基于堿基錯配的核酸分子邏輯運算研究進展

程　楠,徐瑗聰,許文濤,2,3,*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083;2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗測試中心,北京 100083;3.食品質(zhì)量與安全北京實驗室,北京 100083)

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基于堿基錯配的核酸分子邏輯運算研究進展

程楠1,徐瑗聰1,許文濤1,2,3,*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083;2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗測試中心,北京 100083;3.食品質(zhì)量與安全北京實驗室,北京 100083)

分子邏輯運算是解決電子計算機發(fā)展瓶頸的有效途徑,是實現(xiàn)分子計算機的關(guān)鍵單元。核酸錯配結(jié)合Hg2+和Ag+等重金屬離子是功能核酸中非常經(jīng)典的一類分子基礎(chǔ),也十分契合邏輯門多輸入的需求,因此在分子邏輯運算的研究中十分重要。本文對分子邏輯運算進行概述,并以核酸錯配結(jié)合重金屬的原理為基礎(chǔ),綜述了近年來基于核酸錯配結(jié)合重金屬的分子邏輯運算的研究進展,對熒光信號、比色信號、電化學(xué)信號和電化學(xué)發(fā)光信號等類型的邏輯運算的研究進行了分類和總結(jié),最后對分子邏輯研究的機遇和挑戰(zhàn)進行了展望。

堿基錯配,重金屬,邏輯運算

自20世紀(jì)90年代以來,人類社會步入高速發(fā)展的信息時代,主要標(biāo)志之一就是電子計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,使人類的生活方式發(fā)生了巨大的變化。然而,隨著信息技術(shù)的發(fā)展,對于電子器件的要求日趨超微化、節(jié)能化、高效化[1]。傳統(tǒng)的以硅為基礎(chǔ)的集成電路正在面臨其本身物理學(xué)極限和工藝制造極限的雙重挑戰(zhàn)[2]。同時,人工智能的實現(xiàn)有賴于集成電路的密度和復(fù)雜性,這也是電子計算機發(fā)展的瓶頸[3]。所以,各領(lǐng)域的科學(xué)家們一直致力于尋求和發(fā)展納米尺寸的可代替邏輯器件,用于滿足對未來大量、復(fù)雜信息的快速記錄、儲存、處理、傳輸,甚至是認(rèn)知[3-4]。1994年,DNA之父Adleman在《Science》雜志上首先發(fā)表開創(chuàng)性文章“Molecular Computation of Solution to Combinatorial Problems”[5],提出了利用DNA分子完成邏輯計算功能的思想[3]。這一成果很快在國際上產(chǎn)生了極其巨大的反響,分子計算機正式登上了科學(xué)的歷史舞臺。同時,分子器件被視為最有希望的傳統(tǒng)電子器件替代,它具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、易于合成、反應(yīng)迅速、特異性識別等優(yōu)勢,尤其是信息存儲量大、能源消耗低和高速并行運算的特點為人工智能的實現(xiàn)提供了一個很好的途徑,使得分子邏輯運算成為近年來科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域,產(chǎn)生了很多突破性的進展[1,6]。

分子計算機的基本運算機理就是根據(jù)分子基礎(chǔ)進行設(shè)計和編碼,把DNA作為生化材料,依據(jù)相應(yīng)的生化反應(yīng)進行邏輯門的運算[7]。分子計算機的分子基礎(chǔ),除了基于堿基互補配對的核酸雜交之外,某些核酸序列還會具有特殊功能,如催化功能、與某些特定的目標(biāo)分子進行特異性結(jié)合的功能等,這類核酸被稱為功能核酸[8-9]。功能核酸的出現(xiàn)使人們對核酸分子的了解更深入了一步,并提供了新的生物活性物質(zhì),從而為發(fā)展以功能核酸為分子基礎(chǔ)的分子邏輯運算提供了更廣泛的思路。具體來說,功能核酸包括核酸適配體(Aptamer)、脫氧核酶(DNAzymes)以及具有特殊功能的核酸分子[10]。其中,可以特異性識別Hg2+富含胸腺嘧啶堿基(T)核酸序列形成的“T-Hg2+-T”結(jié)構(gòu)以及特異性識別Ag+富含胞嘧啶堿基(C)核酸序列形成的“C-Ag+-C”結(jié)構(gòu)是非常典型的功能核酸模式,是對重金屬進行非大型儀器、非生物酶快速檢測領(lǐng)域的顛覆性突破,又因兩種重金屬離子與核酸結(jié)合的原理和性質(zhì)相似而常常成對出現(xiàn),十分契合分子邏輯運算中多輸入的構(gòu)架,因此在分子邏輯門運算的研究中十分重要。

本文將對分子邏輯運算作一概述,并以DNA錯配結(jié)合重金屬的原理為基礎(chǔ),闡述幾類典型的分子邏輯運算應(yīng)用。

1　分子邏輯運算

邏輯運算(Logical operators)又稱布爾運算,核心內(nèi)容是通過邏輯門在二進制系統(tǒng)中實現(xiàn)運算法則,通常用來判斷某個事件是繼續(xù)執(zhí)行該循環(huán)還是要離開該循環(huán)[11]。傳統(tǒng)電子計算機的邏輯門由晶體管完成,它將電信號轉(zhuǎn)化成二進制中的“1”、“0”或者布爾邏輯上的“真值”、“假值”,從而實現(xiàn)電子邏輯運算[12-13]。與此類似,二進制運算的規(guī)則也同樣適用于分子開關(guān)的邏輯運算,只需要把操作對象從電子器件替換為分子器件,把輸入信號從電信號轉(zhuǎn)換為分子信號,就可以實現(xiàn)分子邏輯運算。目前,分子邏輯運算已經(jīng)是分子電子學(xué)中非常重要的研究內(nèi)容之一,同時邏輯門作為邏輯運算法則的基礎(chǔ)也得到了極大的發(fā)展,而且愈來愈復(fù)雜。

1.1簡單邏輯門

常見的簡單邏輯門大體上可以分為單輸入邏輯門(是YES、非NOT)和多輸入邏輯門(與AND、或OR、與非NAND、或非NOR、禁止INHIBIT及異或XOR等)。邏輯門依據(jù)真值表所描述的一系列規(guī)則運行,這些常見邏輯門的真值表見表1。

“是門”(YES Gate)和“非門”(NOT Gate)是最簡單的單輸入邏輯操作,前者輸出信號的真假值與輸入信號的真假值完全相同,后者輸出信號的真假值與輸入信號的真假值完全相反,能夠?qū)崿F(xiàn)將任何接收到的輸入信號正向輸出或反向輸出,在邏輯門中占有重要的位置[14-16]。

“與門”(AND Gate)是最基本的邏輯門之一,可以把它理解為開關(guān)串聯(lián)的電路[17]。當(dāng)兩個或兩個以上個輸入信號同時為真值時輸出為真值;只要有一個輸入信號為假值,輸出均為假值[18-19]。

表1　常見的單輸入和多輸入邏輯門真值表

“或門”(OR Gate)也是最基本的邏輯門之一,可以把它看作是開關(guān)并聯(lián)的電路[17]。在輸入信號中任何一個輸入信號為真值時,輸出均為真值;當(dāng)且僅當(dāng)所有輸入信號都為假值時,輸出為假值[20-21]。

“與非門”(NAND Gate)是一種通用的邏輯門,是由“與門”與“非門”結(jié)合起來的邏輯門[15]。當(dāng)兩個或兩個以上個輸入信號同時為真值時輸出為假值;只要有一個輸入信號為假值,輸出均為真值[16-17]。

“或非門”(NOR Gate)是由“或門”與“非門”結(jié)合起來的邏輯門[15]。在輸入信號中任何一個輸入信號為真值時,輸出均為假值;當(dāng)且僅當(dāng)所有輸入信號都為假值時,輸出為真值[17]。

“異或門”(XOR Gate)的功能是比較兩個輸入信號的真假值[15]。當(dāng)兩個輸入信號的真假狀態(tài)不同時,輸出為真值;當(dāng)兩個輸入信號的真假狀態(tài)相同時,即同真或同假,輸出為假值[20]。

“同或門”(XNOR Gate)是由“異或門”與“非門”結(jié)合起來的邏輯門[15]。當(dāng)兩個輸入信號的真假狀態(tài)相同時,即同真或同假,輸出為真值;當(dāng)兩個輸入信號的真假狀態(tài)不同時,輸出為假值[18]。

“禁止門”(INHIBIT Gate)可以理解為由一個反向輸入經(jīng)過“非門”邏輯操作的“與門”,展示的是不可交換的行為,意味著其中一個輸入具有否決權(quán),能使得輸出為假值[14]。因此,兩個信號輸入的次序以及作用是不可交換的,某一個輸入真值可以否決另一個輸入(無論真假),使輸出為假值;只有當(dāng)具有否決權(quán)的輸入為假值,另一個輸入為真值時,輸出為真值[17]。

1.2復(fù)雜邏輯門

除了常見的基礎(chǔ)邏輯門和基礎(chǔ)邏輯門的組合之外,把它們合理地集合起來可以組成更高層次的相對比較復(fù)雜的邏輯門,如半加器、半減器、全加器和全減器等[22]?！鞍爰悠鳌焙汀鞍霚p器”有兩種輸入信號和兩種輸出信號,可以在分子水平上實現(xiàn)邏輯加法和減法功能,其中“半加器”是“與門”和“異或門”的組合,“半減器”是“與門”和“禁止門”的組合[13,22]。“全加器”和“全減器”是兩個“半加器”或“半減器”的組合,即需要至少三個輸入信號和至少兩個輸出信號來完成邏輯運算[13,22]。由于復(fù)雜邏輯門需要更復(fù)雜性的分子體系,因此是目前的研究難點。

2　DNA錯配結(jié)合重金屬離子

通過對分子邏輯的研究,不僅會大大推動分子電子學(xué)的研究和發(fā)展,最終構(gòu)建新一代的分子計算機,而且也會促進我們對許多重要而復(fù)雜的生物過程的理解和應(yīng)用,DNA錯配結(jié)合Hg2+和Ag+形成“T-Hg2+-T”和“C-Ag+-C”就是分子邏輯運算中的典型應(yīng)用。1952年,S.Katz首次提出DNA可以特異性結(jié)合 Hg2+的現(xiàn)象[23],繼而在1963年用單晶X射線衍射分析的方法驗證了去質(zhì)子化的胸腺嘧啶堿基與Hg2+的結(jié)合比例為2∶1[24],即一個Hg2+能夠特異性結(jié)合兩個胸腺嘧啶堿基,從而使T-T錯配堿基形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。1996年,Z.Kuklenyik在通過核磁共振光譜學(xué)研究DNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)時,再次發(fā)現(xiàn)了Hg2+和DNA的反應(yīng)現(xiàn)象,使用更為先進的儀器設(shè)備對“T-Hg2+-T”的序列和構(gòu)象進行了非常細(xì)致的研究和驗證[25]。2010年,H.Torigoe通過等溫滴定量熱法驗證了“T-Hg2+-T”結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)特性,在T-T錯配的雙鏈DNA中加入Hg2+會導(dǎo)致解鏈溫度(Tm)增加約10℃,反應(yīng)中Hg2+和一個T-T錯配的結(jié)合常數(shù)約為 5.7×105M-1[26]。同樣地,一個Ag+可以選擇性結(jié)合兩個胞嘧啶,導(dǎo)致解鏈溫度(Tm)增加約8℃[27],反應(yīng)中Ag+和一個C-C錯配的結(jié)合常數(shù)約為4.2×105M-1[28],使DNA雙鏈中的C-C錯配堿基同樣形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),圖1為Hg2+和Ag+與特異性堿基的結(jié)合模式[29]。這兩種結(jié)構(gòu)的結(jié)合力都比較大,穩(wěn)定常數(shù)都很高且在相同的量級上,所以反應(yīng)條件溫和,操作難度較小,因此常常是“T-Hg2+-T”和“C-Ag+-C”成對出現(xiàn)。如果將胸腺嘧啶和胞嘧啶分別作為識別元件,通過一定的連接體將其與信號傳導(dǎo)連接起來,就可以構(gòu)建基于Hg2+和Ag+的分子邏輯運算,無需導(dǎo)線就把多個操作連起來,就能賦予它們計算的功能。這些邏輯門的設(shè)計對Hg2+和Ag+等重金屬離子的檢測具有分析速度快、化學(xué)純度高、批次差異小、專一性強、靈敏度高、重復(fù)性好、穩(wěn)定性強、成本低廉、操作簡便等優(yōu)點,是分子邏輯中非常重要的一類[30]。

圖1　“T-Hg2+-T”和“C-Ag+-C”的結(jié)合模式圖[29]Fig.1　Binding of metal ions by pyrimidine base pairs in DNA duplexes[29]

3　基于DNA錯配結(jié)合重金屬的分子邏輯運算的應(yīng)用

分子計算系統(tǒng)在應(yīng)用中,很大程度上可以被認(rèn)為是生物傳感器與信息處理技術(shù)的結(jié)合[11]。在基于DNA錯配結(jié)合重金屬的分子邏輯運算中,往往以Hg2+和Ag+為輸入,將邏輯計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為不同形式的信號手段為輸出,常見的輸出信號有熒光信號、比色信號、電化學(xué)信號和電化學(xué)發(fā)光信號等類型。

3.1熒光信號

熒光靈敏度高、檢測方便、容易實現(xiàn)信號輸出的耦合,因而受到研究者的高度關(guān)注[11,13]。目前主要把核酸分子上的熒光修飾分為兩類,分別是熒光納米粒子型和熒光染料型。

早在2009年,Ronit Freeman團隊[31]實現(xiàn)了熒光納米粒子型分子修飾邏輯運算,如圖2A所示,選用兩種不用粒徑尺寸的量子點納米顆粒修飾一條或兩條富含胸腺嘧啶堿基或富含胞嘧啶堿基的單鏈DNA,以Hg2+、Ag+作為輸入信號,促使單鏈DNA自組裝為發(fā)夾結(jié)構(gòu),以熒光量子點發(fā)射不同波長的熒光作為輸出信號,設(shè)計了“AND”和“OR”邏輯門,同時檢測了這兩種離子的存在。類似的,Partha Bairi 團隊在2014年以pH依賴型熒光納米顆粒的共振能量轉(zhuǎn)移原理設(shè)計了以Hg2+、Ag+作為輸入信號、以熒光光譜作為輸出信號的“NOR”和“ INHIBIT”邏輯門[32]。熒光染料型分子修飾實現(xiàn)邏輯運算的代表是張貴云團隊[33]于2012年使用SYBR Green I染料選擇性結(jié)合基于重金屬和DNA錯配形成的雙鏈DNA,構(gòu)建了檢測Hg2+和Ag+的傳感器(圖2B)通過兩條單鏈DNA與重金屬離子的夾心結(jié)構(gòu)和一條單鏈DNA自組裝的發(fā)夾結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了“AND”和“OR”邏輯門,該設(shè)計使用簡便、準(zhǔn)確性好,有望應(yīng)用到實際水樣的檢測中。

圖2　熒光信號的分子邏輯運算[32-35]Fig.2　Fluorescent signal molecular logic operation[32-35]

基于熒光染料的邏輯運算還應(yīng)用在與瓊脂糖凝膠電泳結(jié)合表征核酸擴增產(chǎn)物上。聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)是一個復(fù)雜的過程,在模板、上下游引物和4種脫氧核苷酸存在的條件下,依賴于DNA聚合酶的酶促反應(yīng),將模板與其兩側(cè)互補的引物經(jīng)“高溫變性-低溫退火-延伸”三步反應(yīng)的多次循環(huán),使DNA片段在數(shù)量上呈指數(shù)增加,從而在短時間內(nèi)獲得所需的大量的特定基因片段。但是當(dāng)引物3′末端的堿基與模板存在T-T或C-C錯配時,則無法進行延伸,繼而無法啟動PCR擴增。然而當(dāng)體系中存在Hg2+或Ag+時,則可以與T-T或C-C形成穩(wěn)定的“T-Hg2+-T”和“C-Ag+-C”結(jié)構(gòu),彌補模板和引物3′末端的堿基錯配,進一步啟動PCR擴增程序。2010年,Ki Soo Park團隊[34]利用PCR擴增過程中模板和引物3′末端的堿基錯配設(shè)計了“YES”、“AND”和“OR”邏輯門(見圖2C)。用瓊脂糖凝膠電泳和熒光染料的方法進行表征,成功構(gòu)建了“YES”邏輯門。在“AND”門中,該團隊設(shè)計了模板同時與上游引物的T-T錯配和與下游引物的C-C錯配,只有當(dāng)Hg2+和Ag+同時存在時,才能啟動PCR擴增,用瓊脂糖凝膠電泳和熒光染料的方法表征了方法的可行性。在“OR”邏輯門中,采用多重PCR的原理,順次設(shè)計了兩對3′末端的堿基錯配的上下游引物,只要Hg2+或Ag+存在,都可以填補末端的錯配,啟動擴增程序,熒光染料與大量擴增的雙鏈核酸產(chǎn)物結(jié)合得到“真值”的結(jié)果。該研究還曾于2011年被《Nature》雜志報道[35]。

Hg2+和Ag+作為輸入與核酸相互作用有多種類型熒光邏輯門的設(shè)計方式,取金屬離子穩(wěn)定性強、特異性好的優(yōu)勢,結(jié)合熒光技術(shù)靈敏度高、檢測方便的特點,組合在一起可以實現(xiàn)結(jié)果的快速、準(zhǔn)確讀取,故基于熒光信號的分子邏輯門得到了非常廣泛的研究。

3.2比色信號

比色信號是根據(jù)邏輯計算后輸出結(jié)果而產(chǎn)生顏色變化的原理進行讀取的一類邏輯門,因其結(jié)果可以被肉眼觀察到,故非常適用于現(xiàn)場、快速檢測和低成本的邏輯運算。

目前比色DNA邏輯門主要基于有機染料分子或納米顆粒的吸光度進行構(gòu)建。其中,金納米顆粒(Au nanoparticles,AuNPs)的光學(xué)性質(zhì)與粒子間的聚集程度密切相關(guān),當(dāng)AuNP成分散狀態(tài)時,溶液宏觀上表現(xiàn)為紅色;當(dāng)顆粒呈聚集態(tài),溶液呈現(xiàn)藍(lán)紫色[36]。這種顏色差異主要是因為聚沉或分散態(tài)的AuNP具有不同的表面共振頻率造成的,這種表面性質(zhì)的差異可以由不同狀態(tài)的DNA分子對AuNP的保護作用不同帶來,即游離的單鏈DNA保護AuNP處于分散態(tài)不聚沉,而雙鏈DNA無法保護AuNP,從而導(dǎo)致聚沉,這種獨特的顏色變化常被應(yīng)用于邏輯門的構(gòu)建中[36-37]。2015年,張玉環(huán)團隊[38]充分利用了DNA的識別能力和AuNP獨特的光學(xué)性質(zhì)設(shè)計了“AND”、“OR”和兩個“INHIBIT”邏輯門。如圖3所示,兩條存在7個T-T、7個C-C錯配的部分互補單鏈DNA和Hg2+、Ag+作為輸入,Hg2+可以結(jié)合兩條單鏈DNA中7個T-T錯配形成半段完全互補的雙鏈DNA和兩條半段游離的單鏈DNA,同理Ag+可以結(jié)合兩條單鏈DNA中7個C-C錯配形成另外半段完全互補的雙鏈DNA和兩條半段游離的單鏈DNA,當(dāng)Hg2+和Ag+同時存在時可形成完全互補的整條雙鏈DNA,他們在不同劑量NaClO4的誘導(dǎo)下,輸出了藍(lán)紫色(真值)或紅色(假值)的比色信號,構(gòu)建了“AND”和“OR”邏輯門(圖3a,圖3b)。設(shè)計精巧之處還在于兩種不同劑量的NaClO4誘導(dǎo),當(dāng)兩條半段游離的單鏈DNA對AuNP執(zhí)行保護時無法抵抗高劑量(120 μL,0.2 mol/L)的NaClO4誘導(dǎo)出現(xiàn)聚沉,卻可以承受低劑量(40 μL,0.2 mol/L)的NaClO4誘導(dǎo)保持分散態(tài)。至于兩個“INHIBIT”邏輯門的設(shè)計(圖3c,圖3d),又引入一小段與之前單鏈DNA完全互補的序列,它的存在保證了任何情況下都有游離的單鏈DNA對AuNP進行保護使輸出為紅色(假值),即發(fā)揮一票否決權(quán)的作用,即“INHIBIT”邏輯門。

圖3　比色信號的分子邏輯運算[38]Fig.3　Color signal molecular logic operation[38]

比色信號的分子邏輯門具有設(shè)計簡單、操作方便、結(jié)果直觀、成本低廉等優(yōu)點,尤其是AuNP的引入使分子比色邏輯門的發(fā)展空間更加廣闊,引領(lǐng)光學(xué)邏輯門進入了另一個快速發(fā)展時期[11]。

3.3電化學(xué)信號

分子電化學(xué)邏輯門,就是利用堿基與金屬離子相互作用實現(xiàn)其構(gòu)象的變化的原理以及電化學(xué)標(biāo)記物為分子探針實現(xiàn)電化學(xué)檢測的一種方法,是當(dāng)今生物學(xué)、醫(yī)學(xué)多科領(lǐng)域研究的熱點。

圖4　電化學(xué)信號的分子邏輯運算[39]Fig.4　Electrochemistry signal molecular logic operation[39]

2013年,張云梅團隊[39]在金電極表面設(shè)計了“AND”、“NAND”和“NOR”邏輯門。如圖4所示,首先在金電極上通過Au-S鍵修飾一富含胸腺嘧啶堿基和胞嘧啶堿基的單鏈DNA,另一條有相應(yīng)錯配富含胸腺嘧啶堿基和胞嘧啶堿基的單鏈DNA用羧基二茂鐵修飾,把Hg2+、Ag+作為輸入信號,兩條單鏈DNA與重金屬離子通過錯配雜交在金電極表面形成雙鏈,羧基二茂鐵的電化學(xué)信號作為輸出信號構(gòu)建了“AND”邏輯門(圖4a)。隨后,通過Hg2+、Ag+引發(fā)電極表面的DNA單鏈構(gòu)象的轉(zhuǎn)化和雙鏈的解離設(shè)計了“NAND”邏輯門(圖4b),最后根據(jù)金屬離子引發(fā)DNA三鏈和雙鏈之間的變化設(shè)計了“NOR”邏輯門(圖4c)。

盡管電化學(xué)信號無法被肉眼直觀的識別,但它克服了傳統(tǒng)光學(xué)邏輯門難與非分子的技術(shù)相結(jié)合等缺點,具有靈敏性、可逆性、便攜性且能有DNA生物芯片相兼容的特點,因為其原理設(shè)計巧妙簡便使得電化學(xué)方法的邏輯門成為生物檢測分析領(lǐng)域又一種被高度關(guān)注的分子邏輯運算[31,39]。

3.4電化學(xué)發(fā)光信號

電化學(xué)發(fā)光是將電化學(xué)法和化學(xué)發(fā)光法巧妙結(jié)合,發(fā)生在電極表面由穩(wěn)定的前體產(chǎn)生的具有高度反應(yīng)性的化學(xué)發(fā)光反應(yīng),通過三角形脈沖電壓的激發(fā)產(chǎn)生穩(wěn)定、連續(xù)、高效的發(fā)光,可簡單理解為電促發(fā)光,具有靈敏、快速、準(zhǔn)確、分析適應(yīng)性廣等特點[40]。

2011年,李雪梅團隊[41-42]提出了電化學(xué)發(fā)光分子邏輯門的想法,以聯(lián)吡啶釕配合物(RuII)為電化學(xué)發(fā)光標(biāo)記物,二茂鐵及衍生物(Fe)為其猝滅劑通過把巰基修飾的DNA連接在金電極上,構(gòu)建了一系列的電化學(xué)發(fā)光DNA邏輯門(圖5)。在邏輯門的輸入程序中,Hg2+、Ag+作為輸入,電極上的DNA鏈即會發(fā)生相應(yīng)的形態(tài)變化(彎曲或伸直),使電致化學(xué)發(fā)光的標(biāo)記物聯(lián)吡啶釕距離電極的位置發(fā)生變化,從而導(dǎo)致發(fā)光信號強度相應(yīng)的變化;另外二茂鐵及衍生物對聯(lián)吡啶釕配合物的化學(xué)發(fā)光產(chǎn)生猝滅作用,Hg2+和Ag+還會引起聯(lián)吡啶釕靠近或遠(yuǎn)離二茂鐵,導(dǎo)致發(fā)光信號也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。簡言之,即DNA鏈發(fā)生不同程度的彎曲,其末端修飾的電化學(xué)發(fā)光標(biāo)記物聯(lián)吡啶釕配合物在靠近、遠(yuǎn)離電極或者靠近、遠(yuǎn)離猝滅劑二茂鐵時,發(fā)出不同強度的電化學(xué)發(fā)光信號,實現(xiàn)了“OR”、“INHIBIT”、“NAND”、“NOR”和兩種“AND”邏輯門。由于此邏輯門探針發(fā)揮作用時利用的金屬離子是通過吸附作用,因此該傳感器具有良好的再生性和穩(wěn)定性,對于金屬離子Hg2+、Ag+又具有較高的選擇性[41-43]。

圖5　電化學(xué)發(fā)光信號的分子邏輯運算[41-42]Fig.5　Electrochemiluminescent signal molecular logic operation[41-42]

電化學(xué)發(fā)光信號在分子邏輯運算領(lǐng)域有著重要的意義,有望實現(xiàn)多路邏輯門或邏輯電路計算結(jié)果的同時讀取,較光學(xué)信號擁有更大的發(fā)展?jié)摿41],但因為電化學(xué)發(fā)光信號的讀取較為復(fù)雜,且該項研究仍處于早期階段,使電化學(xué)發(fā)光信號作為邏輯運算輸出的報道尚不多見。

4　總結(jié)與展望

目前,利用DNA錯配結(jié)合重金屬的性質(zhì)伴隨熒光、比色、電化學(xué)和電化學(xué)發(fā)光等類型讀取方法所構(gòu)建的分子邏輯門已經(jīng)取得了極大的發(fā)展,將為生物大規(guī)模邏輯電路和分子計算機的實現(xiàn)的構(gòu)建打下堅實基礎(chǔ)。然而也應(yīng)該看到,分子邏輯運算與傳統(tǒng)電子邏輯運算的研究相比還處于探索性階段,原理研究還存在很多急待解決的問題:其一,分子基礎(chǔ)偶聯(lián)效率不佳導(dǎo)致可靠性和重復(fù)性不好;其二,分子邏輯運算的實現(xiàn)不夠復(fù)雜,暫未見半加器、半減器、全加器和全減器等分子邏輯運算的報道;其三,分子邏輯信號輸出與電信號對接的傳輸效率問題未涉及;其四,大部分還處于溶液狀態(tài)的研究導(dǎo)致集成不易,因此距離分子邏輯運算的應(yīng)用研究還有相當(dāng)大的距離[44-46]。但是機遇與挑戰(zhàn)共存,致力于能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)、高靈敏、快速讀取、多通路、芯片化、復(fù)雜的分子邏輯門研究,將成為分子邏輯門研究中重要的新方向,具有廣闊的前景[42,44,47]。

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Research progress in molecular logic operation based on nucleic acid mismatches

CHENG Nan1,XU Yuan-cong1,XU Wen-tao1,2,3,*

(1.College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China; 2.The Supervision,Inspection & Testing Center Agricultural Product Quality,Ministry of Agriculture,Beijing 100083,China; 3.Beijing Food Quality and Safety Laboratory,Beijing 100083,China)

The molecular logic operation is an effective way to solve the bottleneck of the development electronic computer,as well as a key unit of molecular computer.It is a class of very classical molecular basis for DNA mismatch to combine heavy metal,so it is important in the study of molecular logic operation.In this paper,an overview of molecular logic operation was presented.Then,the research progress based on the principle of DNA mismatch for heavy metal combination in molecular logic operation in recent years were classified and summarized,including the fluorescence signal,colorimetric signal,electrochemical signal and ECL signals,etc.Finally,the opportunities and challenges of molecular logic research were proposed.

base mismatches;heavy metal;logical operation

2015-09-18

程楠(1991-)，女，博士，研究方向：核酸傳感器，E-mail:goodluckchengnan@163.com。

許文濤(1979-)，男，博士，副教授，研究方向：生物源風(fēng)險因子檢測與毒理評價，E-mail:xuwentaoboy@sina.com。

國家科技支撐計劃項目(2012BAK08B00)；農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險隱患專項評估項目(農(nóng)質(zhì)發(fā)N2012-13)。

TS201.6

A

1002-0306(2016)07-0381-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.065