基于納米金的半減器模型

李 楠

（安徽理工大學理學院，安徽 淮南232001）

0 引言

DNA計算是近些年來出現(xiàn)的一種新的計算方式[1]。構建基于DNA的布爾電路就是其中一個方向。1999年，Ogihara等首次提出了基于DNA的布爾電路的模擬[2]。其用核酸分子來模擬布爾邏輯，實現(xiàn)以DNA為核心的分子計算機。2002年，Stojanovic等[3]建立了核酸分子邏輯門。其后又建立了復雜的邏輯門、半加法器[4]。2006年，Seelig等使用寡核苷酸來執(zhí)行一套完整的布爾邏輯函數(shù)[5]。2010年，Zhang等人利用環(huán)狀DNA作為亞基，以納米金作為檢測手段，構建了環(huán)狀的DNA邏輯門[6]，該系統(tǒng)中環(huán)狀DNA作為一個基本單位和線性DNA單鏈分子被作為輸入和輸出信號。隨著微電子信息技術朝著納米電子學和光子信息處理領域發(fā)展，納米電子器件的構建越來越受到研究者的廣泛關注[7]。本文介紹了基于納米金的或門和與門模型，改進了一種新型的半減器模型。

1 分子信標與納米金

納米金是金的粒徑為1-100nm之間的粒子，是生物化學分子良好的支架。1996年，Mirkin研究組利用納米金與巰基之間能夠形成穩(wěn)定的Au-S鍵的性質制備了納米金-DNA符合納米探針并用于檢測DNA[8]。

分子信標中最常用的淬滅劑是DABCYL，其對多種熒光素都有較強的熒光淬滅效率。但是其對于近紅外的熒光染料淬滅效率較低。近年來Dubertrel等用納米金粒子簇代替了DABCYL，避免了DABCYL的缺陷。他將3’端修飾巰基、5’端修飾熒光染料，利用巰基與納米金的共價吸引力將DNA連接到納米金上制成探針，同時5’端的熒光染料也由于化學鍵的作用連到納米金顆粒上，導致熒光染料100%的熒光淬滅。當該探針與互補的靶序列雜交后，5’端的熒光染料會從納米金顆粒上脫離，熒光新號恢復，從而可以用于超靈敏檢測DNA序列。

2 半減器的計算模型

2.1 簡單邏輯門計算模型

基于納米金技術，我們設計了一個基于納米金分子信標的邏輯門：選擇兩種DNA-納米金復合物作為基本底物，每個顆粒表面同時結合分子信標和單鏈DNA，選用納米金作為淬滅劑，莖環(huán)結構與納米金直接作用的一段進行巰基化。

表1

步驟1：對于所需要的DNA序列進行編碼，生成表中所列的各條寡核苷酸鏈，得到的寡核苷酸鏈經過PAGE純化；分子信標經過HPLC純化。步驟2：對分子信標的3’端加入不同的熒光劑，S123加入FAM，S789加入ROX。定義與門中有兩種不同熒光同時生成輸出“1”；其他情況輸出“0”。步驟3：對S123和S789分別在5’端進行巰基化，通過Au-S鍵納米金結合成穩(wěn)定的狀態(tài)，引入0nt的寡核苷酸鏈；S456和Sabc同樣分別進行巰基化。步驟4：邏輯門是雙輸入，兩條輸入鏈1和2分別是是Sl*2*3*c*b*和S5*6*8*9*7*，得到輸出。

2.2 半減器設計

半加器是兩個輸出輸入,由INH門和XOR門組合而成。我們利用熒光基團FAM和ROX，分子信標鏈3’端標記FAM，5’端標記ROX，與納米金通過互補形成基礎鏈，在檢測的時候可以同時發(fā)現(xiàn)這兩種熒光。同樣納米金顆粒連接的DNA分子信標鏈的的5’端和鏈S456的3’端要進行相應的疏基化修飾。步驟1:同上；步驟2:在分子信標鏈的3’端加上FAM,5’端標記ROX；步驟3:分子信標的5’端進行疏基化修飾,鏈S456的3’端進行疏基化修飾,兩者分別通過Au-S鍵和同一個納米金顆粒結合,形成穩(wěn)定DNA-納米金復合物,并引人寡核苷酸鏈。步驟4:2個輸入分別用輸入鏈1和輸入鏈2表示,此時分別以(0,0),(0,1),(1,0),(1,1)加入裝有DNA-納米金復合物的四個試管溶液中;步驟5:經過一段時間,反應完畢,紫外激發(fā)下分別在520mn和607nm出測量焚光含量。本文我們給出了一種新的半減器模型，以寡核苷酸鏈作為輸入信號，熒光檢測作為輸出信號，并用更為靈敏的淬滅劑納米金代替了傳統(tǒng)的有機染料。其優(yōu)點是：（1）相比容易在溶液中聚沉的納米金,15nm的尺度使得顆粒表面結合的DNA鏈在結合鏈的附近引入疏基化,增加了復合物的穩(wěn)定性,這增加了模型算法過程的可控性和結果的可靠性；（2）相比與傳統(tǒng)的猝滅劑,其反應結果更加靈敏。但我們的計算模型略顯簡單,其算法復雜度不高,但這都為我們下一步構建多輸入的邏輯門計算模型和進行大規(guī)模的環(huán)路構建來模擬大型集成電路提供了基礎。

綜上所述,基于納米金的邏輯門的研究是分子計算領域值得關注的分支,可以預測它將在生物與計算科學之間的重要性。我們相信,分子計算作為一門有著廣泛實用性的研究領域,將可以吸引到更多聰明有志的科研者投入其中,有著實際功能的分子計算機在實驗室甚至工業(yè)化的制造將更快的到來。

［1］Feynmam.R.P.Inminiaturization[J].Reinhold,1961:282-296.

［2］Adleman L.Molecular Computation of Solution to Combinatorialproblems[J].Science,1999,66(11):1021-1024.

［3］Ogihara M,Ray A.Simulating Boolean circuits on aDNA computer[J].Algorithmica,1999,25(2-3):239-50.

［4］Stojanovic MN,Mitchell TE,Stefanovic D.Deoxyribozyme-based logic gates[J].JAm Chem Soc.,2002,124(14):3555-61.

［5］Stojanovic.MN,Stefanovic..D.Deoxyribozyme-based half-adder[J].J Am Chem Soc.,2003,125(22):6673-6.

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［7］Zhang C,Yang J,Xu J.Circular DNA logic gates with strand displacement.Langmuir 2010;26(3):1416-9.

［8］Mirkin,C.,Letsinger,R.,Mucic,R.,Storhoff,J..A DNA-based method for rationally assembling nanoparticlesinto macroscope materials[J].Nature,1996,382(6592):607-609.

［9］Elghanian,R.,Storhoff,J.,Mucic,R.,Letsinger,R.,Mirkin,C..Selective colorimetric detection of polynucleotidesbased on the distance-dependent opticalproperties of gold nanoparticles[J].Science,1997,277(5329):1078-1081.

［10］Storhoff,J.,Lazarides,A.,Mirkin,C.,Schatz,G..What Controls the Optical Properties of DNA-Linked Gold Nanoparticle Assemblies?[J].J.Am.Chem.Soc.,2000,122(19):4640-4650.

［11］Dubertret B,Calame M,Libchaber A..Single-mismatch detection using goldquenched fluorescent oligonucleotides[J].Nat.Biotechnol.,2001,19(4):365-370.