【摘要】隨著DNA計(jì)算研究深入，運(yùn)用布爾邏輯電路實(shí)現(xiàn)DNA計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。分子信標(biāo)是近年來備受關(guān)注的一種新型DNA探針，它具有高度的特異性和靈敏度。以分子信標(biāo)作為自組裝單元設(shè)計(jì)出異或門DNA計(jì)算模型，是一種新的有效方法。和以往的DNA計(jì)算模型相比，該模型操作簡(jiǎn)單，可靠性高，可重復(fù)使用。

【關(guān)鍵詞】分子信標(biāo)；異或門；DNA自組裝

一、引言

DNA計(jì)算是一種以生物分子DNA作為計(jì)算介質(zhì)，以生化反應(yīng)作為計(jì)算工具的新型計(jì)算方法。運(yùn)用DNA分子的的海量存儲(chǔ)能力和高度并行性來構(gòu)建布爾邏輯電路為DNA計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。1996年，Ogihara等人首次提出可基于DNA的布爾電路的模擬，并給出了圖1所示的邏輯電路的DNA實(shí)現(xiàn)方法[1]。不久，Amos等人提出了一種改進(jìn)的邏輯與非門的DNA計(jì)算模型，并且解釋了如何通過這種邏輯門實(shí)現(xiàn)二階矩陣的傳遞閉包的計(jì)算[2，3]。此后，Mulawka也提出另一個(gè)邏輯與非門的DNA計(jì)算模型[4]。但這些方法都存在不能重復(fù)利用和基于試管方式的缺點(diǎn)，這不利于大規(guī)模布爾邏輯電路的實(shí)現(xiàn)。2004年，劉文斌等人提出了一個(gè)基于吡啶二聚物的誘導(dǎo)發(fā)夾結(jié)構(gòu)的邏輯“與非門”的DNA計(jì)算模型，克服了執(zhí)行完特定運(yùn)算后邏輯不能重復(fù)使用的缺點(diǎn)，但操作過程復(fù)雜，隨后，他又提出了改進(jìn)的方法[5，6]。2009年，B.S.E. Zoraida等人提出了一種基于DNA的新穎的廣義設(shè)計(jì)方法和布爾操作的實(shí)現(xiàn)[7]。這些實(shí)現(xiàn)布爾邏輯運(yùn)算的方法中大都解決的是與門，或門，與非門，很少提到異或門的解決方法。在前人的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于分子信標(biāo)的自組裝方法解決異或門。

二、分子信標(biāo)和自組裝

分子信標(biāo)是一種發(fā)夾結(jié)構(gòu)的寡居核苷酸探針。因其背景信號(hào)低，靈敏度高、特異性識(shí)別性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單及均相檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在短短今年內(nèi)得到迅速的發(fā)展。傳統(tǒng)的分子信標(biāo)由四部分組成：環(huán)、莖、熒光基團(tuán)、猝滅基團(tuán)。其中，環(huán)部是分子信標(biāo)的識(shí)別部分，可以與靶序列自發(fā)地進(jìn)行雜交；莖部是兩列互補(bǔ)堿基序列；熒光基團(tuán)和猝滅基團(tuán)位于莖的末端。

根據(jù)W-C互補(bǔ)配對(duì)原則，DNA分子中A-T配對(duì)，G-C配對(duì)。但是，當(dāng)有吡啶二聚物分子時(shí)，G和G也可以配對(duì)。因?yàn)檫拎ざ畚锏膬杀凵戏謩e有三個(gè)氫鍵結(jié)合位點(diǎn)，它們分別和G上的兩個(gè)氫鍵結(jié)合，這樣就出現(xiàn)了G-G配對(duì)。利用這一性質(zhì)，E.Smith等人在鍍金的表面設(shè)計(jì)了一種通過吡啶二聚物分子誘導(dǎo)形成的“發(fā)夾”結(jié)構(gòu)的分子信標(biāo)[8]。它的環(huán)部DNA序列長(zhǎng)度為16bp，莖部序列為：

5′—AAAGGGTTTGGGT—3′

3′—TTTGGGAAAGGGA—5′

其中包含兩組—GGG—序列，當(dāng)在表面添加吡啶二聚物時(shí)，在其作用下，G—G自發(fā)的配對(duì)，使得莖部序列的結(jié)合力增強(qiáng)，導(dǎo)致與環(huán)部雜交形成的雙鏈解開，從而形成“發(fā)夾”結(jié)構(gòu)。當(dāng)把表面上的吡啶二聚物清洗掉時(shí)，“發(fā)夾”結(jié)構(gòu)打開。因?yàn)檫拎ざ畚锶菀浊逑矗浴鞍l(fā)夾”結(jié)構(gòu)的形成與打開易于控制，這類似于電子電路的開關(guān)。

三、異或門的生物操作

異或門是指當(dāng)有兩個(gè)輸入時(shí)，如果恰有一個(gè)輸入為1，則輸出1，否則為0。換句話說，如果兩個(gè)輸入不同，則異或門輸出1。本文通過是否形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)來判斷真值：形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)為真，即為“1”，否則為“0”。

1.編碼

本文的設(shè)計(jì)是基于固體表面，首先在DNA序列的5′設(shè)計(jì)一段作為分子臂，用來固定在表面上并起到隔開DNA序列。輸入變量的序列U、V和在變量序列兩邊的長(zhǎng)度為l的莖干部位序列S1，S2，S1，S2是含有—GGG—的互補(bǔ)序列，使得在沒有吡啶二聚物（Naph.thyridine Dimmer）的條件下，它們不會(huì)互補(bǔ)雜交.此外，在設(shè)計(jì)變量S1，S2及徑桿序列時(shí)必須滿足：徑桿序列雜交時(shí)的結(jié)合力要大于在環(huán)部長(zhǎng)度為2l的序列雜交時(shí)的結(jié)合力，而小于長(zhǎng)度為4l的序列雜交時(shí)的結(jié)合力（如圖2所示）。這樣使得存在吡啶二聚物時(shí)S1，S2自發(fā)的形成”發(fā)夾”結(jié)構(gòu)。

2.異或門操作過程

（1）首先將編碼異或門的DNA分子固定在經(jīng)過化學(xué)修飾的固體表面，如圖3所示。

（2）當(dāng)輸入Si（i=1，2）時(shí)，加入由合成的兩端帶引物的補(bǔ)鏈。雜交反應(yīng)完成后用緩沖液把固體表面沖洗干凈。異或門的4種輸入情況如圖4所示。

（3）在固體表面上加吡啶二聚物。由于G—G堿基互補(bǔ)，第二種情況和第三種情況會(huì)形成“發(fā)夾”結(jié)構(gòu)，即只有輸入為0和1時(shí)才會(huì)形成”發(fā)夾”結(jié)構(gòu)。此時(shí)，完成了異或門的真值判定，真值時(shí)形成“發(fā)夾”結(jié)構(gòu)，否則就是線性雙鏈結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

四、結(jié)論

DNA計(jì)算已經(jīng)成為研究的熱門領(lǐng)域，它有可能解決電子計(jì)算的瓶頸問題.本文給出了基于分子信標(biāo)自組裝的邏輯異或門的DNA計(jì)算模型.和以往模型相比，它提出了一種新的解決分子邏輯門的方法。該方法根據(jù)DNA分子間的特異性雜交，可自發(fā)地進(jìn)行，減少了過多的人為因素引起的操作誤差，而且具有了重復(fù)使用等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]OgiharaM，RayA.SimulatingbooleancircuitsonaDNAcomputer[J].Algorithmica，1999，25（2）：239-250.

[2]Amos M，Dunne P E，Gibbons A.DNA Simulation of Boolean Circuits.Proceedings of the Third Annum Conference[C].1998，22-25，Madison，Wisconsin：University of Wisconsin，679-683，San Francisco，CA.

[3]Dunne P E，Amos M，Gibbons A.Boolean Transitive Closure in DNA[C].In Computing with Bio-Molecules：TheoryandExperiments，GeorgePaun（Ed.），127-137，Springer-Verlag，Singapore，1998.

[4]Mulawka J J，，Wasiewicz P， Plucienniczak A.Another logical molecular NAND gate system[C].Seventh International Conference on Microelectronics for Neural，F(xiàn)uzzy and Bio-Inspired Systems，1999 Granada，Spain，340-346.