基于局域性dna发卡链置换反应的异或门及求反电路的制作方法
【专利摘要】本发明属于基于分子电路设计技术领域，具体涉及一种基于DNA链自组装原理的基于局域性DNA发卡链置换反应的异或门及利用该异或门所构建的求反电路。该异或门采用双轨逻辑构建而成，包括单链DNA输入、燃料发卡和固定于折纸基质上的DNA发卡；该求反电路属于一种三位二进制输入求反电路，由两个并列的异或门构成。所提供的异或门，错误的链置换反应发生的概率较低，同时DNA链置换反应的效率得以提高。所提供的求反电路中，可实现并行计算，互不干扰；对该求反电路的Visual DSD的仿真结果表明，该求反电路构建合理，同时该求反电路具有良好的性能，在构建大型复杂分子系统中具有构建速度快、精确度高和拓展性强等优势。
【专利说明】
基于局域性DNA发卡链置换反应的异或门及求反电路
技术领域
[0001] 本发明属于基于分子电路设计技术领域，具体涉及一种基于DNA链自组装原理的 基于局域性DNA发卡链置换反应的异或门及利用该异或门所构建的求反电路。
【背景技术】
[0002] 作为自然计算的一个分支，生物计算中基于生物材料已构建出大量多功能性分子 计算设备。基于DNA的自发性配对组装、可自动进行链置换等自然特征，它是一种进行分子 计算的理想材料，可为更多DNA分子电路的构建提供巨大潜力。然而，由于全局性DNA链置换 反应中分子扩散速度慢以及错误的分子碰撞问题，越来越多的研究者开始着眼于局域性分 子链置换在分子电路构建中的应用。
[0003] 局域性DNA分子电路的构建原理为:部分DNA分子被束缚在一种DNA衬底上，并且它 们只能与足够接近的其他DNA分子发生反应，这样就可有效避免全局性DNA链置换反应中分 子扩散速度慢以及错误的分子碰撞问题。
[0004] 在过去的几年里，研究者们对局域性DNA分子电路进行了大量设计和构建工作，并 取得了一定的成果，例如：2011年，Chandran基于局域性DNA链置换反应提出了与门、或门 以及与或门等分子逻辑门的详细设计方法，并在此基础上构建立了局域性四输入求平方根 电路;2014年，钱璐璐和Winfree基于一种新型链置换反应在DNA折纸构建的底板上模拟化 学反应网络，在此基础上提出了空间逻辑算法电路的构建方法，并以四输入开平方电路为 例进行了详细阐述。由于DNA分子电路设计的复杂性和其未来应用前景的重要性，基于已有 的DNA分子电路设计原理设计新的DNA分子电路仍然具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0005] 本发明目的在于提供一种基于DNA链自组装原理的基于局域性DNA发卡链置换反 应的异或门及利用该异或门所构建的求反电路，从而丰富现有的DNA分子电路。
[0006] 本发明所采取的详细技术方案如下所述。
[0007] -种基于局域性DNA发卡链置换反应的异或门，采用双轨逻辑构建而成，包括单链 DNA输入、燃料发卡和固定于折纸基质上的DNA发卡； 所述单链DNA输入有四种:<s a〇>、〈s b〇>、〈s c〇>、〈s d〇>; 所述DNA燃料发卡有两种:<y~*>[s*] {x~>、〈z~*>[s*] {F~>; 所述固定于折纸基质上的DNA发卡有七种：{tetherO atT*}[s]{y~>、{tether〇 x~*} [s]{blank~>、{tether〇 b(T*}[s]{y~>、{tethe;r() x~*}[s]{z~>、{tether〇 ctT*}[s]{y~ >、{tetherO dtT*} [s] {y~>、{tetherO F~*} [s] {i~>，其中tetherO表示发卡被束缚； 所述折纸基质，具体例如为：利用DNA短链与长链的特异性结合自组装而成的50 X 100nm尺寸左右的成矩形的单层DNA; 所述单链DNA输入和燃料发卡在空间上均是自由扩散的，而固定在折纸基质上的DNA发 卡在空间上则是被束缚的，只能与相邻的DNA链(即单链DNA)反应。
[0008] 在数字电路中，逻辑运算只采用两种状态，sr〇"和"r;对于数字电路的异或门而 言，当两输入的逻辑值不同时，输出的逻辑值为"1"，当两输入的逻辑值相同时，输出的逻辑 值为"〇"，例如:两输入的逻辑值为 XQ=0、X1=0,此时输出的逻辑值为，y=〇;采用双轨逻辑来构 建异或门时，原输入XQ由xt/ 3和XQ1替代，原输入XI由XI*3和XI1替代，而输出值y 1仍与原输出值y 相当；对于双轨逻辑而言，当以的逻辑值为"1"时，Xl的逻辑值为"0"，x/的逻辑值为"1"时， 的逻辑值也为T ;而当Xl°的逻辑值为"0"时，Xl的逻辑值为T，x/的逻辑值为"0"时，Xl 的逻辑值也为"〇"；因而，当且仅当xqWPx/的逻辑值相同时，双轨逻辑异或门的输出y1的逻 辑值为"1"，这也意味着输出y的逻辑值为"1"，反之，y 1的逻辑值为"〇"，这也意味着y的逻辑 值为"〇"； 为便于理解和描述，对应于数字电子电路中的逻辑值，规定： 〈s &〇〉- xi，〈s bo〉- xo，〈s co〉- xi，〈s do〉- xo 〇
[0009] 利用所述基于局域性DNA发卡链置换反应异或门所构建的求反电路，属于一种三 位二进制输入求反电路，由两个并列的异或门构成;在该电路中： 输入X3代表输入二进制数的符号位，它只有"〇"和"1"两种逻辑状态，且"〇"代表输入二 进制数为正，"1"代表输入二进制数为负;输入X4和X5分别代表二进制输入数值的高位和低 位，也同样只有"0"和"1"两种逻辑状态;输出ydPy 2分别代表二进制输出数值的高位和低 位，也同样只有"0"和"1"两种逻辑状态； 该求反电路的真值表如下所示：
[0010]从该求反电路的真值表中可以看出，当输入二进制数的符号位X3的逻辑值为"〇" 时，输出二进制数与输入二进制数相同；而当输入二进制数的符号位X3的逻辑值为"1"时， 输出二进制数的符号位y〇与输入二进制数的符号位X3相同，输出二进制数的高位7:和低位 y2与输入二进制数的高位X4和低位X5分别相反。
[0011]本发明基于DNA自组装和DNA链置换的技术原理，采用双轨逻辑提供了一种基于局 域性DNA发卡链置换反应的异或门，在该异或门中，由于DNA组件在DNA折纸中是被精确束 缚、固定在特定位置的，因而使得错误的链置换反应发生的概率降低，从而提高了DNA链置 换反应的精确度；同时，由于临近的DNA组件在DNA折纸基质中具有较高浓度，因而可使得 DNA链置换反应速度加快，提高DNA链置换反应的效率。利用该基于局域性DNA发卡链置换反 应的异或门所构建的局域性DNA求反电路，由于包含两个并列的异或门，因而可实现并行计 算，互不干扰;对该求反电路的Visual DSD的仿真结果表明，该求反电路构建合理，同时该 求反电路具有良好的性能，在构建大型复杂分子系统中具有构建速度快、精确度高和拓展 性强等优势；同时，由于该求反电路中的部分DNA组件在空间上是相互隔离的，因而使得DNA 序列在一定程度上可以重复利用，从而为大型复杂分子系统的构建提供便利。
【附图说明】
[0012] 图1为现有技术的数字电路中的异或门及基于双轨逻辑的异或门；其中(a)为数字 电路中的异或门及其对应的真值表，（b)为由基本逻辑门所构建的异或门，（c)为基于双轨 逻辑所构建的异或门； 图2为基于局域性DNA发卡链置换反应设计的异或门示意图； 图3为基于局域性DNA发卡链置换反应异或门所构建的求反电路，其中（a)为求反电路 及其对应的真值表，（b)为设计的求反电路示意图； 图4为对所构建的异或门的仿真模拟结果； 图5为对所构建的求反电路输入为000-011时的仿真模拟结果； 图6为对所构建的求反电路输入为100-111时的仿真模拟结果。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合实施例对本发明做进一步的解释说明。
[0014] 实施例1 如图2所示，本发明所提供的基于局域性DNA发卡链置换反应的异或门，采用双轨逻辑 构建而成，包括单链DNA输入、燃料发卡和固定于折纸基质的DNA发卡； 所述单链DNA输入有四个:<s ao>、〈s bo>、〈s co>、〈s do>; 所述DNA燃料发卡有两种：〈}^*>[8*]{1~>(即图中？(7，1))、〈2~*>[8*]作~>(即图中？ (z，F); 所述固定于折纸基质上的DNA发卡有七种：{tether〇 atT*}[s]{y~>(即图中H(ao，y)、 {tether() x~*} [s] {blank~>(即图中H(x，_)、{tether() btT*}[s]{y~>(即图中H(bo，y)、 {tether () x~*}[s]{z~>(即图中 H(x，z)、{tether () ctT*}[s]{y~>(即图中 H(co，y)、 {tether () dtT*}[s]{y~>(即图中H( do, y)、{tether () F~*}[s]{i~>(即图中H(F，i)，其中 tether()表示发卡被束缚； 所述折纸基质，具体为:利用DNA短链与长链的特异性结合自组装而成的50X100nm尺 寸左右的成矩形的单层DNA; 所述单链DNA输入和燃料发卡在空间上均是自由扩散的，而固定在折纸基质上的DNA发 卡在空间上则是被束缚的，只能与相邻的DNA链(即单链DNA)反应。
[0015] 需要解释的是，上述异或门中所涉及的DNA链并非唯一的，但作为研究基础，本发 明中所采用的具体的相关DNA链序列如下： 单链DNA输入：
<s ao>，如SEQ ID N0.1 所示，即： 〈sb〇>JnSEQIDN0.2K*JP: <s c〇>，如SEQ ID NO.3所示，即： <s do〉，如SEQ ID NO.4所示，即： DNA燃料发卡：<y~*>[s*]{x~>，如SEQ ID N0.5所示，<z~*>[s*]{F~>，如SEQ ID N0.6 所示， 固定于折纸基质上的DNA发卡：{tether〇atT*}[s]{y~>，如SEQ ID N0.7所示；{tether ()x~*}[s]{blank~>，如SEQ ID N0.8所示；{tether〇b(T*}[s]{y~>，如SEQ ID N0.9所示； {tether〇x~*}[s]{z~>，如SEQ ID N0.10所不；{tether()C(T*}[s]{y~>，如SEQ ID NO.ll 所示；{tether()d(T*}[s]{y~>，如SEQ ID N0.12所示；{tether〇F~*}[s]{i~>，如SEQ ID NO. 13所示； 折纸基质上DNA长链，如SEQ ID NO. 14所示，共包括7249个碱基； 折纸基质上DNA短链，共包括226条，具体如下：
的异或门而言，当两输入的逻辑值不同时，输出的逻辑值为"1"，当两输入的逻辑值相同时， 输出的逻辑值为"〇"，例如:两输入的逻辑值为，XQ=0、X1=0，此时输出的逻辑值为，y=〇; 采用双轨逻辑来构建异或门时，原输入XQ由XQ*3和XQ1替代，原输入XI由XI*3和XI 1替代，而 输出值y1仍与原输出值y相当；对于双轨逻辑而言，当X，的逻辑值为"1"时，Xl的逻辑值为 "O'Xi 1的逻辑值为"1"时，Xl的逻辑值也为"1"；而当的逻辑值为"〇"时，Xl的逻辑值为 "1"，x/的逻辑值为"0"时， Xl的逻辑值也为"0"。因而，当且仅当xo^Pn1的逻辑值相同时， 双轨逻辑异或门的输出y 1的逻辑值为"1"，这也意味着输出y的逻辑值为"1"，反之，y1的逻辑 值为"0"，这也意味着y的逻辑值为"0" ； 为便于理解和描述，对应于数字电子电路中的逻辑值，规定： 〈s &〇〉- xi，〈s bo〉- xo，〈s co〉- xi，〈s do〉- xo 〇 [0017]在该异或门反应过程中，当输入1和输入2均存在时(输入li,、输入2ZX01)，整个 反应过程可分为3个部分： (1) 输入DNA单链<s ao>首先与H(ao，y)发卡发生链置换反应，使得H(ao，y)发卡被打开， 其上的小支点y被激活;接着，被打开的H(ao， y)发卡与燃料发卡F(y，x)发生链置换反应，使 得F(y，x)发卡被打开，其上的小支点x被激活;最后，由于被打开的F(y，x)发卡距离阈值发 卡H(x，_)的距离相对其距离输出发卡H(x，z)的距离更近，被打开的F(y，x)发卡与阈值发卡 H( x，_)发生链置换反应，使得H( x，_)发卡被打开； (2) 输入DNA单链<s bo>首先与H(bo，y)发卡发生链置换反应，使得H(bo，y)发卡被打开， 其上的小支点y被激活;接着，被打开的H(bo， y)发卡与燃料发卡F(y，x)发生链置换反应，使 得F(y，x)发卡被打开，其上的小支点x被激活;最后，由于与被打开的F(y，x)发卡距离更近 的阈值发卡H(x，_)已发生过链置换反应，被打开的F(y，x)发卡只能与发卡H(x，z)发生链置 换反应，使得H( x，z )发卡被打开，其上的小支点z被激活； (3) 被打开的H(x，z)发卡与燃料发卡F(z，F)发生连置换反应，使得燃料发卡F(z，F)上 的小支点F被激活，进而与输出发卡H(F，i )发生链置换反应，使得H(F，i )发卡被打开，其上 的小支点i被激活；当H(F，i )发卡被打开后，其上的小支点i就可以与其他的DNA链继续发生 反应。
[0018]规定:H(F，i)发卡被打开表示DNA发卡异或门的输出y1的逻辑值为"1"，那么y的逻 辑值为"1"。
[0019] 分析表明：当输入DNA单链<s ao>和DNA单链<s bo>或者DNA单链<s co>和DNA单链〈 s dQ>存在时，输出H(F，i)发卡才能被打开，其上的小支点i才能被激活；当输入DNA单链〈S ao>和DNA单链<s bo>不同时存在，且DNA单链<s co>和DNA单链<s do>也不同时存在时，输出 H(F，i)发卡不参与反应。
[0020] 规定:输入单链存在表示其相应输入逻辑值为"1"，反之为"0" ；输出发卡被打开表 示相应输出逻辑值为"1"，反之为"〇"。那么，对于该DNA发卡异或门， 当代表xoiPxi1的输入单链<s bo>和<s co>存在，即两输入的逻辑值均为"1"时，对应输 出逻辑值为"〇" ；当代表xo1和x,的输入单链<s bo>和<s ao>存在，或者代表xt/3和x/的输入 单链<s do>和<s co>存在，即两输入的逻辑值有且只有一个为"1"时，对应输出逻辑值为 "1" ；当代表xo13和x/3的输入单链<s do>和<s ao>存在，即两输入的逻辑值均为"0"时，对应输 出逻辑值为"〇"。
[0021 ] Visual DSD(DNA Strand Displacement)是一种专门针对DNA链置换反应的仿真 软件，支持DNA电路生化反应网络的程序编辑及快速建模，还可实现反应过程的仿真测试， 能依据仿真结果完成对DNA电路正确性的评估以及对DNA链动力学特性的分析研究。该软件 可自动给出不同DNA链间所有可能的反应关系，省去了人工构建反应网络的困难。使用者还 可以随意选择编译进程中不同难易程度的视图等级，可在低层次的繁琐视图和高层次的简 单视图间进行切换。随后，仿真测试结果能够可视化观察和分析。
[0022] 对于该异或门而言，其输入共有四种组合方式：（XQQ、X1Q)，（xo'x/)，（xo 1、。）， (xo1、x/ )，即对应于数字电路中的"(00 )、（ 01)、（ 10)、（ 11)"四种组合，对这四种输入组合方 式的Visual DSD仿真结果如图4中（aMd)所示，分别对应四个输入(00)、（01)、（10)、（11)。
[0023] 在图4中，横轴代表反应时间，纵轴代表反应物浓度。每个仿真结果中，共有三条曲 线(其中两条重合），分别代表两输入DNA链(模拟仿真时两输入DNA链设置浓度相同，因而重 合)和输出DNA链。
[0024]规定：当报告链（即输入DNA链）的浓度在0-0.2之间时，其相应的逻辑值为"0" ；当 报告链的浓度在0.8-1之间时，其相应的逻辑值为T。例如:在图4(a)中，输入1和输入4代 表异或门初始输入xo X1的逻辑值为' 00 '，输出链的浓度在0.8-1之间，这意味着输出y的逻 辑值为'〇'。异或门的其他三种仿真结果图的分析方法与此相同，因此不再赘述。
[0025] 实施例2 如图3所示，利用实施例1所述基于局域性DNA发卡链置换反应异或门所构建的求反电 路，属于一种三位二进制输入求反电路，由两个并列的异或门构成； 在该电路中：输入X3代表输入二进制数的符号位，它只有"〇"和"1"两种逻辑状态，且 "〇"代表输入二进制数为正，"1"代表输入二进制数为负;输入X4和x5分别代表二进制输入数 值的高位和低位，也同样只有"〇"和"1"两种逻辑状态;输出y#Py 2分别代表二进制输出数值 的高位和低位，也同样只有"〇"和"1"两种逻辑状态； 该求反电路的真值表如下所示：
[0026]从该求反电路的真值表中可以看出，当输入二进制数的符号位X3的逻辑值为"0" 时，输出二进制数与输入二进制数相同；而当输入二进制数的符号位X3的逻辑值为"1"时， 输出二进制数的符号位y〇与输入二进制数的符号位 X3相同，输出二进制数的高位7:和低位 y2与输入二进制数的高位X4和低位X5分别相反。
[0027]在该求反电路中，最初的X3由信号输入l〈s ao>和输入3〈s CQ>代替，X4由输入2〈s bo>和输入4〈s do>代替，x5由输入5〈s eo>和输入6〈s fo>代替。
[0028]为便于理解和描述，对应于数字电子电路中的逻辑值，规定： 〈S &0〉- X3，〈S b〇〉- X4，〈S CO〉- X3，〈S d〇〉- X4，〈s eo〉- X5，〈S f〇〉- X5 〇
[0029] 对于该双轨分子求反电路，输入组合只可能为（1、2、5)、（1、2、6)、（1、4、5)、（1、4、 6)、（3、2、5)、（3、2、6)、（3、4、5)和(3、4、6)其中的一种。例如：当双轨分子求反电路输入组合 为（1、2、5)时，它表示X3 X4 x5的逻辑值为"011"。规定：当该分子电路的输出发卡H(F，i )发 卡被打开表不输出yi的逻辑值为"1"，反之为"〇" ；输出发卡H(E，t)发卡被打开表不输出y2的 逻辑值为"1"，反之为"0"。
[0030]对该求反电路的八种输入组合方式的Visual DSD仿真结果如图5和图6所不，分别 对应于数字电路中的 "(〇〇〇)、（001)、（010)、（011)、（100)、（101)、（110)、（111)、"八个输入。 [0031]在图5和图6中，横轴代表反应时间，纵轴代表反应物浓度。每个仿真结果中，共有 五条曲线，分别代表输入DNA链和输出DNA链。
[0032]规定：当报告链（即输入DNA链）的浓度在0-0.2之间时，其相应的逻辑值为"0" ；当 报告链的浓度在〇. 8-1之间时，其相应的逻辑值为" 1"。例如:在图5 (d)中，三条输入曲线代 表求反电路初始输入XQ XI X2的逻辑值为'011'。随着反应时间的增加，X41和X51曲线代表的 DNA链浓度逐渐下降至0,同时，niPys1橙色和紫色曲线以不同的速率常数逐渐上升至其代 表的DNA链浓度范围稳定在0.8-1之间，这意味着输出 71和72的逻辑值为'1'。仿真图5(d)表 明，该局域性求反电路的输入为'011'时，输出结果为'011'。三位二进制求反电路的其他七 种仿真结果图的分析方法与此相同，因此不再赘述。
【主权项】
1. 一种基于局域性DNA发卡链置换反应的异或门，其特征在于，该异或门采用双轨逻辑 构建而成，包括单链DNA输入、燃料发卡和固定于折纸基质上的DNA发卡； 所述单链DNA输入有四种:<s ao>、〈s bo>、〈s co>、〈s do>; 所述DNA燃料发卡有两种:<y~*>[s*] {x~>、〈z~*>[s*] {F~>; 所述固定于折纸基质上的DNA发卡有七种：{tetherO atT*}[s]{y~>、{tether〇 x~*} [s]{blank~>、{tether〇 b(T*}[s]{y~>、{tethe;r() x~*}[s]{z~>、{tether〇 ctT*}[s]{y~ >、{tetherO dtT*} [s] {y~>、{tetherO F~*} [s] {i~>，其中tetherO表示发卡被束缚； 所述折纸基质，具体为利用DNA短链与长链的特异性结合自组装而成的单层DNA; 所述单链DNA输入和燃料发卡在空间上均是自由扩散的，而固定在折纸基质上的DNA发 卡在空间上则是被束缚的，只能与相邻的DNA链反应。2. 如权利要求1所述基于局域性DNA发卡链置换反应的异或门，其特征在于，具体DNA链 如下所述： 单链DNA输入：折纸基质上DNA长链，共包括7249个碱基，如SEQ ID NO. 14所示。3. 利用权利要求1或2所述基于局域性DNA发卡链置换反应异或门所构建的求反电路， 其特征在于，该求反电路属于一种三位二进制输入求反电路，由两个并列的异或门构成； 在该电路中，设定如下： 输入X3代表输入二进制数的符号位，它只有"〇"和"Γ两种逻辑状态，且"〇"代表输入二 进制数为正，"Γ代表输入二进制数为负； 输入X4和X5分别代表二进制输入数值的高位和低位，也同样只有"0"和"Γ两种逻辑状 态； 输出y#Py2分别代表二进制输出数值的高位和低位，也同样只有"〇"和T两种逻辑状 态； 该求反电路的真值表如下所示：
【文档编号】G06F17/50GK105930586SQ201610250382
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】王延峰, 刘海燕, 黄春, 张勋才, 孙军伟, 王子成, 姜素霞, 殷婧, 崔光照, 张雯雯
【申请人】郑州轻工业学院