专利名称：一种用于dna分子置换技术的生物实验方法
技术领域：
本发明属于DNA分子置换技术领域，尤其涉及一种用于DNA分子置换技术的生物 实验方法。
背景技术：
DNA分子置换技术是美国加州大学生物计算研究组于2010年提出，并发表在 Science杂志上的，该团队利用DNA分子置换技术模拟了人工神经网络的计算过程。在他 们的生物实验中，利用4条DNA分子分别表示输入是“00”，“01”，“ 10”，“11”四种情况。然 而，在DNA分子置换技术的生物实验中，当使用较多的DNA分子时会导致DNA分子之间因杂 交而出现假阳性与假阴性的情形，使得实验不会按照事先的设计方案进行，最终导致实验 与计算失败。另外，将DNA置换技术用于模拟神经模型的计算中利用4条DNA分子表示输 入的方式与神经计算系统的脉冲累加行为有所违背。
发明内容
本发明提供了一种用于DNA分子置换技术的生物实验方法，旨在解决在DNA分子 置换技术的生物实验中，使用较多的DNA分子会导致DNA分子之间因杂交而出现假阳性与 假阴性的情形，使得实验不会按照事先的设计方案进行，最终导致实验与计算失败。另外， 将DNA置换技术用于模拟神经模型的计算中利用4条DNA分子表示输入的方式与神经计算 系统的脉冲累加行为有所违背的问题。本发明的目的在于提供一种用于DNA分子置换技术的生物实验方法，该方法包括 以下步骤选取实验用DNA分子，并对DNA分子进行预处理；选择与输入DNA分子对应的逻辑门输入数字组合；设计出对应于与门、或门、非门的发夹结构的报告DNA分子；设计门DNA序列与阈值DNA序列；通过纯聚丙烯酰胺凝胶电泳法检测实验结果，验证该方法的有效性。进一步，所述选取实验用DNA分子，并对DNA分子进行预处理的实现方法为选取实验用30条单链DNA分子，分别用S1 S9表示DNA分子的片段；将DNA分子置于溶液的体积为50uL的超纯水中，每条DNA分子的浓度值相等；利用T1 T8表示脉冲神经膜系统中神经元的阈值，T1 T8的浓度分别对应1个 单位体积至8个单位体积。进一步，所述选择与输入DNA分子对应的逻辑门输入数字组合的实现方法为选 择与输入与DNA分子对应的P1与P7，其中P1表示0。进一步，所述设计出对应于与门、或门、非门的发夹结构的报告DNA分子的实现方 法为对应于与门、或门、非门设计出的四种发夹结构的报告DNA分子分别为P27、P28、P29和P30，其中P27与P28组成T7参与与门、或门和非门的反应；P29和P30组成T8参与 与或门的反应。进一步，所述设计门DNA序列与阈值DNA序列的实现方法为在与门中，P2和P3组成Tl构成针对输入I的阈值DNA分子，P4和P5组成T3针 对输入0的阈值DNA分子；在或门中，P4和P5组成T2作为输入I的阈值DNA分子，PlO和Pll组成T4作为 输入0阈值DNA分子；在非门中，P2和P3组成Tl作为输入I的阈值DNA分子，P4和P5组成T3作为输 A 0的阈值DNA分子；在与或门中，P13和P5组成T5作为输入0时的阈值DNA分子，P14和Pll组成T6 作为输入I时的阈值DNA分子；每个试管的总容积为30uL，每种引物的浓度为lOuM。进一步，所述通过纯聚丙烯酰胺凝胶电泳法检测实验结果，验证该方法的有效性 的实现方法为利用纯聚丙烯酰胺凝胶电泳法读取反应生成的DNA分子；利用DNA分子进行计算逻辑门过程的生物实验；读取计算结果进行验证。进一步，所述利用纯聚丙烯酰胺凝胶电泳法读取反应生成的DNA分子的实现方法 为使用包含5%聚丙烯酰胺的凝胶及测试接入设备、镁离子缓冲液，在温度为4°C、 电压值为80V的环境中使用FB-VE10-1电泳疗法进行实验；电泳结束后，使用全染色染料对凝胶进行处理，并且扫描凝胶的分布情况。进一步，所述利用DNA分子进行计算逻辑门过程的生物实验中所有的门DNA分子置于测试接入设备、镁离子缓冲液中，混合降温溶解过程中，依 次保持 95°C、2 分钟，65°C、10 分钟，550C、10 分钟，45°C、10 分钟，35°C、15 分钟，25°C、15 分 钟，15°C、15 分钟，4°C、30 分钟；在输入DNA分子之后进行缓慢降温的退火；利用DNA分子计算实现脉冲神经膜系统逻辑门的计算过程。本发明提供的用于DNA分子置换技术的生物实验方法，对现有的DNA分子置换技 术的缺陷进行了改进，即只使用两条DNA分子分别表示0与1，当输入是“00”时，实验中使 用两倍单位浓度的表示0的DNA分子；当输入是“11”时，实验中使用两倍单位浓度的表示 I的DNA分子；当输入是“10”或者“01”，实验中使用I倍单位浓度的表示0的DNA分子与 I倍单位浓度的表示I的DNA分子，将DNA分子置换实验中使用的DNA分子种类降低一倍， 有效地避免了实验中出现的假阳性与假阴性现象，使得实验很好地按照事先的设计方案进 行，很大程度上提高了实验的可靠性与计算的准确率，另外，该方法中使用的“浓度累加”的 方法，与脉冲神经元的“脉冲累加”行为暗合，因此是一种更为准确模拟脉冲神经元计算过 程的生物技术，该方法提出的DNA置换技术较之前的技术更为高效，在只使用两种DNA分子 的情况下，同样可以模拟脉冲神经元的计算过程，在使用同样多种类的DNA的前提下，该提 出的DNA置换技术则可模拟更大规模的计算过程，具有较强的推广与应用价值。
图1是本发明实施例提供的用于DNA分子置换技术的生物实验方法的实现流程 图。
具体实施例方式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 本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并不用于限定发明。图1示出了本发明实施例提供的用于DNA分子置换技术的生物实验方法的实现流程。该方法包括以下步骤在步骤S101中，选取实验用DNA分子，并对DNA分子进行预处理；在步骤S102中，选择与输入DNA分子对应的逻辑门输入数字组合；在步骤S103中，设计出对应于与门、或门、非门的发夹结构的报告DNA分子；在步骤S104中，设计门DNA序列与阈值DNA序列；在步骤S105中，通过纯聚丙烯酰胺凝胶电泳法检测实验结果，验证该方法的有效 性。在本发明实施例中，选取实验用DNA分子，并对DNA分子进行预处理的实现方法 为选取实验用30条单链DNA分子，分别用S1 S9表示DNA分子的片段；将DNA分子置于溶液的体积为50uL的超纯水中，每条DNA分子的浓度值相等；利用T1 T8表示脉冲神经膜系统中神经元的阈值，T1 T8的浓度分别对应1个 单位体积至8个单位体积。在本发明实施例中，选择与输入DNA分子对应的逻辑门输入数字组合的实现方法 为选择与输入与DNA分子对应的P1与P7，其中P1表示0。在本发明实施例中，设计出对应于与门、或门、非门的发夹结构的报告DNA分子的 实现方法为对应于与门、或门、非门设计出的四种发夹结构的报告DNA分子分别为P27、P28、 P29和P30，其中P27与P28组成T7参与与门、或门和非门的反应；P29和P30组成T8参与 与或门的反应。在本发明实施例中，设计门DNA序列与阈值DNA序列的实现方法为在与门中，P2和P3组成T1构成针对输入1的阈值DNA分子，P4和P5组成T3针 对输入0的阈值DNA分子；在或门中，P4和P5组成T2作为输入1的阈值DNA分子，P10和P11组成T4作为 输入0阈值DNA分子；在非门中，P2和P3组成T1作为输入1的阈值DNA分子，P4和P5组成T3作为输 入0的阈值DNA分子；在与或门中，P13和P5组成T5作为输入0时的阈值DNA分子，P14和P11组成T6作为输入1时的阈值DNA分子；每个试管的总容积为30uL，每种引物的浓度为10uM。在本发明实施例中，通过纯聚丙烯酰胺凝胶电泳法检测实验结果，验证该方法的 有效性的实现方法为利用纯聚丙烯酰胺凝胶电泳法读取反应生成的DNA分子；利用DNA分子进行计算逻辑门过程的生物实验；读取计算结果进行验证。在本发明实施例中，利用纯聚丙烯酰胺凝胶电泳法读取反应生成的DNA分子的实 现方法为使用包含5%聚丙烯酰胺的凝胶及测试接入设备、镁离子缓冲液，在温度为4°C、 电压值为80V的环境中使用FB-VE10-1电泳疗法进行实验；电泳结束后，使用全染色染料对凝胶进行处理，并且扫描凝胶的分布情况。在本发明实施例中，利用DNA分子进行计算逻辑门过程的生物实验中所有的门DNA分子置于测试接入设备、镁离子缓冲液中，混合降温溶解过程中，依 次保持 95°C、2 分钟，65°C、10 分钟，55。。、10 分钟，45°C、10 分钟，35。。、15 分钟，25。。、15 分 钟，15°C、15 分钟，4°C、30 分钟；在输入DNA分子之后进行缓慢降温的退火；利用DNA分子计算实现脉冲神经膜系统逻辑门的计算过程。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。本项目中根据基于脉冲神经膜系统的逻辑门的计算机理，将DNA置换技术进行改 进，并且利用改进的技术实现了脉冲神经膜系统的逻辑门的计算过程。具体的改进为:实验 中数字1与0分别用相应的DNA分子进行标示，当某个逻辑门的输入是11或00的情况时， 利用两倍单位体积的表示1或0的DNA分子作为系统的输入，而美国团队则是使用另外的 DNA分子表示11与00。该技术在国内是首次应用，另外，基于脉冲神经膜系统的逻辑门模 型，在国内也是首次提出。实验中共使用30条单链DNA分子，这些DNA分子的片段分别用S1 S9表示，并 将它们置于溶液的体积为50uL的超纯水中，每条DNA分子的浓度值相等。利用T1 T8表 示脉冲神经膜系统中神经元的阈值，即激发规则的使用条件，它们的浓度分别对应1个单 位体积至8个单位体积。实验的第一步选择与输入对应的DNA分子P1与P7，其中P1表示0 ;第二步，对应于与门、或门、非门设计出四种发夹结构的报告DNA分子P27、P28、 P29和P30，其中P27与P28组成T7参与与门、或门和非门的反应；P29和P30组成T8参与 与或门的反应。第三步(见表1)，设计门DNA序列与阈值DNA序列。与门中，P2和P3组成T1构 成针对输入1的阈值DNA分子，P4和P5组成T3针对输入0的阈值DNA分子；或门中P4和 P5组成T2作为输入1的阈值DNA分子，P10和P11组成T4作为输入0阈值DNA分子；非 门中P2和P3组成T1作为输入1的阈值DNA分子，P4和P5组成T3作为输入0的阈值DNA 分子；与或门中P13和P5组成T5作为反应第一步输入0的阈值DNA分子，P14和P11组成 T6作为反应第二步输入1的阈值DNA分子，每个试管的总容积为30uL，每种引物的浓度为lOuMo表1门DNA分子与阈值DNA分子的设计方案
权利要求
1.一种用于DNA分子置换技术的生物实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 选取实验用DNA分子，并对DNA分子进行预处理； 选择与输入DNA分子对应的逻辑门输入数字组合； 设计出对应于与门、或门、非门的发夹结构的报告DNA分子； 设计门DNA序列与阈值DNA序列； 通过纯聚丙烯酰胺凝胶电泳法检测实验结果，验证该方法的有效性。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述选取实验用DNA分子，并对DNA分子进行预处理的实现方法为 选取实验用30条单链DNA分子，分别用SI S9表示DNA分子的片段； 将DNA分子置于溶液的体积为50uL的超纯水中，每条DNA分子的浓度值相等； 利用Tl T8表示脉冲神经膜系统中神经元的阈值，Tl T8的浓度分别对应I个单位体积至8个单位体积。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述选择与输入DNA分子对应的逻辑门输入数字组合的实现方法为选择与输入与DNA分子对应的Pl与P7，其中Pl表示O。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述设计出对应于与门、或门、非门的发夹结构的报告DNA分子的实现方法为 对应于与门、或门、非门设计出的四种发夹结构的报告DNA分子分别为P27、P28、P29和P30，其中P27与P28组成T7參与与门、或门和非门的反应；P29和P30组成T8參与与或门的反应。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述设计门DNA序列与阈值DNA序列的实现方法为 在与门中，P2和P3组成Tl构成针对输入I的阈值DNA分子，P4和P5组成T3针对输入O的阈值DNA分子； 在或门中，P4和P5组成T2作为输入I的阈值DNA分子，PlO和Pll组成T4作为输入O阈值DNA分子； 在非门中，P2和P3组成Tl作为输入I的阈值DNA分子，P4和P5组成T3作为输入O的阈值DNA分子； 在与或门中，P13和P5组成T5作为输入O时的阈值DNA分子，P14和Pll组成T6作为输入I时的阈值DNA分子； 每个试管的总容积为30uL，每种引物的浓度为10uM。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述通过纯聚丙烯酰胺凝胶电泳法检测实验结果，验证该方法的有效性的实现方法为 利用纯聚丙烯酰胺凝胶电泳法读取反应生成的DNA分子； 利用DNA分子进行计算逻辑门过程的生物实验； 读取计算结果进行验证。
7.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述利用纯聚丙烯酰胺凝胶电泳法读取反应生成的DNA分子的实现方法为 使用包含5%聚丙烯酰胺的凝胶及测试接入设备、镁离子缓冲液，在温度为4°C、电压值为80V的环境中使用FB-VE10-1电泳疗法进行实验；电泳结束后，使用全染色染料对凝胶进行处理，并且扫描凝胶的分布情況。
8.如权利要求I或6所述的方法，其特征在于，所述利用DNA分子进行计算逻辑门过程的生物实验中 所有的门DNA分子置于测试接入设备、镁离子缓冲液中，混合降温溶解过程中，依次保持 95°C、2 分钟，65°C、10 分钟，55°C、10 分钟，45°C、10 分钟，35°C、15 分钟，25°C、15 分钟，15。。、15 分钟，4°C、30 分钟； 在输入DNA分子之后进行缓慢降温的退火； 利用DNA分子计算实现脉冲神经膜系统逻辑门的计算过程。
全文摘要
本发明属于DNA分子置换技术领域，提供了一种用于DNA分子置换技术的生物实验方法，对现有的DNA分子置换技术的缺陷进行了改进，有效地避免了实验中出现的假阳性与假阴性现象，使实验很好地按照事先的设计方案进行，提高了实验的可靠性与计算的准确率，另外，该方法中使用的“浓度累加”的方法，与脉冲神经元的“脉冲累加”行为暗合，因此是一种更为准确模拟脉冲神经元计算过程的生物技术，该方法提出的DNA置换技术较之前的技术更为高效，在只使用两种DNA分子的情况下，同样可以模拟脉冲神经元的计算过程，在使用同样多种类的DNA的前提下，该提出的DNA置换技术则可模拟更大规模的计算过程，具有较强的推广与应用价值。
文档编号C12N15/10GK102660536SQ201210109600
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月16日 优先权日2012年4月16日
发明者卢巍, 宋弢, 潘林强, 石晓龙 申请人:华中科技大学