基于DNA鏈置換的分子邏輯門(mén)計(jì)算模型

張文逸++殷志祥

摘要：DNA計(jì)算是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，分子邏輯門(mén)是DNA計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)。將DNA自組裝與鏈置換技術(shù)和熒光標(biāo)記相結(jié)合，在現(xiàn)有的鏈置換邏輯計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了非門(mén)，與門(mén)，與非門(mén)，或門(mén)和或非門(mén)?？稍谑覝叵逻M(jìn)行，減少了因復(fù)雜的生物操作步驟帶來(lái)的誤差。使用熒光檢測(cè)來(lái)判斷邏輯結(jié)果，操作簡(jiǎn)單，容易檢測(cè)，且靈敏度高。

關(guān)鍵詞：DNA計(jì)算；自組裝；鏈置換；熒光標(biāo)記；邏輯門(mén)

中圖分類號(hào)：TP301.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2015）01-0007-04

自從1946年科學(xué)家發(fā)明了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC，計(jì)算機(jī)迅猛發(fā)展并時(shí)刻影響著人類的生活。但隨著科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)已無(wú)法滿足呈指數(shù)增長(zhǎng)的大規(guī)模運(yùn)算需求，加之“Moore定律”導(dǎo)致的芯片研究成本和半導(dǎo)體物理極限，集成電路的時(shí)代不可能永遠(yuǎn)下去。美國(guó)物理學(xué)家Feynman于1959年首次提出了分子計(jì)算機(jī)的思想[1]。20世紀(jì)90年代，美國(guó)加州大學(xué)的Leonard Adleman于1994年第一次在試管中通過(guò)利用寡核苷酸鏈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，解決了經(jīng)典的有向Hamilton路問(wèn)題[2]，首次從實(shí)驗(yàn)上證明了分子計(jì)算機(jī)的可行性。

分子邏輯門(mén)是實(shí)現(xiàn)分子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[3]首次提出布爾邏輯分子計(jì)算機(jī)模型，這是使用DNA分子模擬布爾電路終將實(shí)現(xiàn)以DNA為核心的分子計(jì)算機(jī)。文獻(xiàn)[4]構(gòu)建了DNA核酸分子邏輯非門(mén)、與門(mén)和異或門(mén)，文獻(xiàn)[5]利用DNA核酶構(gòu)建了多種DNA邏輯運(yùn)算模型，文獻(xiàn)[6]構(gòu)建了半加器的復(fù)雜邏輯門(mén)，文獻(xiàn)[7]首次構(gòu)建了邏輯與門(mén)、與非門(mén)和禁門(mén)，文獻(xiàn)[8]構(gòu)建了一套完整的無(wú)酶邏輯電路，文獻(xiàn)[9]構(gòu)建了環(huán)狀DNA邏輯門(mén)，文獻(xiàn)[10]使用多種DNA酶構(gòu)建邏輯運(yùn)算模型。

近年來(lái)，DNA計(jì)算發(fā)展迅速[11]，融合了熒光標(biāo)記、鏈置換、自組裝和納米顆粒[12]等多種分子操作技術(shù)。其中，結(jié)合熒光標(biāo)記的DNA鏈置換技術(shù)更是因在Science和Nature等雜志[13-15]上發(fā)表的工作而具有廣泛的應(yīng)用前景。本文在文獻(xiàn)[16]的基礎(chǔ)上，結(jié)合熒光標(biāo)記技術(shù)[17-18]，改進(jìn)并構(gòu)造了基本的邏輯門(mén)單元，以寡核苷酸鏈作為輸入信號(hào)，熒光檢測(cè)作為輸出信號(hào)，能在室溫下自發(fā)進(jìn)行，對(duì)結(jié)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(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)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(guò)程。自組裝計(jì)算模型是通過(guò)DNA分子間的相互作用形成特定的構(gòu)型來(lái)完成計(jì)算過(guò)程，是由Winfree等首次提出來(lái)的一種DNA計(jì)算模型[19-21]。文獻(xiàn)[22]首先使用復(fù)雜DNA自組裝結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算。文獻(xiàn)[23]將自組裝DNA計(jì)算的基本思想用于求解布爾邏輯表達(dá)式并將其實(shí)現(xiàn)邏輯電路。該模型目前在生物計(jì)算中得到了良好的應(yīng)用。

12鏈置換技術(shù)

鏈置換技術(shù)是利用分子雜交系統(tǒng)趨向穩(wěn)定能級(jí)的特點(diǎn)，通過(guò)加入不同長(zhǎng)度和序列的輸入鏈來(lái)誘導(dǎo)控制鏈置換反應(yīng)，從而釋放另一條DNA鏈的過(guò)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(bǔ)的DNA鏈結(jié)合成的部分雙鏈，單鏈部分在反應(yīng)中被稱作立足點(diǎn)，發(fā)生鏈置換反應(yīng)的可能性隨立足點(diǎn)的增長(zhǎng)而增大，鏈A*是序列與A完全互補(bǔ)的單鏈。單鏈A*先特異性識(shí)別結(jié)合立足點(diǎn)，為達(dá)到最穩(wěn)態(tài)分支開(kāi)始遷移，A*與A的堿基對(duì)逐漸取代B與A的堿基對(duì)，直至完全置換釋放出B鏈。該反應(yīng)過(guò)程具有自引發(fā)性，靈敏性和準(zhǔn)確性等特點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展迅速，已成為分子計(jì)算領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

圖1鏈置換反應(yīng)的基本過(guò)程

2鏈置換邏輯門(mén)的計(jì)算模型

21非門(mén)

在反應(yīng)底物自組裝結(jié)構(gòu)的部分雙鏈中長(zhǎng)鏈A的5′端標(biāo)記熒光基團(tuán)FAM，與A鏈完全互補(bǔ)的單鏈DNA鏈A*的5′端標(biāo)記熒光猝滅基團(tuán)DABCYL， 當(dāng)無(wú)DNA鏈輸入（輸入值為0）時(shí)， 有熒光產(chǎn)生（輸出值為1）；當(dāng)加入互補(bǔ)鏈A*（輸入值為1）時(shí)， 因A鏈與A*鏈完全互補(bǔ)結(jié)合， 熒光猝滅基團(tuán)將熒光基團(tuán)猝滅， 從而熒光消失， 無(wú)熒光產(chǎn)生（輸出值為0）。

圖2非門(mén)的原理示意圖

22與門(mén)

反應(yīng)底物自組裝結(jié)構(gòu)由主鏈C和單側(cè)信號(hào)識(shí)別鏈ab、cd雜交而成，主鏈C長(zhǎng)20 bp，分為左右各長(zhǎng)10 bp的堿基片斷，信號(hào)識(shí)別鏈由長(zhǎng)10 bp的結(jié)構(gòu)區(qū)域b、c和長(zhǎng)約6～7 bp的特異性識(shí)別位點(diǎn)a、b組成，輸入鏈ab*和cd*為分別與ab和cd完全互補(bǔ)的信號(hào)鏈。對(duì)所需要的DNA序列進(jìn)行編碼后，在主鏈C的5′和3′端分別標(biāo)記熒光基團(tuán)FAM和ROX，在b的5′端和c的3′端分別標(biāo)記熒光猝滅基團(tuán)DABCYL。定義同時(shí)有兩種不同的熒光產(chǎn)生時(shí)為輸出1，否則為輸出0。

當(dāng)無(wú)信號(hào)輸入（0，0）時(shí)，自組裝結(jié)構(gòu)無(wú)變化，無(wú)熒光產(chǎn)生（輸出值為0）；當(dāng)輸入信號(hào)1（1，0）時(shí)，ab*將ab完全置換，產(chǎn)生FAM熒光，但無(wú)ROX熒光（輸出值為0）；當(dāng)輸入信號(hào)2（0，1）時(shí)，cd*將cd完全置換，產(chǎn)生ROX熒光，但無(wú)FAM熒光（輸出值為0）；當(dāng)同時(shí)輸入信號(hào)1和2（1，1）時(shí)，ab*將ab完全置換，產(chǎn)生FAM熒光，cd*將cd完全置換，產(chǎn)生ROX熒光（輸出值為1）。

23與非門(mén)

自組裝結(jié)構(gòu)同與門(mén)相同（見(jiàn)圖3），對(duì)所需要的DNA序列進(jìn)行編碼后，在主鏈C的5′和3′端分別標(biāo)記熒光基團(tuán)FAM和ROX，在輸入鏈ab*中b*的5′端和cd*中c*的3′端分別標(biāo)記熒光猝滅基團(tuán)DABCYL。有熒光產(chǎn)生時(shí)為輸出1，無(wú)熒光則為0（見(jiàn)表1）。

圖3與門(mén)的原理示意圖

當(dāng)無(wú)信號(hào)輸入（0，0）時(shí)，自組裝結(jié)構(gòu)無(wú)變化，有熒光FAM和ROX產(chǎn)生（輸出值為1）；當(dāng)輸入信號(hào)1（1，0）時(shí)，ab*將ab完全置換，熒光猝滅基團(tuán)將熒光FAM基團(tuán)猝滅，F(xiàn)AM熒光消失，但有ROX熒光（輸出值為1）；當(dāng)輸入信號(hào)2（0，1）時(shí)，cd*將cd完全置換，熒光猝滅基團(tuán)將熒光ROX基團(tuán)猝滅，ROX熒光消失，但有FAM熒光（輸出值為1）；當(dāng)同時(shí)輸入信號(hào)1和2（1，1）時(shí)，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(wú)熒光（輸出值為0）。endprint

表1與非門(mén)的真值表

輸入X輸入Y輸出

001

101011110

24或門(mén)

反應(yīng)底物自組裝結(jié)構(gòu)由主鏈D和多信號(hào)識(shí)別區(qū)域（e，f，g，h）組成。單種輸入為混合輸入信號(hào)，信號(hào)3為輸入鏈（ef*，gh*），信號(hào)4為輸入鏈（fh*，gh*）。對(duì)所需要的DNA序列進(jìn)行編碼后，在主鏈B的中間部位和3′端分別標(biāo)記熒光基團(tuán)FAM和ROX，在efh中f和gh中g(shù)的3′端分別標(biāo)記熒光猝滅基團(tuán)DABCYL。定義同時(shí)有兩種不同的熒光產(chǎn)生時(shí)為輸出1，無(wú)熒光為輸出0。

當(dāng)無(wú)信號(hào)輸入（0，0）時(shí)，自組裝結(jié)構(gòu)無(wú)變化，無(wú)熒光產(chǎn)生（輸出值為0）；當(dāng)輸入信號(hào)3（1，0）時(shí)，ef*將efh置換成部分雙鏈，產(chǎn)生FAM熒光，gh*將gh完全置換，產(chǎn)生ROX熒光（輸出值為1）；當(dāng)輸入信號(hào)4（0，1）時(shí)，fh*將efh置換成部分雙鏈，產(chǎn)生FAM熒光，gh*將gh完全置換，產(chǎn)生ROX熒光（輸出值為1）；當(dāng)同時(shí)輸入信號(hào)3和4（1，1）時(shí)，ef*和fh*將efh置換成部分雙鏈，產(chǎn)生FAM熒光，gh*將gh完全置換，產(chǎn)生ROX熒光（輸出值為1）。

25或非門(mén)

自組裝結(jié)構(gòu)同或門(mén)相同（見(jiàn)圖4），對(duì)所需要的DNA序列進(jìn)行編碼后，在主鏈D的中間部位和3′端分別標(biāo)記熒光基團(tuán)FAM和ROX，在ef*的5′端、fh*中f和gh*中g(shù)的3′端分別標(biāo)記熒光猝滅基團(tuán)DABCYL。定義同時(shí)有兩種不同的熒光產(chǎn)生時(shí)為輸出1，否則為輸出0（見(jiàn)表2）。

圖4或門(mén)的原理示意圖

當(dāng)無(wú)信號(hào)輸入（0，0）時(shí)，自組裝結(jié)構(gòu)無(wú)變化，有熒光FAM和ROX（輸出值為1）；當(dāng)輸入信號(hào)3（1，0）時(shí)，ef*將efh置換成部分雙鏈，熒光猝滅基團(tuán)將熒光FAM基團(tuán)猝滅，F(xiàn)AM熒光消失，gh*將gh完全置換，熒光猝滅基團(tuán)將熒光ROX基團(tuán)猝滅，ROX熒光消失（輸出值為0）；當(dāng)輸入信號(hào)4（0，1）時(shí)，fh*將efh置換成部分雙鏈，熒光猝滅基團(tuán)將熒光FAM基團(tuán)猝滅，F(xiàn)AM熒光消失，gh*將gh完全置換，熒光猝滅基團(tuán)將熒光ROX基團(tuán)猝滅，ROX熒光消失（輸出值為0）；當(dāng)同時(shí)輸入信號(hào)3和4（1，1）時(shí)，ef*和fh*將efh置換成部分雙鏈，熒光猝滅基團(tuán)將熒光FAM基團(tuán)猝滅，F(xiàn)AM熒光消失，gh*將gh完全置換，熒光猝滅基團(tuán)將熒光ROX基團(tuán)猝滅，ROX熒光消失（輸出值為0）（見(jiàn)表3）。

表2或非門(mén)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(jié)論

本文以現(xiàn)有的鏈置換邏輯計(jì)算模型為基礎(chǔ)，結(jié)合熒光標(biāo)記技術(shù)，用熒光檢測(cè)作為輸出信號(hào)，并對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)了非門(mén)，與門(mén)，與非門(mén)，或門(mén)和或非門(mén)的邏輯門(mén)操作。該邏輯門(mén)可在室溫下自發(fā)反應(yīng)，減小了實(shí)驗(yàn)誤差。在讀取邏輯結(jié)果時(shí)，通過(guò)熒光的出現(xiàn)情況來(lái)判斷邏輯真值，操作簡(jiǎn)單，容易檢測(cè)，且靈敏度高。但是對(duì)于不同的邏輯門(mén)，需要對(duì)自組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，復(fù)雜體系的DNA序列設(shè)計(jì)難度增加，可能會(huì)出現(xiàn)堿基錯(cuò)配的現(xiàn)象，需要進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和改進(jìn)。

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