具有催化功能的寡核苷酸、核酸电子器件、逻辑门复合物及电路

本技术涉及具有催化功能的寡核苷酸，具体涉及具有催化功能的寡核苷酸、核酸电子器件、逻辑门复合物及电路。

背景技术：

1、经过数百万年的进化，各种生物细胞活动是通过复杂的分子机制网络来控制的，例如，在对各种刺激的反应中，细胞和生物体进化出了不同的机制，能够快速和精确地适应物理化学环境中细胞外和细胞内的变化。此种自然发生的机制大多依赖于变构作用的使用，这是自然界中普遍存在的一种策略，以调节生物分子的亲和性，并控制细胞的代谢和生命活动过程。变构生物分子通过经历特定的、结合诱导的构象变化，对其在变构位点的效应物作出反应，此种变构事件反过来又会触发特定的输出信号，如离子通道的打开或酶的激活。

2、具有催化功能的寡核苷酸是一种功能性的、能够催化磷酸二酯键裂解的催化dna分子，能够催化具有类酶效率和选择性的特定化学反应，此外，具有催化功能的寡核苷酸的各种具有不同催化活性被报道：连接、磷酸化、去糖基化、与dna和rna底物的金属依赖水解，以及涉及非核酸底物的反应。催化核酸最吸引人的特点是，它们结合了酶(如催化活性和特异性)和核酸(如易于合成、高可编程性和低成本)的优点。特别是，dna-dna相互作用的可预测性使得通过不同方式控制具有催化功能的寡核苷酸的活性成为可能。活性变构调节是控制具有催化功能的寡核苷酸的有力途径。通常，具有催化功能的寡核苷酸被合理地设计为一个第二结构域，通过不同的效应物来控制催化活性，如短寡核苷酸序列，小分子和肽或蛋白质。

3、此种变构具有催化功能的寡核苷酸的催化核心或/和底物识别臂在空间上是分离的，可以被不同的效应物特异性恢复，从而激活具有催化功能的寡核苷酸的活性。例如，nakama的研究小组通过结合人工羟基嘧啶酮配体型核苷酸(h)开发了cu2+响应性变构具有催化功能的寡核苷酸，该核苷酸形成cu2+介导的碱基对(h-cu2+-h)。此外，zheng和同事建立了一种通过抑制剂或触发链实现的具有催化功能的寡核苷酸变构调控策略。然而，考虑到具有催化功能的寡核苷酸的二级分子结构在一定程度上受到此种第二结构域的干扰，复杂的变构策略总是不可避免地受到信号衰减或/和刺激信号泄漏的影响。然后，化学修饰的具有催化功能的寡核苷酸作为一种有效的刺激响应分子装置出现，可用于调节具有催化功能的寡核苷酸的活性。在典型的化学修饰的具有催化功能的寡核苷酸体系中，具有催化功能的寡核苷酸的保守催化核心被光活性或化学活性基团修饰具有催化功能的寡核苷酸系统。由于催化核心上的修饰基团可以完全灭活具有催化功能的寡核苷酸并容易分离，因此此种化学修饰的具有催化功能的寡核苷酸不受信号衰减或泄漏的影响。然而，由于一些底物或者效应物能够能够去除修饰基团，使得修饰后具有催化功能的寡核苷酸的效应物和/或底物的范围受到了修饰的限制。另外，现有的调节具有催化功能的寡核苷酸活性的方法很少能在不同效应物的情况下不引起严重的活性衰减和信号泄漏。

技术实现思路

1、在此，本技术发明人通过巧妙地在催化核心外引入一个第二结构域来开发一种能够被多种效应物响应而进行变构的具有催化功能的寡核苷酸，得益于其第二结构域的存在使得其酶促反应能够被效应灵活调整，为其广泛应用提供技术基础。与其他将第二结构域放置在保守催化核心内的变构方法不同，本技术实施例提供的具有催化功能的寡核苷酸具有两个环状序列(第一序列和第二序列)，第一序列用于提供催化功能，第二序列提供变构功能。第一序列形成具有催化功能的环状的第一结构域，第二序列形成具有捕捉效应物的第二结构域，使得环状结构的第二结构域被排列在保守的催化核心(第一结构域)之外，而不是在催化核心内部(图1)。

2、第二结构域在空间上与催化核心分离，从而使具有催化功能的寡核苷酸失活。同时，第二结构域可以被设计来响应不同的效应物。在所述第一序列催化作用下，效应物可结合至所述第二序列形成的第二结构域上，以使得所述第一缺口由开放转变为封闭状态。也即，在效应物存在的情况下，效应结合介导的催化核心组装诱导具有催化功能的寡核苷酸构象从开放结构到封闭结构，促进具有催化功能的寡核苷酸的活性从非活性状态到活性状态。因此，本技术实施例提供具有催化功能的寡核苷酸的构象改变会被效应物的存在和缺失所调节，从而允许具有催化功能的寡核苷酸活性的变构调控(图1)，以应对常见具有催化功能的寡核苷酸的变构后产生活性的衰减和难以处理的信号泄漏。由本技术实施例可知，与正如预期的那样，通过不同的效应物(例如可以通过短的寡核苷酸序列和小分子)极易恢复具有催化功能的寡核苷酸的活性。

3、此外，多功能变构材料的卓越性能该策略保证了创新的变构共调节纳米器件的成功实施。该智能的具有催化功能的寡核苷酸可以促进高效分子计算系统的发展。基于上述具有催化功能的寡核苷酸，本技术实施例还构建了四个基本的dna逻辑门，即or门、and门、xor门和inhibit门。同时，通过连接基本的逻辑门，建立了双层dna逻辑电路。此外，通过集成xor门和or门或inhibit门，生成了两个复杂的基于dna的逻辑电路，即半加法电路和半减法电路来实现基于核酸的算术函数电路。

4、本技术实施例提供具有催化功能的寡核苷酸能够被不同种类的效应物进行变构协同调节，还能够用于制作成功逻辑门复合物和核酸电子器件和核酸电路。此种前所未有的刺激响应型具有催化功能的寡核苷酸促进了基于具有催化功能的寡核苷酸的应用和发展，并更有吸引力地扩展到建立各种分子计算系统、生物传感平台和基因沉默工具。

5、基于此，本技术实施例至少公共了以下技术方案：

6、(1)本技术实施例公开了一种具有催化功能的寡核苷酸，包括：

7、第一序列，所述第一序列自组装成一环状的第一结构域，所述第一结构域具有一个可开放或封闭的第一缺口和可开放或封闭的第二缺口；

8、连接在所述第一缺口两侧的两个杂交臂；以及

9、连接于所述第二缺口的第二序列，所述第二序列自组装成一环状的第二结构域；

10、其中，当效应物与所述第二结构域结合时，介导所述第一缺口处于封闭状态，以提供所述第一结构域与底物的催化结合；所述第二缺口在所述效应物结合至所述第二结构域后由开放转变为封闭状态。

11、(2)本技术实施例公开了一种核酸电子器件，包括：

12、至少一个电极；

13、至少一个能够被催化产生可检测信号的生物传感器，所述生物传感器被修饰地连接在所述电极上，所述生物传感器负载有第(1)方面所述的具有催化功能的寡核苷酸。

14、(3)本技术实施例公开了一种核酸逻辑门复合物，其包含：

15、第(1)方面所述的具有催化功能的寡核苷酸；

16、底物，所述底物为具有被所述具有催化功能的寡核苷酸结合部位以及可被催化切割而产生荧光的荧光基团的核酸分子；以及

17、提供所述具体催化功能的寡核苷酸和所述底物发生催化反应所需环境的元件或器件，所述元件或器件为固定化所述具体催化功能的寡核苷酸和所述底物的材料、或容纳所述具体催化功能的寡核苷酸和所述底物的容器；

18、其中，所述逻辑门复合物提供将输入核酸导入发生催化反应并形成输出核酸和产生具有逻辑编程的荧光信号。

19、(4)本技术实施例公开了一种核酸分子级联逻辑门电路，包括：

20、至少两个相互连接的第(3)方面所述的核酸逻辑门复合物，其中一个逻辑门的输出核酸作为另一个逻辑门的输入核酸。

21、(5)本技术实施例公开了一种核酸分子半加法电路，通过第(3)方面中所述的“xor”门复合物和“and”门复合物构建，该核酸半加法电路以两条输入核酸实现二进制整数加法运算；

22、其中，所述“xor”门复合物实现“sum”运算位，所述“xor”门复合物中包含的具有催化功能的核酸和底物序列依次如seq id no.14所示和seq id no.57所示；

23、所述“and”门复合物实现“carry”运算位，所述“and”门复合物中包含的具有催化功能的核酸和底物序列依次如seq id no.1所示和seq id no.17所示。

24、(6)本技术实施例公开了一核酸分子半减法电路，通过第(3)方面所述的“xor”门复合物和“inhibit”门复合物构建，该核酸半加法电路以两条核酸分子作为输入，以实现二进制整数减法运算；

25、其中，所述“xor”门复合物实现“difference”运算位，所述“xor”门复合物中包含的具有催化功能的核酸和底物序列依次如seq id no.14所示和seq id no.59所示；

26、所述“inhibit”门复合物实现“borrow”运算位，所述“inhibit”门复合物中包含的具有催化功能的核酸和底物序列依次如seq id no.5所示和seq id no.17所示。