基于分子信標的異或門DNA自組裝計算模型

【摘要】隨著DNA計算研究深入，運用布爾邏輯電路實現DNA計算機已經成為研究的熱點。分子信標是近年來備受關注的一種新型DNA探針，它具有高度的特異性和靈敏度。以分子信標作為自組裝單元設計出異或門DNA計算模型，是一種新的有效方法。和以往的DNA計算模型相比，該模型操作簡單，可靠性高，可重復使用。

【關鍵詞】分子信標；異或門；DNA自組裝

一、引言

DNA計算是一種以生物分子DNA作為計算介質，以生化反應作為計算工具的新型計算方法。運用DNA分子的的海量存儲能力和高度并行性來構建布爾邏輯電路為DNA計算機的實現奠定了基礎。1996年，Ogihara等人首次提出可基于DNA的布爾電路的模擬，并給出了圖1所示的邏輯電路的DNA實現方法[1]。不久，Amos等人提出了一種改進的邏輯與非門的DNA計算模型，并且解釋了如何通過這種邏輯門實現二階矩陣的傳遞閉包的計算[2，3]。此后，Mulawka也提出另一個邏輯與非門的DNA計算模型[4]。但這些方法都存在不能重復利用和基于試管方式的缺點，這不利于大規模布爾邏輯電路的實現。2004年，劉文斌等人提出了一個基于吡啶二聚物的誘導發夾結構的邏輯“與非門”的DNA計算模型，克服了執行完特定運算后邏輯不能重復使用的缺點，但操作過程復雜，隨后，他又提出了改進的方法[5，6]。2009年，B.S.E. Zoraida等人提出了一種基于DNA的新穎的廣義設計方法和布爾操作的實現[7]。這些實現布爾邏輯運算的方法中大都解決的是與門，或門，與非門，很少提到異或門的解決方法。在前人的基礎上，本文提出了一種基于分子信標的自組裝方法解決異或門。

二、分子信標和自組裝

分子信標是一種發夾結構的寡居核苷酸探針。因其背景信號低，靈敏度高、特異性識別性強、操作簡單及均相檢測等優點，在短短今年內得到迅速的發展。傳統的分子信標由四部分組成：環、莖、熒光基團、猝滅基團。其中，環部是分子信標的識別部分，可以與靶序列自發地進行雜交；莖部是兩列互補堿基序列；熒光基團和猝滅基團位于莖的末端。

根據W-C互補配對原則，DNA分子中A-T配對，G-C配對。但是，當有吡啶二聚物分子時，G和G也可以配對。因為吡啶二聚物的兩臂上分別有三個氫鍵結合位點，它們分別和G上的兩個氫鍵結合，這樣就出現了G-G配對。利用這一性質，E.Smith等人在鍍金的表面設計了一種通過吡啶二聚物分子誘導形成的“發夾”結構的分子信標[8]。它的環部DNA序列長度為16bp，莖部序列為：

5′—AAAGGGTTTGGGT—3′

3′—TTTGGGAAAGGGA—5′

其中包含兩組—GGG—序列，當在表面添加吡啶二聚物時，在其作用下，G—G自發的配對，使得莖部序列的結合力增強，導致與環部雜交形成的雙鏈解開，從而形成“發夾”結構。當把表面上的吡啶二聚物清洗掉時，“發夾”結構打開。因為吡啶二聚物容易清洗，所以“發夾”結構的形成與打開易于控制，這類似于電子電路的開關。

三、異或門的生物操作

異或門是指當有兩個輸入時，如果恰有一個輸入為1，則輸出1，否則為0。換句話說，如果兩個輸入不同，則異或門輸出1。本文通過是否形成發夾結構來判斷真值：形成發夾結構為真，即為“1”，否則為“0”。

1.編碼

本文的設計是基于固體表面，首先在DNA序列的5′設計一段作為分子臂，用來固定在表面上并起到隔開DNA序列。輸入變量的序列U、V和在變量序列兩邊的長度為l的莖干部位序列S1，S2，S1，S2是含有—GGG—的互補序列，使得在沒有吡啶二聚物（Naph.thyridine Dimmer）的條件下，它們不會互補雜交.此外，在設計變量S1，S2及徑桿序列時必須滿足：徑桿序列雜交時的結合力要大于在環部長度為2l的序列雜交時的結合力，而小于長度為4l的序列雜交時的結合力（如圖2所示）。這樣使得存在吡啶二聚物時S1，S2自發的形成”發夾”結構。

2.異或門操作過程

（1）首先將編碼異或門的DNA分子固定在經過化學修飾的固體表面，如圖3所示。

（2）當輸入Si（i=1，2）時，加入由合成的兩端帶引物的補鏈。雜交反應完成后用緩沖液把固體表面沖洗干凈。異或門的4種輸入情況如圖4所示。

（3）在固體表面上加吡啶二聚物。由于G—G堿基互補，第二種情況和第三種情況會形成“發夾”結構，即只有輸入為0和1時才會形成”發夾”結構。此時，完成了異或門的真值判定，真值時形成“發夾”結構，否則就是線性雙鏈結構，如圖5所示。

四、結論

DNA計算已經成為研究的熱門領域，它有可能解決電子計算的瓶頸問題.本文給出了基于分子信標自組裝的邏輯異或門的DNA計算模型.和以往模型相比，它提出了一種新的解決分子邏輯門的方法。該方法根據DNA分子間的特異性雜交，可自發地進行，減少了過多的人為因素引起的操作誤差，而且具有了重復使用等特點。

參考文獻

[1]OgiharaM，RayA.SimulatingbooleancircuitsonaDNAcomputer[J].Algorithmica，1999，25（2）：239-250.

[2]Amos M，Dunne P E，Gibbons A.DNA Simulation of Boolean Circuits.Proceedings of the Third Annum Conference[C].1998，22-25，Madison，Wisconsin：University of Wisconsin，679-683，San Francisco，CA.

[3]Dunne P E，Amos M，Gibbons A.Boolean Transitive Closure in DNA[C].In Computing with Bio-Molecules：TheoryandExperiments，GeorgePaun（Ed.），127-137，Springer-Verlag，Singapore，1998.

[4]Mulawka J J，，Wasiewicz P， Plucienniczak A.Another logical molecular NAND gate system[C].Seventh International Conference on Microelectronics for Neural，Fuzzy and Bio-Inspired Systems，1999 Granada，Spain，340-346.