一種基于dna雙螺旋結(jié)構(gòu)的光激性邏輯電路的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于DNA納米技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的光激性邏輯電路的設(shè)計(jì)方法。運(yùn)用局部的光學(xué)信號傳遞來實(shí)現(xiàn)生物邏輯功能是DNA分子邏輯電路的熱門應(yīng)用，本發(fā)明首先利用DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)作為支架平臺，設(shè)計(jì)了一種利用兩層的DNA鏈置換反應(yīng)來編碼熒光分子的位置信息，相比于單層的DNA鏈置換編碼方式，在使用相同個(gè)數(shù)的熒光分子條件下，其輸入信號是單層鏈置換編碼方式的兩倍，同時(shí)借助熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多通道輸入、多功能的光激性邏輯電路。
【專利說明】
一種基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的光激性邏輯電路的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[00011本發(fā)明屬于DNA納米技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的光激性邏輯電路的 設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 生物系統(tǒng)利用分子間的動(dòng)態(tài)相互作用來管理它們的復(fù)雜行為過程，那么對觀察和 操縱這些分子間的反應(yīng)技術(shù)的發(fā)展就顯得至關(guān)重要，這種技術(shù)能夠推動(dòng)在生物體內(nèi)智能成 像和智能療法。為了實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)方法，分子邏輯電路便是一個(gè)有用的工具，它能夠在分子 層面上，控制分子反應(yīng)的過程。在常規(guī)的設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜邏輯電路，往往是通 過邏輯門的級聯(lián)來實(shí)現(xiàn)的。由于這種電路是依靠DNA分子在溶液環(huán)境下通過擴(kuò)散一步步反 應(yīng)的，通常需要花費(fèi)更長的運(yùn)算時(shí)間，相比之下，在生物體的控制系統(tǒng)里面，特定分子復(fù)合 物上的局部信號可以用于提供快速反應(yīng)過程和完成復(fù)雜的分子系統(tǒng)控制。這種運(yùn)用局部信 號的策略增加了分子邏輯電路的運(yùn)算速度。
[0003] 熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)就是一種局部信號傳遞技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)相距很近的兩個(gè) 熒光分子之間產(chǎn)生的一種能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。通常兩個(gè)熒光分子的距離在10納米的范圍以內(nèi)， 當(dāng)作為供體的熒光分子發(fā)射的光譜與受體熒光分子的吸收光譜有重疊部分時(shí)，就會發(fā)生一 種非放射性的能量轉(zhuǎn)移，使得供體熒光猝滅，而受體發(fā)射的熒光卻大大增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)能量 轉(zhuǎn)移。熒光分子的間距越短，能量傳遞的效率越高。
[0004] 利用DNA分子反應(yīng)的可預(yù)測性和可編程性，將熒光分子修飾在輸入DNA分子單鏈 上，通過單層的DNA鏈置換反應(yīng)，就能對熒光基團(tuán)在DNA雙螺旋上的位置實(shí)現(xiàn)精確控制。同時(shí) 借助熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子光激性邏輯電路的設(shè)計(jì)方 法。
[0005] Visual DSD軟件是一種快速仿真、分析由DNA鏈置換反應(yīng)構(gòu)成的分子邏輯電路的 有力工具。該軟件支持DNA電路生化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的程序編輯及快速建模，還可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的 仿真測試，能依據(jù)仿真結(jié)果完成對DNA電路正確性的評估以及對DNA鏈動(dòng)力學(xué)特性的分析研 究。該軟件可以自動(dòng)給出不同DNA鏈之間所有可能的反應(yīng)關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)前，通過軟件進(jìn)行有 效的系統(tǒng)分析，及時(shí)更正設(shè)計(jì)上的不足，可以提高實(shí)驗(yàn)的成功率，不必要的歪路和費(fèi)用支 出。在軟件的程序編碼區(qū)，可設(shè)定參加反應(yīng)的DNA鏈的種類、默認(rèn)的反應(yīng)速率以及仿真圖中 曲線的規(guī)模尺寸等參數(shù)。在軟件中可以對DNA種類、門極、DNA片段以及模塊等進(jìn)行有效定 義，然而并不能仿真發(fā)卡結(jié)構(gòu)類型和基于DNA分子瓦類型的鏈置換反應(yīng)。而在新版的擴(kuò)展 DSD軟件里，這些問題得到解決，新的語法使我們很容易定義發(fā)卡結(jié)構(gòu)、DNA分子瓦和栓系型 DNA鏈。新的語法和反應(yīng)規(guī)則讓編碼在分子瓦片上的DNA鏈置換反應(yīng)成為可能。擴(kuò)展DSD軟件 可以方便地用于對大型復(fù)雜的構(gòu)建在分子瓦片上的邏輯電路進(jìn)行模擬和分析。強(qiáng)大的仿真 能力，更加方便設(shè)計(jì)人員的仿真分析。本軟件的下載網(wǎng)址為：h t t p : / / dsd.azurewebsites.net/beta/。
[0006] 在常規(guī)的分子光激性電路設(shè)計(jì)中，輸入信號的編碼通過單層的DNA鏈置換反應(yīng)，每 一條DNA輸入鏈典型地控制一個(gè)熒光分子的位置，如圖1所示，構(gòu)建基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的邏 輯電路一般需要兩個(gè)步驟，分別是輸入信號的編碼和光激性信號的傳遞。具體的，當(dāng)向溶液 中添加輸入鏈A1，隨著小支點(diǎn)al的互補(bǔ)配對，燃料鏈Π的發(fā)卡結(jié)構(gòu)被打開，導(dǎo)致隱藏的小支 點(diǎn)yl暴露出來，得到功能復(fù)合物cUyl小支點(diǎn)域又和DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)上裸露的小支點(diǎn)域yl* 堿基互補(bǔ)配對，從而導(dǎo)致鏈置換反應(yīng)的發(fā)生。同時(shí)置換出輸出鏈wl，使得熒光分子順利地綁 定到由<y 1 *s 1 *>構(gòu)成的識別位點(diǎn)1上。
[0007] 通過單層DNA鏈置換編碼，成功地實(shí)現(xiàn)了對熒光分子Cy3位置的控制，當(dāng)然，DNA雙 螺旋結(jié)構(gòu)是由很多的識別位點(diǎn)組合構(gòu)成的，如圖1(a)。利用相同的編碼原理，當(dāng)向溶液中添 加輸入鏈A2時(shí)，Cy3.5熒光分子成功地與識別位點(diǎn)2結(jié)合。如果在η個(gè)輸入鏈的作用下，η個(gè)熒 光分子在DNA雙螺旋上的位置都可以精確地控制。其中，把Cy3染料作為供體，在特定波長激 光的激發(fā)下，通過(n-1)步的能量傳遞，最終將能量傳給受體，這些熒光分子共同組成一條 熒光分子能量轉(zhuǎn)移路徑。但是受到熒光能量傳遞效率和熒光分子種類的影響，熒光能量傳 遞的步數(shù)也受到了限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供一種基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的光激性邏輯電路的設(shè)計(jì)方法及其監(jiān)測方 法，借助熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多通道輸入、多功能的光激性邏輯電路。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0010] -種基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的光激性邏輯電路的設(shè)計(jì)方法，所述光激性邏輯電路設(shè) 計(jì)的具體步驟如下：
[0011] (1)基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的光激性電路設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)反應(yīng)中需要的輸入鏈、燃料 DNA鏈和DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)；
[0012] (2)輸入信號的編碼：向溶液中添加輸入鏈11和輸入鏈12，經(jīng)過邏輯門gl，在小支 點(diǎn)t的作用下，輸入鏈11首先和門復(fù)合物反應(yīng)，產(chǎn)生初步反應(yīng)后的門復(fù)合物，輸入鏈12和初 步反應(yīng)后的門復(fù)合物進(jìn)行不可逆的鏈置換反應(yīng)，使得反應(yīng)朝著正方向進(jìn)行，置換出中間鏈 A1;
[0013] (3)光激性信號的傳遞:步驟(2)中置換產(chǎn)生的中間鏈A1，在中間鏈A1的小支點(diǎn)al 的作用下，燃料鏈Π的發(fā)卡結(jié)構(gòu)被打開，導(dǎo)致隱藏的小支點(diǎn)yl暴露出來，得到功能復(fù)合物 c 1;小支點(diǎn)y 1的小支點(diǎn)域又和DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)上裸露的小支點(diǎn)域y 1 *堿基互補(bǔ)配對，從而導(dǎo) 致鏈置換反應(yīng)的發(fā)生；同時(shí)置換出輸出鏈wl，熒光分子Cy3成功地與識別位點(diǎn)I結(jié)合，同樣的 策略，輸入鏈13和輸入鏈14在邏輯門g2和燃料鏈f 2的作用下，置換出輸出鏈w2;并成功地與 識別位點(diǎn)Π結(jié)合；
[0014] (4)熒光能量通路:在η個(gè)輸入鏈的作用下，η個(gè)熒光分子在DNA雙螺旋上的位置都 可以精確地控制;把熒光分子Cy3作為供體，在特定波長激光的激發(fā)下，通過n-1步的能量傳 遞，最終將能量傳給受體，這些熒光分子共同組成一條熒光分子能量轉(zhuǎn)移路徑。
[0015] 所述燃料鏈上設(shè)有熒光分子，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)上設(shè)有熒光分子識別位點(diǎn)。
[0016]所述供體和受體都為熒光分子。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:運(yùn)用局部的光學(xué)信號傳遞來實(shí)現(xiàn)生物邏輯功能是DNA分 子邏輯電路的熱門應(yīng)用，首先利用DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)作為支架平臺，設(shè)計(jì)了一種利用兩層的 DNA鏈置換反應(yīng)來編碼熒光分子的位置信息，相比于單層的DNA鏈置換編碼方式，在使用相 同個(gè)數(shù)的熒光分子條件下，其輸入信號是單層鏈置換編碼方式的兩倍。同時(shí)借助熒光共振 能量轉(zhuǎn)移技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多通道輸入、多功能的光激性邏輯電路。
【附圖說明】
[0018]圖1為單層DNA鏈置換編碼熒光的位置信息。
[0019]圖2為雙層DNA鏈置換編碼熒光的位置信息。
[0020]圖3為第二層邏輯為與門的編碼原理圖。
[0021]圖4為第二層邏輯為或門的編碼原理圖。
[0022]圖5為第二層邏輯為與門和或門組合的編碼原理圖。
[0023]圖6為單層編碼方式的CRN仿真。
[0024]圖7為兩層與門編碼方式的CRN仿真。
[0025] 圖8為兩層或門編碼方式的仿真。
[0026] 圖9為識別位點(diǎn)I的仿真。
[0027] 圖10為識別位點(diǎn)Π的仿真。
[0028] 圖11為常規(guī)DNA鏈置換反應(yīng)原理。
【具體實(shí)施方式】
[0029] -種基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的光激性邏輯電路的設(shè)計(jì)方法，所述光激性邏輯電路的 設(shè)計(jì)方法的具體步驟如下：
[0030] (1)基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的光激性電路設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)反應(yīng)中需要的輸入鏈、燃料 DNA鏈和DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)；
[0031 ] (2)輸入信號的編碼：向溶液中添加輸入鏈11和輸入鏈12，經(jīng)過邏輯門gl，在小支 點(diǎn)t的作用下，輸入鏈11首先和門復(fù)合物反應(yīng)，產(chǎn)生初步反應(yīng)后的門復(fù)合物，輸入鏈12和初 步反應(yīng)后的門復(fù)合物進(jìn)行不可逆的鏈置換反應(yīng)，使得反應(yīng)朝著正方向進(jìn)行，置換出中間鏈 A1;
[0032] (3)光激性信號的傳遞:步驟(2)中置換產(chǎn)生的中間鏈A1，在中間鏈A1的小支點(diǎn)al 的作用下，燃料鏈Π的發(fā)卡結(jié)構(gòu)被打開，導(dǎo)致隱藏的小支點(diǎn)yl暴露出來，得到功能復(fù)合物 c 1;小支點(diǎn)y 1的小支點(diǎn)域又和DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)上裸露的小支點(diǎn)域y 1 *堿基互補(bǔ)配對，從而導(dǎo) 致鏈置換反應(yīng)的發(fā)生；同時(shí)置換出輸出鏈wl，熒光分子Cy3成功地與識別位點(diǎn)I結(jié)合，同樣的 策略，輸入鏈13和輸入鏈14在邏輯門g2和燃料鏈f 2的作用下，置換出輸出鏈w2;并成功地與 識別位點(diǎn)Π結(jié)合；
[0033] (4)熒光能量通路:在η個(gè)輸入鏈的作用下，η個(gè)熒光分子在DNA雙螺旋上的位置都 可以精確地控制;把熒光分子Cy3作為供體，在特定波長激光的激發(fā)下，通過η-1步的能量傳 遞，最終將能量傳給受體，這些熒光分子共同組成一條熒光分子能量轉(zhuǎn)移路徑。
[0034]所述燃料鏈上設(shè)有熒光分子，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)上設(shè)有熒光分子識別位點(diǎn)。
[0035]所述供體和受體都為熒光分子。
[0036]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0037] 1.光激性邏輯電路的設(shè)計(jì)方法
[0038] 在常規(guī)的分子光激性電路設(shè)計(jì)中，輸入信號的編碼通過單層的DNA鏈置換反應(yīng)，每 一條DNA輸入鏈典型地控制一個(gè)熒光分子的位置，如圖1所示，構(gòu)建基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的邏 輯電路一般需要兩個(gè)步驟，分別是輸入信號的編碼和光激性信號的傳遞。
[0039] DNA鏈置換原理:驅(qū)動(dòng)DNA鏈置換反應(yīng)的自由能來自于DNA堿基對的特異性結(jié)合。它 的反應(yīng)過程是自發(fā)進(jìn)行的。小支點(diǎn)鏈置換反應(yīng)包括三個(gè)階段，如圖11所示。由于小支點(diǎn)區(qū)域 的特異性結(jié)合，作為輸入的鏈A開始與復(fù)合物X反應(yīng)，經(jīng)歷分支迀移過程，最終反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定 狀態(tài)，被置換出來的單鏈B作為系統(tǒng)的輸出。這是最基本的無酶參與的小支點(diǎn)鏈置換反應(yīng)。 [0040]小支點(diǎn)（區(qū)域3)的長度通常由4~6個(gè)堿基序列組成，小支點(diǎn)的長短將會直接影響 鏈置換反應(yīng)的反應(yīng)速率：當(dāng)小支點(diǎn)的堿基個(gè)數(shù)較少時(shí)，反應(yīng)速率慢；當(dāng)小支點(diǎn)的堿基個(gè)數(shù)較 多時(shí)，反應(yīng)速率變快。二者之間呈現(xiàn)指數(shù)比例關(guān)系，當(dāng)堿基個(gè)數(shù)接近6~10個(gè)時(shí)，鏈置換反應(yīng) 速率將接近飽和態(tài)。結(jié)構(gòu)區(qū)域位點(diǎn)（區(qū)域2)具有較長的序列片段，一般含有10-20bp個(gè)堿基。 [0041 ]具體的，當(dāng)向溶液中添加輸入鏈A1，隨著小支點(diǎn)al的互補(bǔ)配對，燃料鏈Π的發(fā)卡結(jié) 構(gòu)被打開，導(dǎo)致隱藏的小支點(diǎn)yl暴露出來，得到功能復(fù)合物cl。 71小支點(diǎn)域又和DNA雙螺旋 結(jié)構(gòu)上裸露的小支點(diǎn)域yl*堿基互補(bǔ)配對，從而導(dǎo)致鏈置換反應(yīng)的發(fā)生。同時(shí)置換出輸出鏈 wl，使得熒光分子順利地綁定到由<yl*sl*>構(gòu)成的識別位點(diǎn)1上。通過單層DNA鏈置換編碼， 成功地實(shí)現(xiàn)了對熒光分子Cy3位置的控制，當(dāng)然，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)是由很多的識別位點(diǎn)組合 構(gòu)成的，如圖1 (a)。利用相同的編碼原理，當(dāng)向溶液中添加輸入鏈A2時(shí)，Cy3.5熒光分子成功 地與識別位點(diǎn)2結(jié)合。如果在η個(gè)輸入鏈的作用下，η個(gè)熒光分子在DNA雙螺旋上的位置都可 以精確地控制。其中，把Cy3染料作為供體，在特定波長激光的激發(fā)下，通過(η-1)步的能量 傳遞，最終將能量傳給受體，這些熒光分子共同組成一條熒光分子能量轉(zhuǎn)移路徑。但是受到 熒光能量傳遞效率和熒光分子種類的影響，熒光能量傳遞的步數(shù)也受到了限制。
[0042]在單層邏輯編碼的基礎(chǔ)上，提出了一種利用兩層DNA鏈置換技術(shù)去編碼熒光位置 的方法。如圖2所示，在原來編碼的基礎(chǔ)上，又添加了一層DNA邏輯門來編碼熒光分子的位 置。在該策略中，第一層邏輯門的輸出是單層編碼中的輸入鏈Α1和Α2;輸入鏈II和12在邏輯 門gl的作用下，輸出中間DNA鏈Α1。同樣的策略，輸入鏈13和14在邏輯門g2的作用下，輸出中 間DNA鏈A2。第二層的鏈置換反應(yīng)與單層邏輯編碼方式完全一樣。利用兩層的DNA編碼方式， 如果熒光分子對綁定到相鄰的識別點(diǎn)位置上，例如識別位點(diǎn)II和識別位點(diǎn)Π 2。對于熒光能 量轉(zhuǎn)移路徑來說，這兩個(gè)熒光分子都是不可缺少的，那么，第二層鏈置換反應(yīng)的邏輯是與門 的功能，正如圖3所示。圖3(a)表示的是單層編碼方式下邏輯與門電路的編碼原理；圖3(b) 表示的是兩層編碼方式下第二層為與門電路的編碼原理。中間鏈A1和A2的關(guān)系是與的關(guān) 系。經(jīng)過DNA鏈置換反應(yīng)，必須得保證中間鏈A1和A2同時(shí)生成，才能保證兩個(gè)熒光分子分別 結(jié)合識別位點(diǎn)1和2。同時(shí)，對于第一層邏輯門gl和g2來說，它們的邏輯功能是可以自主設(shè)計(jì) 的，只要能確保中間鏈A1和A2同時(shí)生成即可，正如表1所示的，邏輯門gl和g2的邏輯是所有 與門和或門的排列組合，gl和g2不同的邏輯功能組合方式，對應(yīng)著不同的計(jì)算結(jié)果。以邏輯 門gl和g2同時(shí)為與門為例的話，邏輯電路的計(jì)算結(jié)果是四輸入的與門電路，即（II · 12 · 13 · 14)。只有四條輸入鏈同時(shí)反應(yīng)，才能保證Cy3和Cy3.5熒光分子分別結(jié)合識別位點(diǎn)1和 識別位點(diǎn)2，共同構(gòu)成熒光能量轉(zhuǎn)移路徑。
[0043] 表1不同的gl和g2邏輯下對應(yīng)的多功能邏輯電路
[0045]利用兩層的DNA編碼方式，如果多個(gè)相同的熒光分子綁定到相同的識別位點(diǎn)上，正 如圖4所示，圖4(a)表示的是單層編碼方式下邏輯或門電路的編碼原理；圖4(b)表示的是兩 層編碼方式下第二層為或門電路的編碼原理。相同的熒光分子都能和識別位點(diǎn)2結(jié)合，則第 二層鏈置換反應(yīng)的邏輯是或門的功能，也就是說，中間鏈A2和A3的關(guān)系是或的關(guān)系。在這種 熒光排布情況下，經(jīng)過第一層鏈置換反應(yīng)，只要有中間鏈A2或者A3生成一條即可，因?yàn)闊o論 是A2或者A3鏈，在第二層的鏈置換反應(yīng)中，都能保證熒光分子和識別位點(diǎn)2結(jié)合，唯一不同 的就是熒光分子來自于不同的燃料鏈。同時(shí)，對于第一層邏輯門g2和g3來說，它們的邏輯值 是可以自主設(shè)計(jì)的，只要能保證中間鏈A2或者A3有一條鏈生成即可，正如表2所示的，邏輯 門g2和g3的邏輯是所有與門和或門的排列組合，以邏輯門g2和g3同時(shí)為或門為例的話，邏 輯電路的計(jì)算結(jié)果是四輸入的或門電路，即（13+14+15+16)。也就是說，只要有任意的輸入 鏈存在，就能保證Cy3.5熒光分子結(jié)合識別位點(diǎn)2，構(gòu)成熒光能量轉(zhuǎn)移通路。
[0046] 表2不同的g2和g3邏輯下對應(yīng)的多功能邏輯電路
[0048]利用兩層的DNA編碼方式，如果熒光分子的結(jié)合方式是上面兩種情況的組合，那 么，第二層鏈置換反應(yīng)的邏輯是或門和與門功能的組合，正如圖5所示，圖5(a)表示的是單 層編碼方式下邏輯與門和或門組合的電路編碼原理；圖5(b)表示的是兩層編碼方式下第二 層為與門和或門組合的電路編碼原理。中間鏈A1和A2的關(guān)系是與的關(guān)系；中間鏈A1和A3也 是與的關(guān)系沖間鏈A2和A3的關(guān)系是或的關(guān)系。在這種熒光排布情況下，經(jīng)過第一層DNA鏈 置換反應(yīng)，只要保證中間鏈A1和A2生成，或者鏈A1和A3生成，就能確保兩個(gè)熒光分子分別結(jié) 合識別位點(diǎn)1和2。同時(shí)，對于第一層邏輯門gl、g2、g3來說，它們的邏輯門功能是可以自主設(shè) 計(jì)的，正如表3所示的，邏輯門gl、g2、g3的邏輯功能是所有與門和或門的排列組合，以邏輯 門gl、g2、g3同時(shí)為與門為例，邏輯電路的計(jì)算結(jié)果是(II · 12) · (13 · 14+15 · 16)。邏輯門 gl、g2和g3不同邏輯功能的組合，能得到不同的電路計(jì)算結(jié)果，是一種多通道輸入、多功能 的光激性邏輯電路。
[0049]表3不同的gl、g2和g3邏輯下對應(yīng)的多功能邏輯電路
[0052] 2.仿真及分析
[0053] 首先，運(yùn)用擴(kuò)展版的DSD軟件對單層編碼方式的光激性邏輯電路進(jìn)行了化學(xué)反應(yīng) 網(wǎng)絡(luò)(CRN)仿真，如圖6所示。從化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)仿真中可以看出，在輸入鏈A1的作用下，經(jīng)過 鏈置換反應(yīng)，導(dǎo)致燃料鏈Π的發(fā)卡結(jié)構(gòu)打開，在小支點(diǎn)yl的作用下，燃料鏈與識別位點(diǎn)1結(jié) 合，進(jìn)而熒光分子被綁定在識別位點(diǎn)1上。同時(shí)wl鏈被釋放出來，并用其作為輸出鏈來檢測 這一反應(yīng)過程。利用同樣的編碼原理，在燃料鏈f2和f3上修飾同種類型的熒光分子，在輸入 鏈A2的作用下，燃料鏈f2與識別位點(diǎn)2結(jié)合，進(jìn)而熒光分子被綁定在識別位點(diǎn)2上。在輸入鏈 A3的作用下，燃料鏈f3與識別位點(diǎn)2結(jié)合，進(jìn)而同種類型的熒光分子被綁定在識別位點(diǎn)2上。 雖然熒光分子來自于不同的燃料鏈，但是都和識別位點(diǎn)2結(jié)合，且熒光分子類型相同，那么 輸入鏈A2和A3是或門的關(guān)系，同時(shí)輸出鏈w2來檢測這一反應(yīng)過程。其次，對雙層編碼方式的 光激性邏輯電路也進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)仿真，以邏輯門gl為與門為例，其具體的反應(yīng)如圖7所 示。在沒有信號鏈輸入的時(shí)候，中間鏈A1無法生成；當(dāng)只有輸入鏈11參與反應(yīng)，在小支點(diǎn)t的 作用下，輸入鏈II首先和門復(fù)合物反應(yīng)，由于該反應(yīng)是可逆反應(yīng)，并不能置換出中間鏈A1; 當(dāng)只有輸入鏈12參與反應(yīng)，鏈置換反應(yīng)不能進(jìn)行，不能置換出中間鏈A1;只有在輸入鏈II和 12的同時(shí)作用下，由于12和初步反應(yīng)后的門復(fù)合物進(jìn)行的是不可逆的鏈置換反應(yīng)，使得反 應(yīng)朝著正方向進(jìn)行，置換出中間鏈A1，最終導(dǎo)致熒光分子和識別位點(diǎn)1結(jié)合，同時(shí)輸出鏈wl 來檢測這一反應(yīng)過程。同時(shí)，假定邏輯門g2的邏輯功能是或的功能，也就是說，只要有任意 的輸入鏈13或者14存在，反應(yīng)就能產(chǎn)生中間鏈A2,進(jìn)而導(dǎo)致熒光分子和識別位點(diǎn)2結(jié)合，其 具體的反應(yīng)如圖8所示。
[0054]在化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)仿真的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了具體的DSD數(shù)據(jù)仿真，如圖9和10所示。設(shè) 置輸入鏈的濃度均為100納摩爾每升，類似于電子電路中高低電平的設(shè)置方法，規(guī)定只要鏈 的濃度小于等于10納摩爾每升時(shí)，認(rèn)定該信號鏈處于"OFF"狀態(tài);鏈的濃度大于等于90納摩 爾每升時(shí)，認(rèn)定該信號鏈處于"0N"狀態(tài);如圖9(a)所示，對于識別位點(diǎn)1的單層編碼方式來 說，設(shè)定反應(yīng)持續(xù)時(shí)間為1000秒，即認(rèn)為鏈置換反應(yīng)在1000秒時(shí)已反應(yīng)充分，圖中紅色和藍(lán) 色曲線描述的就是輸入鏈A1和輸出鏈wl的濃度隨時(shí)間t的變化趨勢。對于識別位點(diǎn)1的兩層 編碼方式來說，如圖9(b)所示，由于涉及到兩層的編碼，其鏈置換反應(yīng)步驟比起單層要多， 其充分反應(yīng)需要更多的反應(yīng)時(shí)間，設(shè)定反應(yīng)持續(xù)時(shí)間為2000秒，正如設(shè)計(jì)的那樣，輸入鏈11 首先參與反應(yīng)，伴隨著輸入鏈II和12的反應(yīng)，輸出鏈wl的濃度不斷增長，最終上升到90納摩 爾每升以上，輸出邏輯為"1"。同時(shí)，對輸入鏈13和14是或門的情況進(jìn)行了仿真，如圖10所 7Jn 〇
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的光激性邏輯電路的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述光激性邏 輯電路設(shè)計(jì)的具體步驟如下： (1) 基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的光激性電路設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)反應(yīng)中需要的輸入鏈、燃料DNA鏈 和DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)； (2) 輸入信號的編碼：向溶液中添加輸入鏈II和輸入鏈12,經(jīng)過邏輯門gl，在小支點(diǎn)t的 作用下，輸入鏈II首先和門復(fù)合物反應(yīng)，產(chǎn)生初步反應(yīng)后的門復(fù)合物，輸入鏈12和初步反應(yīng) 后的門復(fù)合物進(jìn)行不可逆的鏈置換反應(yīng)，使得反應(yīng)朝著正方向進(jìn)行，置換出中間鏈A1; (3) 光激性信號的傳遞:步驟(2)中置換產(chǎn)生的中間鏈A1，在中間鏈A1的小支點(diǎn)al的作 用下，燃料鏈Π 的發(fā)卡結(jié)構(gòu)被打開，導(dǎo)致隱藏的小支點(diǎn)yl暴露出來，得到功能復(fù)合物cl;小 支點(diǎn)yl的小支點(diǎn)域又和DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)上裸露的小支點(diǎn)域yl*堿基互補(bǔ)配對，從而導(dǎo)致鏈置 換反應(yīng)的發(fā)生；同時(shí)置換出輸出鏈wl，熒光分子Cy3成功地與識別位點(diǎn)I結(jié)合，同樣的策略， 輸入鏈13和輸入鏈14在邏輯門g2和燃料鏈f 2的作用下，置換出輸出鏈w2;并成功地與識別 位點(diǎn)Π 結(jié)合； (4 )熒光能量通路:在/3個(gè)輸入鏈的作用下，/3個(gè)熒光分子在DNA雙螺旋上的位置都可以 精確地控制;把熒光分子Cy3作為供體，在特定波長激光的激發(fā)下，通過/2-1步的能量傳遞， 最終將能量傳給受體，這些熒光分子共同組成一條熒光分子能量轉(zhuǎn)移路徑。2. 如權(quán)利要求1所述的基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的光激性邏輯電路的設(shè)計(jì)方法，其特征在 于:所述燃料鏈上設(shè)有焚光分子，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)上設(shè)有焚光分子識別位點(diǎn)。3. 如權(quán)利要求1所述的基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的光激性邏輯電路的設(shè)計(jì)方法，其特征在 于:所述供體和受體都為熒光分子。
【文檔編號】H03K19/20GK106027033SQ201610345805
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】張勛才, ?，? 孫冬, 孫軍偉, 顧冬華, 申超楠, 崔光照, 王延峰
【申請人】鄭州輕工業(yè)學(xué)院