基于DNA纳米三脚架调控荧光分子与氧化石墨烯相作用的分子逻辑运算体系及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于DNA纳米三脚架调控荧光分子与氧化石墨烯相作用的分子逻辑运算体系及其构建方法。组装的DNA纳米三脚架中，一条中心链通过三条边链部分杂交形成中心三角形，三条边链的剩余部分延伸形成单链DNA腿作为信号接收链，中心链负载荧光基团ROX。信号接收链在未与信号输入链杂交时吸附于氧化石墨烯表面，信号接收链在与信号输入链杂交变成双链后从氧化石墨烯表面解吸附。本发明专利技术通过组合输入不同信号输入链调节DNA纳米三脚架与氧化石墨烯的亲和性，从而调控负载的荧光基团ROX与氧化石墨烯相互作用，产生不同荧光信号，实现分子逻辑运算体系构建，建立模型成功筛选了10以内自然数中合数，即：将多个目标物按照其属性从复杂体系中筛选出来。

【技术实现步骤摘要】
基于DNA纳米三脚架调控荧光分子与氧化石墨烯相作用的分子逻辑运算体系及方法
本专利技术属于分子计算机
，具体涉及一种基于DNA纳米三脚架调控荧光分子与氧化石墨烯相作用的分子逻辑运算体系及其构建方法。
技术介绍
在现代电子计算机中，电子逻辑门是集成电路的基本组件。分子逻辑门与电子逻辑门具有相似性，通过合适的设计，布尔逻辑运算规则同样可应用于分子反应体系，实现输入信号到输出信号的转换。分子逻辑门可将化学、生物以及物理的输入刺激转变成一定的输出信号，因此，分子逻辑门是构建分子计算机的基础。构建分子逻辑运算体系，利用化学或者生化反应模拟电子电路系统进行逻辑运算，在分子水平上实现信息处理，是计算机科学、化学以及生物学相结合而发展起来的新兴研究领域。在当前技术水平，利用分子逻辑运算体系构建纳米尺度的智能分子器件，在化学、生物传感，生命科学研究以及医学诊断、治疗等领域具有很大的应用前景。近些年来，人们利用DNA纳米技术开发出了大量结构可控、位置可寻址的DNA自组装纳米结构。DNA与天然或合成分子的相互作用可控、可设计，因此，纳米结构在三维排布功能基团，作为模具铸造具有任意指定三维结构的无机纳米材料，封装和释放药物、蛋白质和纳米材料，以及对封装的客体分子赋予新的性质等方面都展现出极大的潜能。最近，一些研究报道结构紧凑的自组装DNA纳米结构易于被细胞摄取，而且，相比于简单的DNA单链和双链，DNA纳米结构在生物体系中更稳定，例如，具有一定的抗酶解能力。这些独特性质为使用DNA纳米结构作为载体，将多种功能元件按照一定比例载入细胞，并在胞内协同执行它们的功能提供了基础。因此，把DNA纳米结构引入DNA逻辑电路将会为设计在体内能分析多种量测信号并做出适当响应的智能体系提供一般性的平台，例如DNA纳米载体，能按照需要以一种刺激响应型的方式执行靶向输送任务并智能控制装载物的释放。因此，将DNA纳米结构用于分子逻辑电路的构建引起了广泛研究兴趣。现有的DNA逻辑门体系，大多数是基于简单的DNA纳米结构，如DNA双链、发夹结构、DNA交叉结构等构建的。这样的设计方法简单易行，但功能元件缺乏通用性，只能完成简单的逻辑运算，且使得逻辑器件结构分散，电路冗杂，增加了构建逻辑门的成本。采用集成设计策略，利用自组装DNA纳米结构可将多个功能元件组装于一体，可增强其信息处理能力，极大地简化分子逻辑运算体系的设计和运行。
技术实现思路
本专利技术的目的是，利用DNA纳米技术将多个DNA探针组装集成，并结合氧化石墨烯构建一个多功能的平台用于分子逻辑运算体系的构建。为解决其技术问题，本专利技术采用的技术方案是利用DNA纳米技术将三个DNA探针组装集成在一个DNA纳米三脚架(DNAnanotripod)中，联合调节三个DNA探针与氧化石墨烯的亲和性，从而调控其负载的荧光基团ROX与氧化石墨烯的相互作用，如图1所示，实现分子逻辑运算体系的构建。具体包括：一、一种基于DNA纳米三脚架调控荧光分子与氧化石墨烯相作用的分子逻辑运算体系：包括氧化石墨烯、DNA纳米三脚架(DNAnanotripod)和多个单链DNA序列，DNA纳米三脚架包括一条中心链与三条边链，一条中心链通过三条边链其中的一部分杂交形成中心三角形，三条边链的剩余部分分别从中心三角形三个顶点延伸出来形成单链DNA腿，利用DNA末端修饰使中心链负载荧光基团ROX，以纳米三脚架的单链DNA腿作为信号接收链，识别多个作为信号输入链的单链DNA序列，多个单链DNA序列作为信号输入链分别与三个信号接收链互补杂交；信号接收链在未与信号输入链杂交时吸附于氧化石墨烯表面，信号接收链在与信号输入链杂交变成双链后从氧化石墨烯表面解吸附。本专利技术通过将不同序列的单链DNA作为信号输入链进行组合输入，以DNA纳米三脚架作为支架，调控DNA纳米三脚架和氧化石墨烯的相互作用，进而在纳米尺度上调控DNA纳米三脚架负载的荧光基团ROX与氧化石墨烯的相互作用，构建分子逻辑运算体系。所述的中心链、单链DNA腿和信号输入链均为单链DNA。三个单链DNA腿和中心链之间、单链DNA腿和信号输入链之间均通过碱基互补配对杂交结合。所述的中心链的5′端连接有荧光基团ROX。所述的DNA纳米三脚架的中心链的碱基序列为SEQIDNO.1，三个信号接收链的碱基序列分别为SEQIDNO.2、SEQIDNO.3、SEQIDNO.4，所述的DNA纳米三脚架组装结构如下：具体实施中多个信号输入链的碱基序列分别为SEQIDNO.5、SEQIDNO.6、SEQIDNO.7；通过设定多个信号输入链I1、I2、I3的不同组合输入，根据归一化荧光值和阈值判断组建majority逻辑门。所述多个信号输入链中的I1、I2两个进行改造，在其两端均延长，即分别在5′端和3′端增加了10和14个碱基，形成两条改造的信号输入链(分别记为XORI1和XORI2)，多个信号输入链中的另一个不变；使得所述的多个信号输入链为两条改造信号输入链XORI1、XORI2，碱基序列分别为SEQIDNO.8、SEQIDNO.9；通过预先输入I3，然后设定两个改造信号输入链XORI1、XORI2的不同组合输入并利用I3，根据归一化荧光值和阈值判断组建两输入XOR逻辑门。所述的多个信号输入链为信号输入链I1、信号输入链I3、改造信号输入链XORI1和改造信号输入链XORI2，碱基序列分别为SEQIDNO.5、SEQIDNO.7、SEQIDNO.8、SEQIDNO.9；通过设定信号输入链I1、信号输入链I3、改造信号输入链XORI1和改造信号输入链XORI2的不同组合输入，根据归一化荧光值和阈值判断组建逻辑运算体系筛选10以内自然数中的合数。所述的DNA纳米三脚架在复杂生物基质中具有一定的抗干扰能力，基于此，在含有10万细胞/毫升HeLa细胞裂解液的反应体系中执行majority逻辑门运算。所述的分子逻辑门的运行在100μL反应体系中进行，DNA纳米三脚架使用终浓度为40nM，氧化石墨烯使用终浓度为20.0ug/mL，信号输入链使用终浓度为200nM。二、一种基于DNA纳米三脚架调控荧光小分子与氧化石墨烯的相互作用构建分子逻辑运算体系的方法：先利用DNA末端修饰在中心链C的5′末端接上荧光基团ROX形成修饰中心链C-5′-ROX，再利用DNA纳米技术组装一个DNA纳米三脚架(DNAnanotripod)；以纳米三脚架的单链DNA腿作为信号接收链，识别多个作为信号输入链的单链DNA序列，多个单链DNA序列作为信号输入链分别与三个信号接收链互补杂交；当DNA纳米三脚架的信号接收链未接收到信号输入链时，即未与信号输入链杂交时为单链时为单链，会吸附于氧化石墨烯表面；当DNA纳米三脚架的信号接收链连接与信号输入链杂交后，即接收到信号输入链并形成双链，从氧化石墨烯表面解吸附；通过单个信号输入链的是否加入控制DNA纳米三脚架上所对应的单个信号接收链和氧化石墨烯表面吸附或者解吸附；当不同信号输入链以不同组合输入时，使DNA纳米三脚架的三个信号接收链在氧化石墨烯的表面的状态不同，从而调控DNA纳米三脚架上所负载的荧光基团ROX与氧化石墨烯的相互作用不同，产生不同的荧光信号，实现了多种分子逻辑门构建。所述的DNA纳米三脚架本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于DNA纳米三脚架调控荧光分子与氧化石墨烯相作用的分子逻辑运算体系，其特征在于：包括氧化石墨烯、DNA纳米三脚架(DNA nanotripod)和多个单链DNA序列，DNA纳米三脚架包括一条中心链与三条边链，一条中心链通过三条边链其中的一部分杂交形成中心三角形，三条边链的剩余部分分别从中心三角形三个顶点延伸出来形成单链DNA腿，利用DNA末端修饰使中心链负载荧光基团ROX，以纳米三脚架的单链DNA腿作为信号接收链，多个单链DNA序列作为信号输入链分别与三个信号接收链互补杂交；信号接收链在未与信号输入链杂交时吸附于氧化石墨烯表面，信号接收链在与信号输入链杂交变成双链后从氧化石墨烯表面解吸附。

【技术特征摘要】
1.一种基于DNA纳米三脚架调控荧光分子与氧化石墨烯相作用的分子逻辑运算体系，其特征在于：包括氧化石墨烯、DNA纳米三脚架(DNAnanotripod)和多个单链DNA序列，DNA纳米三脚架包括一条中心链与三条边链，一条中心链通过三条边链其中的一部分杂交形成中心三角形，三条边链的剩余部分分别从中心三角形三个顶点延伸出来形成单链DNA腿，利用DNA末端修饰使中心链负载荧光基团ROX，以纳米三脚架的单链DNA腿作为信号接收链，多个单链DNA序列作为信号输入链分别与三个信号接收链互补杂交；信号接收链在未与信号输入链杂交时吸附于氧化石墨烯表面，信号接收链在与信号输入链杂交变成双链后从氧化石墨烯表面解吸附。2.根据权利要求1所述的一种基于DNA纳米三脚架调控荧光分子与氧化石墨烯相作用的分子逻辑运算体系，其特征在于：所述的DNA纳米三脚架的中心链的碱基序列为SEQIDNO.1，三个信号接收链的碱基序列分别为SEQIDNO.2、SEQIDNO.3、SEQIDNO.4。3.根据权利要求2所述的一种基于DNA纳米三脚架调控荧光分子与氧化石墨烯相作用的分子逻辑运算体系，其特征在于：所述的DNA纳米三脚架组装结构如下：4.根据权利要求1所述的一种基于DNA纳米三脚架调控荧光分子与氧化石墨烯相作用的分子逻辑运算体系，其特征在于：所述的多个信号输入链为两条改造信号输入链XORI1、XORI2，碱基序列分别为SEQIDNO.8、SEQIDNO.9；通过设定两个改造信号输入链XORI1、XORI2的不同组合输入并利用I3，组建两输入XOR逻辑门。5.根据权利要求1所述的一种基于DNA纳米三脚架调控荧光分子与氧化石墨烯相作用的分子逻辑运算体系，其特征在于：所述的多个信号输入链为信号输入链I1、信号输入链I3、改造信号输入链XORI1和改造信号输入链XORI2，碱基序列分别为SEQIDNO.5、SEQIDNO.7、SEQIDNO.8、SEQIDNO.9；通过设定信号输入链I1、信号输入链I3、改造信号输入链XORI1和改造信号输入链XORI2的不同组合输入，组建逻辑运算体系筛选10以内自然数中的合数。6.根据权利要求1所述的一种基于DNA纳米三脚架调控荧光分子与氧化石墨烯相作用的分子逻辑运算体系，其特征在于：所述的分子逻辑门的运行在100μL反应体系中进行，DNA纳米三脚架使用终浓度为40nM，氧化石墨烯使用终浓度为20.0ug/mL，信号输入链使用终浓度为200nM。7.一种基于DNA纳米三脚架调控荧光小分子与氧化石墨烯的相互作用构建分子逻辑门的方法，其特征在于：先利用DNA末端修饰在中心链C的5′末端接上荧光基团ROX形成修饰中心链C-5′-ROX，再组装一个DNA纳米三脚架(DNAnanotripod)；以纳米三脚架的单链DNA腿作为信号接收链，识别多个作为信号输入链的单链DNA序列；当DNA纳米三脚架的信号接收链未接收到信号输入链时，即未与信号输入链杂交时为单链时为单链，会吸附于氧化石墨烯表面；当DNA纳米三脚架的信号接收链连接与信号输入链杂交后，即接收到信号输入链并形成双链，从氧化石墨烯表面解吸附；通过单个信号输入链的是否加入控制DNA纳米三脚架...

【专利技术属性】
技术研发人员：何开雨，徐霞红，王柳，何红梅，吴珉，王强，
申请(专利权)人：浙江省农业科学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33