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1、基于分子信标的异或门DNA自组装计算模型【摘要】随着DNA计算研究深入，运用布尔逻辑电路实现DNA计算 机己经成为研究的热点。分子信标是近年来备受关注的一种新型DNA探针, 它具有高度的特异性和灵敏度。以分子信标作为自组装单元设计出异或门 DNA计算模型，是一种新的有效方法。和以往的DNA计算模型相比，该模 型操作简单，可靠性高，可重复使用。【关键词】分子信标；异或门；DNA自组装一、引言DNA计算是一种以生物分子DNA作为计算介质，以生化反应作为计算 工具的新型计算方法。运用DNA分子的的海量存储能力和高度并行性来构 建布尔逻辑电路为DNA计算机的实现奠定了基础。1996年，Ogihara等
2、人 首次提出可基于DNA的布尔电路的模拟，并给出了图1所示的逻辑电路的 DNA实现方法1。不久，Amos等人提出了一种改进的逻辑与非门的DNA 计算模型，并且解释了如何通过这种逻辑门实现二阶矩阵的传递闭包的计 算2, 3o此后，Mulawka也提出另一个逻辑与非门的DNA计算模型4。 但这些方法都存在不能重复利用和基于试管方式的缺点，这不利于大规模 布尔逻辑电路的实现。2004年，刘文斌等人提出了一个基于毗噬二聚物的 诱导发夹结构的逻辑“与非门”的DNA计算模型，克服了执行完特定运算 后逻辑不能重复使用的缺点，但操作过程复杂，随后，他又提出了改进的 方法5, 6o 2009年，B. S. E.
3、 Zoraida等人提出了一种基于DNA的新颖 的广义设计方法和布尔操作的实现7 o这些实现布尔逻辑运算的方法中 大都解决的是与门，或门，与非门，很少提到异或门的解决方法。在前人 的基础上，本文提出了一种基于分了信标的自组装方法解决异或门。二、分子信标和自组装分子信标是一种发夹结构的寡居核昔酸探针。因其背景信号低，灵敏 度高、特异性识别性强、操作简单及均相检测等优点，在短短今年内得到 迅速的发展。传统的分子信标由四部分组成：环、茎、荧光基团、猝灭基 团。其中，环部是分子信标的识别部分，可以与靶序列自发地进行杂交； 茎部是两列互补碱基序列；荧光基团和猝灭基团位于茎的末端。根据W-C互补配对原则，
4、DNA分子中A-T配对，G-C配对。但是，当 有毗嚏二聚物分子时，G和G也可以配对。因为毗陇二聚物的两臂上分别 有三个氢键结合位点，它们分别和G上的两个氢键结合，这样就出现了 G-G 配对。利用这一性质，E. Smith等人在镀金的表面设计了一种通过毗嚏二 聚物分子诱导形成的“发夹”结构的分子信标8。它的环部DNA序列长 度为16bp,茎部序列为：5 AAAGGGTTTGGGT373，TTTGGGAAAGGGA5其中包含两组一GGG-序列，当在表面添加毗嚏二聚物时，在其作用 下，GG自发的配对，使得茎部序列的结合力增强，导致与环部杂交形成 的双链解开，从而形成“发夹”结构。当把表面上的毗嚏二聚
5、物清洗掉时, “发夹”结构打开。因为毗嚏二聚物容易清洗，所以“发夹”结构的形成 与打开易于控制，这类似于电子电路的开关。三、异或门的生物操作异或门是指当有两个输入时，如果恰有一个输入为1,则输出1,否 则为0。换句话说，如果两个输入不同，则异或门输出lo本文通过是否 形成发夹结构来判断真值：形成发夹结构为真，即为“I”，否则为“0二1.编码本文的设计是基于固体表面，首先在DNA序列的5,设计一段作为分 子臂，用来固定在表面上并起到隔开DNA序列。输入变量的序列U、V和 在变量序列两边的长度为1的茎干部位序列SI, S2, SI, S2是含有一GGG 一的互补序列，使得在没有毗噬二聚物(Naph
6、. thyridine Dimmer)的条 件下，它们不会互补杂交.此外，在设计变量SI, S2及径杆序列时必须满 足：径杆序列杂交时的结合力要大于在环部长度为21的序列杂交时的结 合力，而小于长度为41的序列杂交时的结合力(如图2所示)。这样使得 存在毗嚏二聚物时SI, S2自发的形成”发夹”结构。2 .异或门操作过程(1) 首先将编码异或门的DNA分子固定在经过化学修饰的固体表面, 如图3所示。(2) 当输入Si (i=l, 2)时，加入由合成的两端带引物的补链。杂 交反应完成后用缓冲液把固体表面冲洗干净。异或门的4种输入情况如图 4所示。(3) 在固体表面上加毗嚏二聚物。由于GG碱基互补
7、，第二种情况 和第三种情况会形成“发夹”结构，即只有输入为0和1时才会形成”发 夹结构。此时，完成了异或门的真值判定，真值时形成“发夹”结构, 否则就是线性双链结构，如图5所示。四、结论DNA计算已经成为研究的热门领域，它有可能解决电子计算的瓶颈问 题.本文给出了基于分子信标自组装的逻辑异或门的DNA计算模型.和以往 模型相比，它提出了一种新的解决分子逻辑门的方法。该方法根据DNA分 子间的特异性杂交，可自发地进行，减少了过多的人为因素引起的操作误 差，而且具有了重复使用等特点。参考文献l OgiharaM,RayA. SimulatingbooleancircuitsonaDNAcomput
8、erJ. Algorithmica , 1999, 25 (2)： 239-250.2 Amos M, Dunne P E, Gibbons A. DNA Simulation of Boolean Circuits. Proceedings of the Third Annum ConferenceC. 1998, 22一25, Madi son, Wisconsin： University of Wisconsin, 679-683, San Franci sco, CA.3 Dunne P E, Amos M, Gibbons A.Boolean Transitive Closure i
9、n DNAC. In Computing with Bio-Molecules: TheoryandExperiments, GeorgePaun (Ed. )， 127-137, Springer-Verlag, Singapore, 1998.4 Muiawka J J, , Wasiewicz P, Plucienniczak A. Another logical molecular NAND gate systemC. Seventh International Conference on Microelectronics for Neural, Fuzzy and Bio-Inspired Systems, 1999Granada, Spain, 340-346.
