一种基于DNA双螺旋结构的光激性逻辑电路的设计方法技术

本发明专利技术属于DNA纳米技术领域，涉及一种基于DNA双螺旋结构的光激性逻辑电路的设计方法。运用局部的光学信号传递来实现生物逻辑功能是DNA分子逻辑电路的热门应用，本发明专利技术首先利用DNA双螺旋结构作为支架平台，设计了一种利用两层的DNA链置换反应来编码荧光分子的位置信息，相比于单层的DNA链置换编码方式，在使用相同个数的荧光分子条件下，其输入信号是单层链置换编码方式的两倍，同时借助荧光共振能量转移技术，实现了多通道输入、多功能的光激性逻辑电路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于DNA纳米
，涉及一种基于DNA双螺旋结构的光激性逻辑电路的设计方法。
技术介绍
生物系统利用分子间的动态相互作用来管理它们的复杂行为过程，那么对观察和操纵这些分子间的反应技术的发展就显得至关重要，这种技术能够推动在生物体内智能成像和智能疗法。为了实现这些技术方法，分子逻辑电路便是一个有用的工具，它能够在分子层面上，控制分子反应的过程。在常规的设计中，为了实现大规模复杂逻辑电路，往往是通过逻辑门的级联来实现的。由于这种电路是依靠DNA分子在溶液环境下通过扩散一步步反应的，通常需要花费更长的运算时间，相比之下，在生物体的控制系统里面，特定分子复合物上的局部信号可以用于提供快速反应过程和完成复杂的分子系统控制。这种运用局部信号的策略增加了分子逻辑电路的运算速度。荧光共振能量转移技术就是一种局部信号传递技术，它可以实现相距很近的两个荧光分子之间产生的一种能量转移现象。通常两个荧光分子的距离在10纳米的范围以内，当作为供体的荧光分子发射的光谱与受体荧光分子的吸收光谱有重叠部分时，就会发生一种非放射性的能量转移，使得供体荧光猝灭，而受体发射的荧光却大大增强，从而实现能量转移。荧光分子的间距越短，能量传递的效率越高。利用DNA分子反应的可预测性和可编程性，将荧光分子修饰在输入DNA分子单链上，通过单层的DNA链置换反应，就能对荧光基团在DNA双螺旋上的位置实现精确控制。同时借助荧光共振能量转移技术，实现了基于DNA双螺旋结构的分子光激性逻辑电路的设计方法。Visual DSD软件是一种快速仿真、分析由DNA链置换反应构成的分子逻辑电路的有力工具。该软件支持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。该软件可以自动给出不同DNA链之间所有可能的反应关系，在实验前，通过软件进行有效的系统分析，及时更正设计上的不足，可以提高实验的成功率，不必要的歪路和费用支出。在软件的程序编码区，可设定参加反应的DNA链的种类、默认的反应速率以及仿真图中曲线的规模尺寸等参数。在软件中可以对DNA种类、门极、DNA片段以及模块等进行有效定义，然而并不能仿真发卡结构类型和基于DNA分子瓦类型的链置换反应。而在新版的扩展
DSD软件里，这些问题得到解决，新的语法使我们很容易定义发卡结构、DNA分子瓦和栓系型DNA链。新的语法和反应规则让编码在分子瓦片上的DNA链置换反应成为可能。扩展DSD软件可以方便地用于对大型复杂的构建在分子瓦片上的逻辑电路进行模拟和分析。强大的仿真能力，更加方便设计人员的仿真分析。本软件的下载网址为：http://dsd.azurewebsites.net/beta/。在常规的分子光激性电路设计中，输入信号的编码通过单层的DNA链置换反应，每一条DNA输入链典型地控制一个荧光分子的位置，如图1所示，构建基于DNA双螺旋结构的逻辑电路一般需要两个步骤，分别是输入信号的编码和光激性信号的传递。具体的，当向溶液中添加输入链A1，随着小支点a1的互补配对，燃料链f1的发卡结构被打开，导致隐藏的小支点y1暴露出来，得到功能复合物c1。y1小支点域又和DNA双螺旋结构上裸露的小支点域y1*碱基互补配对，从而导致链置换反应的发生。同时置换出输出链w1，使得荧光分子顺利地绑定到由<y1*s1*>构成的识别位点1上。通过单层DNA链置换编码，成功地实现了对荧光分子Cy3位置的控制，当然，DNA双螺旋结构是由很多的识别位点组合构成的，如图1(a)。利用相同的编码原理，当向溶液中添加输入链A2时，Cy3.5荧光分子成功地与识别位点2结合。如果在n个输入链的作用下，n个荧光分子在DNA双螺旋上的位置都可以精确地控制。其中，把Cy3染料作为供体，在特定波长激光的激发下，通过(n-1)步的能量传递，最终将能量传给受体，这些荧光分子共同组成一条荧光分子能量转移路径。但是受到荧光能量传递效率和荧光分子种类的影响，荧光能量传递的步数也受到了限制。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于DNA双螺旋结构的光激性逻辑电路的设计方法及其监测方法，借助荧光共振能量转移技术，实现了多通道输入、多功能的光激性逻辑电路。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于DNA双螺旋结构的光激性逻辑电路的设计方法，所述光激性逻辑电路设计的具体步骤如下：(1)基于DNA双螺旋结构的光激性电路设计原理，设计反应中需要的输入链、燃料DNA链和DNA双螺旋结构；(2)输入信号的编码：向溶液中添加输入链I1和输入链I2，经过逻辑门g1，在小支点t的作用下，输入链I1首先和门复合物反应，产生初步反应后的门复合物，输入链I2和初步反应后的门复合物进行不可逆的链置换反应，使得反应朝着正方向进行，置换出中间链A1；(3)光激性信号的传递：步骤(2)中置换产生的中间链A1，在中间链A1的小支点a1
的作用下，燃料链f1的发卡结构被打开，导致隐藏的小支点y1暴露出来，得到功能复合物c1；小支点y1的小支点域又和DNA双螺旋结构上裸露的小支点域y1*碱基互补配对，从而导致链置换反应的发生；同时置换出输出链w1，荧光分子Cy3成功地与识别位点Ⅰ结合，同样的策略，输入链I3和输入链I4在逻辑门g2和燃料链f2的作用下，置换出输出链w2；并成功地与识别位点Ⅱ结合；(4)荧光能量通路：在n个输入链的作用下，n个荧光分子在DNA双螺旋上的位置都可以精确地控制；把荧光分子Cy3作为供体，在特定波长激光的激发下，通过n-1步的能量传递，最终将能量传给受体，这些荧光分子共同组成一条荧光分子能量转移路径。所述燃料链上设有荧光分子，DNA双螺旋结构上设有荧光分子识别位点。所述供体和受体都为荧光分子。本专利技术的有益效果在于：运用局部的光学信号传递来实现生物逻辑功能是DNA分子逻辑电路的热门应用，首先利用DNA双螺旋结构作为支架平台，设计了一种利用两层的DNA链置换反应来编码荧光分子的位置信息，相比于单层的DNA链置换编码方式，在使用相同个数的荧光分子条件下，其输入信号是单层链置换编码方式的两倍。同时借助荧光共振能量转移技术，实现了多通道输入、多功能的光激性逻辑电路。附图说明图1为单层DNA链置换编码荧光的位置信息。图2为双层DNA链置换编码荧光的位置信息。图3为第二层逻辑为与门的编码原理图。图4为第二层逻辑为或门的编码原理图。图5为第二层逻辑为与门和或门组合的编码原理图。图6为单层编码方式的CRN仿真。图7为两层与门编码方式的CRN仿真。图8为两层或门编码方式的仿真。图9为识别位点Ⅰ的仿真。图10为识别位点Ⅱ的仿真。图11为常规DNA链置换反应原理。具体实施方式一种基于DNA双螺旋结构的光激性逻辑电路的设计方法，所述光激性逻辑电路的设计方法的具体步骤如下：(1)基于DNA双螺旋结构的光激性电路设计原理，设计反应中需要的输入链、燃料DNA
链和DNA双螺旋结构；(2)输入信号的编码：向溶液中添加输入链I1和输入链I2，经过逻辑门g1，在小支点t的作用下，输入链I1首先和门复合物反应，产生初步反应后的门复合物，输入链I2和初步反应后的门复合物进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于DNA双螺旋结构的光激性逻辑电路的设计方法，其特征在于：所述光激性逻辑电路设计的具体步骤如下：（1）基于DNA双螺旋结构的光激性电路设计原理，设计反应中需要的输入链、燃料DNA链和DNA双螺旋结构；（2）输入信号的编码：向溶液中添加输入链I1和输入链I2，经过逻辑门g1，在小支点t的作用下，输入链I1首先和门复合物反应，产生初步反应后的门复合物，输入链I2和初步反应后的门复合物进行不可逆的链置换反应，使得反应朝着正方向进行，置换出中间链A1；（3）光激性信号的传递：步骤（2）中置换产生的中间链A1，在中间链A1的小支点a1的作用下，燃料链f1的发卡结构被打开，导致隐藏的小支点y1暴露出来，得到功能复合物c1；小支点y1的小支点域又和DNA双螺旋结构上裸露的小支点域y1*碱基互补配对，从而导致链置换反应的发生；同时置换出输出链w1，荧光分子Cy3成功地与识别位点Ⅰ结合，同样的策略，输入链I3和输入链I4在逻辑门g2和燃料链f2的作用下，置换出输出链w2；并成功地与识别位点Ⅱ结合；（4）荧光能量通路：在n个输入链的作用下，n个荧光分子在DNA双螺旋上的位置都可以精确地控制；把荧光分子Cy3作为供体，在特定波长激光的激发下，通过n‑1步的能量传递，最终将能量传给受体，这些荧光分子共同组成一条荧光分子能量转移路径。...

【技术特征摘要】
1.一种基于DNA双螺旋结构的光激性逻辑电路的设计方法，其特征在于：所述光激性逻辑电路设计的具体步骤如下：（1）基于DNA双螺旋结构的光激性电路设计原理，设计反应中需要的输入链、燃料DNA链和DNA双螺旋结构；（2）输入信号的编码：向溶液中添加输入链I1和输入链I2，经过逻辑门g1，在小支点t的作用下，输入链I1首先和门复合物反应，产生初步反应后的门复合物，输入链I2和初步反应后的门复合物进行不可逆的链置换反应，使得反应朝着正方向进行，置换出中间链A1；（3）光激性信号的传递：步骤（2）中置换产生的中间链A1，在中间链A1的小支点a1的作用下，燃料链f1的发卡结构被打开，导致隐藏的小支点y1暴露出来，得到功能复合物c1；小支点y1的小支点域又和DNA双螺旋结构上裸露的小支点域y1*碱基互...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勋才，牛莹，孙冬，孙军伟，顾冬华，申超楠，崔光照，王延峰，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南;41