基于DNA鏈置換的分子邏輯門計算模型

張文逸++殷志祥

摘要：DNA計算是近年來的研究熱點，分子邏輯門是DNA計算機體系結構和運算實現的重要基礎。將DNA自組裝與鏈置換技術和熒光標記相結合，在現有的鏈置換邏輯計算模型的基礎上，構造了非門，與門，與非門，或門和或非門。可在室溫下進行，減少了因復雜的生物操作步驟帶來的誤差。使用熒光檢測來判斷邏輯結果，操作簡單，容易檢測，且靈敏度高。

關鍵詞：DNA計算；自組裝；鏈置換；熒光標記；邏輯門

中圖分類號：TP301.6 文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2015）01-0007-04

自從1946年科學家發明了第一臺電子計算機ENIAC，計算機迅猛發展并時刻影響著人類的生活。但隨著科技的進步，傳統計算機已無法滿足呈指數增長的大規模運算需求，加之“Moore定律”導致的芯片研究成本和半導體物理極限，集成電路的時代不可能永遠下去。美國物理學家Feynman于1959年首次提出了分子計算機的思想[1]。20世紀90年代，美國加州大學的Leonard Adleman于1994年第一次在試管中通過利用寡核苷酸鏈進行實驗，解決了經典的有向Hamilton路問題[2]，首次從實驗上證明了分子計算機的可行性。

分子邏輯門是實現分子計算機的基礎。文獻[3]首次提出布爾邏輯分子計算機模型，這是使用DNA分子模擬布爾電路終將實現以DNA為核心的分子計算機。文獻[4]構建了DNA核酸分子邏輯非門、與門和異或門，文獻[5]利用DNA核酶構建了多種DNA邏輯運算模型，文獻[6]構建了半加器的復雜邏輯門，文獻[7]首次構建了邏輯與門、與非門和禁門，文獻[8]構建了一套完整的無酶邏輯電路，文獻[9]構建了環狀DNA邏輯門，文獻[10]使用多種DNA酶構建邏輯運算模型。

近年來，DNA計算發展迅速[11]，融合了熒光標記、鏈置換、自組裝和納米顆粒[12]等多種分子操作技術。其中，結合熒光標記的DNA鏈置換技術更是因在Science和Nature等雜志[13-15]上發表的工作而具有廣泛的應用前景。本文在文獻[16]的基礎上，結合熒光標記技術[17-18]，改進并構造了基本的邏輯門單元，以寡核苷酸鏈作為輸入信號，熒光檢測作為輸出信號，能在室溫下自發進行，對結果有更好的可讀性。

1DNA自組裝和鏈置換

11DNA自組裝

DNA自組裝是指一些帶有輸入信息的DNA分子根據堿基互補配對原則，在一定的溫度、濃度、酸堿度以及特定酶的作用下，自組裝生成帶有輸出信息的新的DNA分子的過程。自組裝計算模型是通過DNA分子間的相互作用形成特定的構型來完成計算過程，是由Winfree等首次提出來的一種DNA計算模型[19-21]。文獻[22]首先使用復雜DNA自組裝結構實現了簡單的邏輯運算。文獻[23]將自組裝DNA計算的基本思想用于求解布爾邏輯表達式并將其實現邏輯電路。該模型目前在生物計算中得到了良好的應用。

12鏈置換技術

鏈置換技術是利用分子雜交系統趨向穩定能級的特點，通過加入不同長度和序列的輸入鏈來誘導控制鏈置換反應，從而釋放另一條DNA鏈的過程。DNA鏈置換的基本原理如圖1所示。鏈A/B是由兩條部分互補的DNA鏈結合成的部分雙鏈，單鏈部分在反應中被稱作立足點，發生鏈置換反應的可能性隨立足點的增長而增大，鏈A*是序列與A完全互補的單鏈。單鏈A*先特異性識別結合立足點，為達到最穩態分支開始遷移，A*與A的堿基對逐漸取代B與A的堿基對，直至完全置換釋放出B鏈。該反應過程具有自引發性，靈敏性和準確性等特點，近年來發展迅速，已成為分子計算領域的研究熱點。

圖1鏈置換反應的基本過程

2鏈置換邏輯門的計算模型

21非門

在反應底物自組裝結構的部分雙鏈中長鏈A的5′端標記熒光基團FAM，與A鏈完全互補的單鏈DNA鏈A*的5′端標記熒光猝滅基團DABCYL， 當無DNA鏈輸入（輸入值為0）時， 有熒光產生（輸出值為1）；當加入互補鏈A*（輸入值為1）時， 因A鏈與A*鏈完全互補結合， 熒光猝滅基團將熒光基團猝滅， 從而熒光消失， 無熒光產生（輸出值為0）。

圖2非門的原理示意圖

22與門

反應底物自組裝結構由主鏈C和單側信號識別鏈ab、cd雜交而成，主鏈C長20 bp，分為左右各長10 bp的堿基片斷，信號識別鏈由長10 bp的結構區域b、c和長約6～7 bp的特異性識別位點a、b組成，輸入鏈ab*和cd*為分別與ab和cd完全互補的信號鏈。對所需要的DNA序列進行編碼后，在主鏈C的5′和3′端分別標記熒光基團FAM和ROX，在b的5′端和c的3′端分別標記熒光猝滅基團DABCYL。定義同時有兩種不同的熒光產生時為輸出1，否則為輸出0。

當無信號輸入（0，0）時，自組裝結構無變化，無熒光產生（輸出值為0）；當輸入信號1（1，0）時，ab*將ab完全置換，產生FAM熒光，但無ROX熒光（輸出值為0）；當輸入信號2（0，1）時，cd*將cd完全置換，產生ROX熒光，但無FAM熒光（輸出值為0）；當同時輸入信號1和2（1，1）時，ab*將ab完全置換，產生FAM熒光，cd*將cd完全置換，產生ROX熒光（輸出值為1）。

23與非門

自組裝結構同與門相同（見圖3），對所需要的DNA序列進行編碼后，在主鏈C的5′和3′端分別標記熒光基團FAM和ROX，在輸入鏈ab*中b*的5′端和cd*中c*的3′端分別標記熒光猝滅基團DABCYL。有熒光產生時為輸出1，無熒光則為0（見表1）。

圖3與門的原理示意圖

當無信號輸入（0，0）時，自組裝結構無變化，有熒光FAM和ROX產生（輸出值為1）；當輸入信號1（1，0）時，ab*將ab完全置換，熒光猝滅基團將熒光FAM基團猝滅，FAM熒光消失，但有ROX熒光（輸出值為1）；當輸入信號2（0，1）時，cd*將cd完全置換，熒光猝滅基團將熒光ROX基團猝滅，ROX熒光消失，但有FAM熒光（輸出值為1）；當同時輸入信號1和2（1，1）時，ab*將ab完全置換， FAM熒光消失，cd*將cd完全置換，ROX熒光消失，無熒光（輸出值為0）。endprint

表1與非門的真值表

輸入X輸入Y輸出

001

101011110

24或門

反應底物自組裝結構由主鏈D和多信號識別區域（e，f，g，h）組成。單種輸入為混合輸入信號，信號3為輸入鏈（ef*，gh*），信號4為輸入鏈（fh*，gh*）。對所需要的DNA序列進行編碼后，在主鏈B的中間部位和3′端分別標記熒光基團FAM和ROX，在efh中f和gh中g的3′端分別標記熒光猝滅基團DABCYL。定義同時有兩種不同的熒光產生時為輸出1，無熒光為輸出0。

當無信號輸入（0，0）時，自組裝結構無變化，無熒光產生（輸出值為0）；當輸入信號3（1，0）時，ef*將efh置換成部分雙鏈，產生FAM熒光，gh*將gh完全置換，產生ROX熒光（輸出值為1）；當輸入信號4（0，1）時，fh*將efh置換成部分雙鏈，產生FAM熒光，gh*將gh完全置換，產生ROX熒光（輸出值為1）；當同時輸入信號3和4（1，1）時，ef*和fh*將efh置換成部分雙鏈，產生FAM熒光，gh*將gh完全置換，產生ROX熒光（輸出值為1）。

25或非門

自組裝結構同或門相同（見圖4），對所需要的DNA序列進行編碼后，在主鏈D的中間部位和3′端分別標記熒光基團FAM和ROX，在ef*的5′端、fh*中f和gh*中g的3′端分別標記熒光猝滅基團DABCYL。定義同時有兩種不同的熒光產生時為輸出1，否則為輸出0（見表2）。

圖4或門的原理示意圖

當無信號輸入（0，0）時，自組裝結構無變化，有熒光FAM和ROX（輸出值為1）；當輸入信號3（1，0）時，ef*將efh置換成部分雙鏈，熒光猝滅基團將熒光FAM基團猝滅，FAM熒光消失，gh*將gh完全置換，熒光猝滅基團將熒光ROX基團猝滅，ROX熒光消失（輸出值為0）；當輸入信號4（0，1）時，fh*將efh置換成部分雙鏈，熒光猝滅基團將熒光FAM基團猝滅，FAM熒光消失，gh*將gh完全置換，熒光猝滅基團將熒光ROX基團猝滅，ROX熒光消失（輸出值為0）；當同時輸入信號3和4（1，1）時，ef*和fh*將efh置換成部分雙鏈，熒光猝滅基團將熒光FAM基團猝滅，FAM熒光消失，gh*將gh完全置換，熒光猝滅基團將熒光ROX基團猝滅，ROX熒光消失（輸出值為0）（見表3）。

表2或非門的真值表

輸入X輸入Y輸出

001

101011000

表3DNA的編碼序列

名稱序列（5′～3′）名稱序列（5′～3′）

Cabab*cdcd*ACTGACACTATGATCGTAGC

AGCTAGCTGACTGTGATTCGATCGACTGACACTA

ACTAGCATCGTAGATCGTGATCGTAGCATCTAGCDefhef*fh*ghgh*

GCTACTGACTGACTCATGCACTGATCACGATGACTGA

GACTAGTGCTACTGACTGCTACTGACTATGTCAG

CTGAGTACGTTACGTCAGACTCATGCAATGCAGT

3結論

本文以現有的鏈置換邏輯計算模型為基礎，結合熒光標記技術，用熒光檢測作為輸出信號，并對輸入信號進行相應的標記，實現了非門，與門，與非門，或門和或非門的邏輯門操作。該邏輯門可在室溫下自發反應，減小了實驗誤差。在讀取邏輯結果時，通過熒光的出現情況來判斷邏輯真值，操作簡單，容易檢測，且靈敏度高。但是對于不同的邏輯門，需要對自組裝結構進行不同的設計，且在實驗過程中，復雜體系的DNA序列設計難度增加，可能會出現堿基錯配的現象，需要進一步進行實驗驗證和改進。

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