一种基于dna自组装计算的半加器设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于DNA自组装计算的半加器设计方法，基于DNA自组装技术构建构造刚性三交叉DNA分子；设计半加器的四种类型刚性DNA?Tiles，包括输入X类Tiles，输出Y类Tiles、Z类Tiles和初始化C类Tiles；在预先设定的实验条件下，控制合适温度以及溶液的浓度，保证DNA自组装顺利完成组装；结果提取，寻找出运算完整的自组装结构，分离并提取其中的报告链，根据编码原则读取结果。本发明构造了一种包含三个粘性末端的刚性TX，并利用改进的TX，通过程序化设计合成构造四种类型组分的DNA?Tiles，实现基于DNA算法自组装的累积半加运算。结果分析表明，所研究的半加逻辑运算模型虽然简单，但在理论上可拓展实现更复杂的逻辑运算。
【专利说明】—种基于DNA自组装计算的半加器设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半加器【技术领域】，尤其涉及一种基于DNA自组装计算的半加器设计方法。
【背景技术】
[0002]当前分子器件研究的主要难题是:构筑任何一个分子器件的基本前提是必须将少数几个分子，甚至单个分子镶嵌在两个电极之间，形成金属电极-分子-金属电极(Metal-Molecules-Metal, MMM)的连接器件。这种连接有两种实现方法:
[0003](I)采用扫描隧道显微镜或导电探针原子力显微镜构筑模型器件；
[0004](2)采用纳米间隙的电极对，构筑实际的连接器件。
[0005]但这种MMM连接的研究，大多局限在少数大分子如DNA和纳米碳管上。现在，分子与金属电极之间的连接大多是一种简单的机械接触，其接触电阻对器件的作用严重影响了器件的性能与可重复性。为了解决这些问题，在功能材料的末端，可有目的地引入一些用于自组装的功能性基团，通过自组装使材料与电极通过化学键接触而非机械接触结合。
[0006]DNA分子编码地球上所有形式的生命，可以论证:就数据存储和处理而言，它们是已知的最强有力的媒介。然而，迄今DNA几乎没有被用于计算机，其原因主要是:缺乏一种方法，能够将生命分子转换成器件，而器件可以完成逻辑操作。
[0007]现代计算机的基础是布尔逻辑，它要求有一个被称为“门”的半导体单位，将输入信号转换成特定的输出，例如与(AND)门、或(OR)门等。因为一个门的输出可以作为下一个门的输入，通过布尔单元的分层组合，系统(即集成电路)便有可能对非常复杂的问题给出答案。在电子计算机内部，逻辑门电路被印刷在硅片表面，它们的输入和输出是电压。40年来，随着集成度的提高，硅芯片上安放的电路系统越来越多，尺寸越来越小，己接近物理极限。如果再按传统的方法继续发展下去，有可能使电路内的部件，如晶体管、电阻、电容、连线等由于体积太小而丧失它们的功能。分子器件是今后微电子学的发展方向，是现今硅基集成电路在尺寸方面的极限导致的必然选择。
[0008]大量的研究结果显示，DNA的空间构象、热力学、原子核和电子动力学都可促进远距离的电子传输，这些性质使DNA有望成为制作纳米导线和纳米器件的理想材料，并以其双螺旋结构或其它空间拓扑结构作为支架材料或模板，引导功能性纳米元件的组装，来制备分子级的电子器件。
[0009]在DNA自组装的理论研究方面，Winfree等人提出可利用DNA的自组装特性作为计算工具，并首次把可计算的DNA Tile组装的概念应用于DNA分子装配。其核心思想是通过Tile System对自组装过程进行抽象，利用DNA Tile组成DNA分子，在其自组装过程中实现计算，并指出复杂的双交叉分枝结构通过自装配形成二维片状或三维球状的过程是强大的计算模型，并证明了 Tile自组装模型的计算能力是图灵等价的。
[0010](I)理论研究成果:
[0011]1998年，Winfree提出了 DNA Tile自组装的动力学模型，开发出了在离散时间上对DNA Tile自组装过程进行模拟的软件。2000年，Adleman建立了 DNA Tile自组装的随机微分方程模型，并确定了 DNA—维自组装的均衡概率分布收敛速度。2002年,Adleman通过理论研究给出了树状自组装的程序复杂度的界限。2002年，Seeman等给出了以DNA Tile为介质，利用DNA自组装实现分子规模电路装配的基本思想。2006年，Brun提出了用于二进制加法和乘法运算的DNA Tile理论模型，并在此基础上解决了大数分解和子集加问题。2008年，Zhang等提出了实现二进制减法和除法运算的自组装系统，并给出了整数分解的自组装计算方案。2009年，黄玉芳等基于DNA Tile自组装模型，针对4变量4句子的布尔逻辑问题，提出了一个DNA Tile自组装自动化运算系统。2010年，Wang等利用DNA Tile实现了布尔逻辑与和或运算，并于2011年进一步实现了基于DNA自组装的布尔逻辑半加、半减运算和全加、全减运算。2011年，张成等基于DNA自组装的结构变化，利用DNA/AuNP聚合色变反应，通过构建求解简单集合运算的分子计算模型，实现了对多重分子信号输入的简单集合的逻辑运算。
[0012](2)实验研究成果:
[0013]1999年，Mao等用4个六螺距长的DNA双螺旋结构构造了菱形DNA Tile，通过在DNA Tile的8条臂上修饰粘性末端，组装得到了二维周期阵列。2000年，Mao等给出了基于TAE Tile的、生物操作复杂度为常数的DNA加法模块的设计方案，并首次给出了基于DNATile自组装的XOR布尔运算实证。2003年，Yan等设计出了携带信息的DX Tile，将其自组装成含有五位条形码图案的DNA晶体，并给出了条形码为“01101”的DNA晶体的原子力显微镜图片。同年，Yan等还设计了一个由4个Holliday结自组装而成的二维正方形网状结构。2004年，Liao等研制了 一种由DNA组成的、可根据DNA序列合成不同产品的纳米器件。同年，Park等利用DNA多层链所形成的刚性材料构建出了尺度不到10_6平方米的栅格结构，最小的结构元件仅有5-10nm，比当时利用先进的光刻技术生产的硅电子电路还要小10倍。2004年，Liu等设计了由5条DNA链组成的三角形DNA Tile用于构造二维阵列。传统的DNA自组装技术很难构造出不规则的复杂晶体。2006年，Rothemund等提出了 DNA折纸术的DNA自组装思路，成功地突破了这一局限，取得了 DNA自组装领域的重大突破。2006年，钱璐璐等基于DNA折纸术，利用DNA在纳米尺度上构造了中国地图形状。所构造的纳米结构由DNA折叠而成，直径约150nm，分辨率约6nm，通过原子力显微镜观测到的图形与设计图形几乎完全一致。该研究证明了 DNA折纸术具有构造几乎任何复杂二维纳米级图形的能力，有力地推动了 DNA自组装技术从理论研究到实际应用的进程。
[0014]而半加器是一种实现两个一位二进制数相加求得和数及向高位进位的逻辑电路，由一个异或门和一个与门构成，它实用性较强，可以构造全加器、二进制计数器、二进制译码器等，是一种非常重要的逻辑器件。
【发明内容】
[0015]针对上述问题，本发明提供了一种基于DNA自组装计算的半加器设计方法，构造刚性DNA Tile，并基于DNA Tile自组装模型，实现了基于DNA自组装的半加算法算法。
[0016]本发明实施例是这样实现的，一种基于DNA自组装计算的半加器设计方法，所述方法包括以下步骤:基于DNA自组装技术构建构造刚性三交叉DNA分子；设计半加器的四种类型刚性DNA Tiles，包括输入X类Tiles，输出Y类Tiles、Z类Tiles和初始化C类Tiles ;在预先设定的实验条件下，控制合适温度以及溶液的浓度，保证DNA自组装顺利完成组装；结果提取，寻找出运算完整的自组装结构，分离并提取其中的报告链，根据编码原则读取结果。
[0017]进一步，构造刚性三交叉DNA分子的方法为:
[0018]该DNA Tile由三条DNA单链构成,三条DNA单链通过Watson-Crick碱基配对形成一个近似平面的三个双螺旋结构，具有3个粘性末端；DNA链两两交叉连接三点，连接相邻的双螺旋。输出结果传递给另一个分子瓦；中央的两端是由双螺旋发夹环封闭，但其他螺旋可以终止包含自组装分子瓦信息的粘性末端。
[0019]进一步，构造半加器四种类型的刚性DNA Tiles的方法为:
[0020]累积半加运算是由一系列的布尔逻辑输入X1, x2，x3，…，Xn和一系列布尔逻辑输出yi，y2，y3，…，7?和w，…，zn所组成；为执行半加运算，需要两种不同种类的X类Tiles，一种赋值为0，而另一种赋值为I。Tiles赋值为0或者1，在化学意义上，用限制位点Pvu II(CAGCTG)表示0，用EcoR V(GATATC)表示I ;Tiles的值位在矩形的左上角，通过左上的粘性末端直接传递值；
[0021]对于半加运算，输出Y是由两个输入X做异或运算而得，即对于一系列的布尔逻辑输入X1, X2, X3,…，Xn和一系列布尔逻辑输出y1; y2, y3,…，yn,这里，Y1 = X1,并且当i> Lyi = Y^1XORxi JPX类Tiles—样，Y类Tiles也有两个值，分别为0和I ;有两种途径来得到这两个结果:当两个输入值相同时为I或者0，其运算输出结果Y为0 ;当两个输入值不同时，一个为I而另一个为0，则运算输出结果Y为1，需要有4种不同的y tiles ；
[0022]对于半加运算，输出Z是由两个输入X做与运算而得，即对于一系列的布尔逻辑输A XijX27X3,…，Xn和一系列布尔逻辑输出Z^Z2ilZ3,.",Zn,这里,Z1 = X1,并且当i > LZi=Zp1ANDxi ;和X和Y两类Tiles—样，Z类Tiles也有两个值:0和I。有两种途径来得到这两个结果:当两个输入值均为I时，其运算输出结果Z为I ;当两个输入值均为0，或者一个输入为0而另一个输入为I时，其运算输出结果Z为0 ;需要有4种不同的z tiles,;两个粘性末端在左部，代表两个输入值；另一个粘性末端在矩形框右上部，代表一个输出值；
[0023]除了 X类Tiles、Y类Tiles和Z类Tiles以外，还需要两个初始化C类Tiles =C1和C2。
[0024]进一步，结果提取方法为:
[0025]一旦自组装过程完成， 就需要提取结果，在设计的DNA Tiles中均包含一条基链，这条链贯穿分子瓦的对角，组装完成后，这条基链将相互缠绕成一条包括逻辑运算输入和输出值的更长的DNA链。
[0026]进一步，在该模型中，每个自组装运算过程都在瞬间完成，每一步运算结果均作为输入值直接传递下去用于后续计算。
[0027]本发明提出了基于DNA Tile自组装的二进制半加运算模型。分子自组装技术是一种“从小至大”材料组装的方法，是制备纳米材料的一类重要方法，它提供了解决“从小至大”方法极限问题的一条新思路。由于自组装技术的潜在优势，能够按照人们的设计采用“自下而上”的方式实现有序组装，如果能够真正达到实用化和大规模生产，将大大降低生产成本，大大促进信息、生物、医药等领域的飞速发展。生化电路中，以DNA分子为介质的基本和复合逻辑运算，是最基本的运算单元。基于此，通过对Seeman的DNA三交叉分子(TX)进行改进，构造了一种包含三个粘性末端(两输入一输出)的刚性TX。并利用改进的TX，通过程序化设计合成构造四种类型组分的DNA Tiles，实现基于DNA算法自组装的累积半加运算。结果分析表明，所研究的半加逻辑运算模型虽然简单，拓展实现更复杂的逻辑运
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【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是本发明实施例提供的三交叉DNA分子。(a) Seeman给出的TX分子；(b)用于半加半减运算的改进的TX分子；
[0029]图2是本发明实施例提供的执行半加运算的组分DNA Tiles ；
[0030]图3本发明实施例提供的半加运算的自组装过程。
【具体实施方式】 [0031]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0032]本发明是一种基于DNA Tile组装模型，利用DNA算法自组装实现的半加运算方法。
[0033]半加器是一种实现两个一位二进制数相加求得和数及向高位进位的逻辑电路，由一个异或门和一个与门构成。半加器的实用性较强，可以构造全加器、二进制计数器、二进制译码器等，是一种非常重要的逻辑器件。半加运算的真值表如表1所示，其逻辑表达式如式⑴、⑵所示。
[0034]逻辑SUM代表两个二进制码最低位的相加，逻辑CARRY代表两个二进制码相加的进位数。当两个输入相同(两个0和两个I)时，逻辑SUM的值是I。否则，逻辑SUM的值是
0。而当两个输入是逻辑I，逻辑CARRY的值是I。否则，逻辑CARRY的值是0。逻辑SUM和逻辑CARRY的布尔功能是通过联合异或门和与门来实现逻辑功能。
[0035]表1半加运算真值表
[0036]
【权利要求】
1.一种基于DNA自组装计算的半加器设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:基于DNA自组装技术构建构造刚性三交叉DNA分子；设计半加器的四种类型刚性DNATiles，包括输入X类Tiles，输出Y类Tiles、Z类Tiles和初始化C类Tiles ;在预先设定的实验条件下，控制合适温度以及溶液的浓度，保证DNA自组装顺利完成组装；结果提取，寻找出运算完整的自组装结构，分离并提取其中的报告链，根据编码原则读取结果。
2.如权利要求1所述的基于DNA自组装计算的半加器设计方法，其特征在于，构造刚性三交叉DNA分子的方法为: 该DNA Tile由三条DNA单链构成,三条DNA单链通过Watson-Crick碱基配对形成一个近似平面的三个双螺旋结构，具有3个粘性末端；DNA链两两交叉连接三点，连接相邻的双螺旋。输出结果传递给另一个分子瓦；中央的两端是由双螺旋发夹环封闭，但其他螺旋可以终止包含自组装分子瓦信息的粘性末端。
3.如权利要求1所述的基于DNA自组装计算的半加器设计方法，其特征在于，构造半加器四种类型的刚性DNA Tiles的方法为: 累积半加运算是由一系列的布尔逻辑输入X1, x2，x3，…，Xn和一系列布尔逻辑输出yi，y2?y3>…，yjn Z1, z2,z3, "^zn所组成；为执行半加运算,需要两种不同种类的X类Tiles,一种赋值为0，而另一种赋值为I。Tiles赋值为0或者I,在化学意义上,用限制位点PvuII(CAGCTG)表示0，用EcoR V(GATATC)表示I ;Tiles的值位在矩形的左上角，通过左上的粘性末端直接传递值； 对于半加运算，输出Y是由两个输入X做异或运算而得，即对于一系列的布尔逻辑输入X1, X2, X3,…，—系列布尔逻辑输出y1; J2, y3,…，yn,这里，Y1 = X1,并且当i > I, Yi=Y^1XORxi ;和X类Tiles —样，Y类Tiles也有两个值，分别为0和I ;有两种途径来得到这两个结果:当两个输入值相同时为I或者0，其运算输出结果Y为0 ;当两个输入值不同时，一个为I而另一个为0，则运算输出结果Y为1，需要有4种不同的y tiles ； 对于半加运算，输出Z是由两个输入X做与运算而得，即对于一系列的布尔逻辑输入X1, x2, X3,…，—系列布尔逻辑输出Z1, z2, Z3,…，Zn,这里，Z1 = X1,并且当i > I, Zi=Zp1ANDxi ;和X和Y两类Tiles—样，Z类Tiles也有两个值:0和I。有两种途径来得到这两个结果:当两个输入值均为I时，其运算输出结果Z为I ;当两个输入值均为0，或者一个输入为0而另一个输入为I时，其运算输出结果Z为0 ;需要有4种不同的z tiles,;两个粘性末端在左部，代表两个输入值；另一个粘性末端在矩形框右上部，代表一个输出值； 除了 X类Tiles、Y类Tiles和Z类Tiles以外，还需要两个初始化C类Tiles =C1和c2。
4.如权利要求1所述的基于DNA自组装计算的半加器设计方法，其特征在于，结果提取方法为: 自组装过程完成，就需要提取结果，在设计的DNA Tiles中均包含一条基链，这条链贯穿分子瓦的对角，组装完成后，这条基链将相互缠绕成一条包括逻辑运算输入和输出值的更长的DNA链。
5.如权利要求1所述的基于DNA自组装计算的半加器设计方法，其特征在于，在该模型中，每个自组装运算过程都在瞬间完成，每一步运算结果均作为输入值直接传递下去用于后续计算。
【文档编号】G06F17/50GK103646125SQ201310055285
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年2月21日 优先权日:2013年2月21日
【发明者】崔光照, 黄春, 王子成, 孙军伟, 牛莹, 张勋才, 姚莉娜, 王延峰, 任静, 侯贺伟 申请人:郑州轻工业学院