏈霉親和素和熒光基團(tuán)。
[0009] 本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：本發(fā)明的三輸入三輸出的DNA 算法自組裝六邊形結(jié)構(gòu)模型能夠有效改善傳統(tǒng)的算法自組裝的錯配率較大的問題，為了提 高自組裝的可靠性。由于六邊形結(jié)構(gòu)具有三個輸入輸出方向，該DNA算法自組裝六邊形結(jié) 構(gòu)模型能夠?qū)崿F(xiàn)三輸入三輸出的邏輯功能，這在DNA計算領(lǐng)域?qū)⑹且粋€突破。
[0010] 除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。 下面將參照圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
【附圖說明】
[0011] 構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí) 施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：
[0012] 圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的DNA算法自組裝六邊形示意圖；
[0013] 圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的基于DNA六邊形單鏈的4種異或邏輯示意圖；
[0014] 圖3是根據(jù)圖2的基于DNA六邊形單鏈的4種異或邏輯結(jié)構(gòu)生成的邏輯表達(dá)示意 圖。
[0015] 圖4是發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的應(yīng)用DNA六邊形模型合成的Sierpinski三角形結(jié)構(gòu)示 意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 為更好地理解本發(fā)明，以下將結(jié)合附圖對發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0017] 請參照圖1，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的DNA算法自組裝六邊形示意圖。由于六邊形結(jié)構(gòu) 簡單穩(wěn)定，有三個方向，因此最多可以實(shí)現(xiàn)三輸入三輸出的功能，比如可以用來構(gòu)建全加器 (三輸入兩輸出）。
[0018] 請結(jié)合參照圖2,基于DNA算法自組裝六邊形模型設(shè)計出兩種0鏈和兩種1鏈，1 鏈末端連接納米金顆粒作為標(biāo)記，并且DNA單鏈六邊形模型使用不同的編碼序列來區(qū)分輸 入輸出端的邏輯〇或1，使得它們不僅能在平面內(nèi)擴(kuò)展，并且相鄰的六邊形滿足異或邏輯關(guān) 系。圖中a0_a0'，al_al'，b0_b0'，bl_bl'，cl_cl'，c2_c2'分別以堿基互補(bǔ)配對原則進(jìn)行 配對結(jié)合。
[0019] 請結(jié)合參照圖3,根據(jù)圖2的基于DNA六邊形單鏈的4種異或邏輯結(jié)構(gòu)生成的邏輯 表達(dá)示意圖。在異或邏輯邏輯中，我們假設(shè)A、B作為信號輸入端，C為異或輸出，其數(shù)學(xué)表 達(dá)式為：C=J十召
[0020] 異或真值表為：
[0021]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種三輸入三輸出的DNA算法自組裝六邊形結(jié)構(gòu)模型，其特征在于：其三輸入三輸 出六邊形結(jié)構(gòu)子單元由一條DNA單鏈組成，結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，六邊形單鏈?zhǔn)褂貌煌木幋a方 式，在三個方向上能夠執(zhí)行三輸入三輸出的算法，而多個六邊形結(jié)構(gòu)級聯(lián)又能實(shí)現(xiàn)多輸入 輸出的更復(fù)雜的運(yùn)算。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三輸入三輸出的DNA算法自組裝六邊形結(jié)構(gòu)模型，其特 征在于：應(yīng)用該DNA算法自組裝六邊形結(jié)構(gòu)模型可以通過執(zhí)行異或邏輯算法，構(gòu)造出 Sierpinski 三角形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三輸入三輸出的DNA算法自組裝六邊形結(jié)構(gòu)模型，其特征在 于：為使相鄰的DNA算法自組六邊形單鏈滿足異或邏輯關(guān)系，該DNA算法自組六邊形單鏈需 要實(shí)現(xiàn)四種輸入輸出情況，分別為兩種輸出為〇的鏈和兩種輸出為1的鏈，DNA單鏈六邊形 模型使用不同的編碼序列來區(qū)分輸入輸出端的邏輯〇或1，并且在輸出為1的鏈末端連接納 米金顆粒來區(qū)別輸出O和1鏈，在通過使用原子力顯微鏡可以直觀區(qū)別輸出O和1。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三輸入三輸出的DNA算法自組裝六邊形結(jié)構(gòu)模型，其特征在 于：DNA算法自組六邊形單鏈可以選擇多種標(biāo)記方法，如：納米金-巰基化寡核苷酸、生物 素-鏈霉親和素和熒光基團(tuán)。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種三輸入三輸出的DNA算法自組裝六邊形結(jié)構(gòu)模型，其三輸入三輸出六邊形結(jié)構(gòu)子單元由一條DNA單鏈組成，六邊形單鏈的六條邊使用不同的編碼序列，在三個方向上能夠執(zhí)行三輸入三輸出的算法。并以基于該DNA六邊形模型通過堿基互補(bǔ)配對執(zhí)行異或邏輯而構(gòu)成異或門合成Sierpinski三角形為例來證明其自組裝邏輯的可靠性。該模型能夠有效改善傳統(tǒng)的算法自組裝的錯配率較大的問題，提高了自組裝的可靠性。由于六邊形結(jié)構(gòu)具有三個輸入輸出方向，單個六邊形結(jié)構(gòu)模型最多能夠?qū)崿F(xiàn)三輸入三輸出的邏輯功能，而多個六邊形結(jié)構(gòu)級聯(lián)能實(shí)現(xiàn)多輸入輸出的更復(fù)雜的運(yùn)算，這在DNA計算領(lǐng)域?qū)⑹且粋€突破。
【IPC分類】G06F19-12
【公開號】CN104751014
【申請?zhí)枴緾N201510130954
【發(fā)明人】石曉龍, 陳智華, 張征, 潘林強(qiáng), 劉倩, 宋弢, 王之煜, 武曉旭, 陳從周, 沈濤
【申請人】華中科技大學(xué)
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年3月25日