基于核酸外切酶驱动模块化DNA反应网络的信号处理方法

本发明属于分子信息处理领域，具体涉及一种基于核酸外切酶驱动模块化dna反应网络的信号处理方法。

背景技术：

1、dna反应网络被广泛用于构建纳米尺度机器和复杂计算电路，以执行特定的分子信息处理任务。时至今日，dna反应网络通过对信号的“与”、“或”、“非”、“异或”、“与非”等计算，被用于构建逻辑门电路，并通过结合这些基本功能，实现了更复杂的数字功能。此外，由dna反应网络也可以模拟化学反应网络的信息处理过程，在分子检测以及疾病诊断中有广泛的应用(dna-based dynamic reaction networks.trends in biochemical sciences,2018,43(7),547-560)。dna反应网络已被证实具备在纳米尺度上处理信息的能力。然而，实现dna反应网络的多样化信号处理任务往往需要大量且结构复杂的dna底物，这使得dna反应网络模块化设计变得困难，由此带来了网络复杂性增加，导致难以搭建大规模集成化的反应网络(information processing using an integrated dna reactionnetwork.nanoscale,2021,13(11),5706-5713.)。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于简单分子结构完成多种信号处理任务的方法，它以一个结构简单的核心单元为基础，通过结合其它功能单元，建立了包括信号选择、信号时间可调自复位、多输入输出信号放大、信号延时连续可调的四个模块化dna反应网络，实现了多种信号处理任务。该方法对核心单元的可重复利用，大大减少了dna序列设计的工作量，同时简洁化了dna反应网络的设计流程，为进一步打造功能更为强大、复杂的dna网络奠定了坚实的基础，为处理分子信息提供了具有潜力的工具。

2、本发明的技术方案：

3、一种基于核酸外切酶驱动模块化dna反应网络的信号处理方法，包括如下步骤：

4、步骤1：信号选择模块的构建及运行

5、信号选择模块的底物由一个核心单元和两个报告器构成。核心单元是一个对称结构，由两条5’磷酸修饰的dna链以及两条未磷酸修饰的dna链退火形成。两条5’磷酸修饰的dna链杂交构成两个3’悬垂端，两个3’悬垂端再分别与两条未磷酸修饰的dna链杂交，形成具有两个5’悬垂端的核心单元。当在核心单元中添加输入时，两个输入链可分别选择核心单元的两个5’悬垂端，并通过顺序的dna链置换反应以及lambda外切酶(λexo)的酶消解反应得到不同的输出链，为后续模块化网络设计的可扩展性提供保障。两个报告器分别用来接收核心单元产出的两条非磷酸修饰的输出链，其中一个报告器由修饰rox荧光基团和bhq2淬灭基团的两条互补链构成，另一个报告器由修饰fam荧光基团和bhq1淬灭基团的两条互补链构成。两个报告器根据接收到的两个不同输出链，使报告器的荧光和猝灭基团分裂，进而产生两种不同的荧光。本信号选择模块可根据两种不同的输入链，产生两种不同荧光信号，实现信号选择功能。

6、步骤2：信号自复位模块的构建及运行

7、信号自复位模块的底物由一个核心单元和一个自复位单元构成。该模块的核心单元与信号选择模块相同。自复位单元由三条dna链构成，其中，一条dna链在3’端修饰rox荧光基团，一条在5’端修饰bhq2猝灭基团，这两条dna都与未修饰的第三条dna链杂交。在信号自复位模块运行过程中，由核心单元产生输出链，之后输出链和自复位单元发生dna链置换反应，诱导信号链的释放，产生荧光信号的增强。这时，自复位单元形成λexo可以作用的水解底物，待水解完成后，信号链与水解后的底物再杂交，完成荧光的重新猝灭，实现信号的自复位功能。

8、步骤3：信号交叉催化模块的构建及运行

9、信号交叉催化模块的底物由两个相同结构的核心单元、两个用于实时监测交叉催化信号的报告器以及两个阈值单元组成。两个核心单元的结构设计方法与信号选择模块相同，但在序列设计时需保证任何一个核心单元的输入为另一个核心单元的输出。此外，相对于信号选择模块以及信号自复位模块的核心单元设计，信号交叉催化模块的核心单元的其中一条磷酸修饰的输出单链替换为未修饰的单链，以保证长时间内磷酸单链不会被λexo水解。两个报告器结构设计方法与信号自复位模块的自复位单元相同，荧光猝灭基团分别使用rox和bhq2修饰以及fam和bhq1修饰。两个阈值单元的结构设计相对于报告器结构缺少3’端修饰荧光基团的dna链。在信号交叉催化模块运行时，无论在底物中添加哪个核心单元的输入，都可以形成交叉催化闭环，并不断催化生成两条输入链以及两条输出链，直到所有底物中的核心单元被消耗完。信号交叉催化模块不仅可以实现信号的催化放大，还可以实现信号的多路输入和输出。

10、步骤4：信号延时模块的构建及运行

11、通过利用信号交叉催化模块的底物进一步实现了信号延时模块。使用交叉催化模块生成输出后，因为输出和阈值单元会有更快的反应速率，输出会优先和阈值单元发生杂交反应，这时无法产生荧光信号的增强。若有少量输出与报告器发生相对于杂交更慢的链置换反应，链置换出的信号依然会和阈值单元杂交形成报告器，这一过程也不会产生荧光强度的增加。当阈值单元被完全消耗完之后，输出与报告器发生链置换反应才能诱导荧光信号增强，进而实现信号的延时触发。在信号延时模块中，可通过改变阈值单元的浓度，实现信号延迟时间可连续地调整。

12、信号延时模块完全依赖信号交叉催化模块的底物，具体不同在于使用的阈值单元浓度不同。信号交叉催化的阈值单元只是为了产生更好的信噪比，信号延时模块的阈值单元是为了实现信号的延时触发。

13、本发明的有益效果：

14、1、充分利用了λexo的高效性、持久性和序列无关性，建立了具有输入输出正交特性的信号处理核心单元，实现多输入输出信号传输方式。

15、2、通过核心单元与自复位单元的结合，实现了信号的自复位功能，并通过对λexo浓度的改变，实现了信号自复位功能的时间可调节性，提高了模块化dna反应网络的时间可控性。

16、3、基于λexo的序列独立性和核心单元输入输出之间的正交特性，采用两个结构相同的核心单元，并通过巧妙地设计构成核心单元的dna序列，实现了具备多输入输出特性的信号放大功能。

17、4、基于信号交叉催化模块，通过控制阈值单元的浓度，实现对信号延迟时间可连续地调整，这为模块化dna反应网络提供了更大的灵活性和精确度。

18、5、核心单元可被灵活选择、调整以及与其它功能单元相结合，为模块化dna反应网络设计提供了可扩展性，核心单元的可重复利用大大减少了dna序列设计的工作量，简化了dna反应网络的设计过程。

19、6、dna反应网络的模块化设计提高了网络的可重用性、可扩展性，以及针对不同应用灵活定制的能力。通过实现多种信息处理任务，成功进行了概念验证研究。

20、本发明开发一种基于核酸外切酶驱动的模块化dna反应网络的信号处理方法，通过功能单元间的组合，构建出多种模块化的dna反应网络，以满足不同的信号处理需求。该方法简化了dna反应网络的设计，提高其可扩展性，为具有多功能的大规模网络设计提供设计思路，有望为生物计算、纳米机器、生物传感等领域带来新应用方法。