一种无立足点和分支迁移域的DNA链置换新方法技术

本发明专利技术涉及DNA链置换技术，提出了一种无立足点和分支迁移域的DNA链置换新方法。将DNA双链[DNA1,DNA2]与DNA单链DNA3混合，DNA3中片段1*和9*与DNA1中的互补片段1和9在碱基互补作用下，促使DNA1形成发卡结构，进而DNA2从DNA1上脱落，形成DNA3对DNA2的链置换。该DNA链置换过程中，置换链DNA3与被置换链DNA2之间在碱基排列上无任何依赖关系，实现了一种不需要立足点和分支迁移域的DNA链置换新方法。该方法可以用于替代目前依赖立足点的DNA链置换方法，可广泛应用于生物计算，基因编辑以及纳米技术。

A New DNA Chain Replacement Method without Standpoint and Branch Migration Domain

【技术实现步骤摘要】
一种无立足点和分支迁移域的DNA链置换新方法
本专利技术涉及DNA计算领域，尤其涉及DNA链置换技术。
技术介绍
作为一种新型的计算模型，DNA计算的研究与应用得到了广泛的关注。近年来，随着DNA链置换技术在DNA计算中的应用，相继实现了基于DNA链置换的DNA逻辑门、DNA电路、DNA纳米计算设备，DNA计算逐渐由理论研究进入了实用化研究阶段。DNA链置换是利用DNA分子杂交过程中的自由能最终趋于稳定的特性，通过在DNA模板链上设计立足点(toehold)和分支迁移域(branchmigrationdomain)，触发或控制DNA链置换反应，即用较长的DNA置换链与DNA模板链上的立足点先行杂交，然后在分支迁移作用下，通过对DNA模板链上的分支迁移域上杂交的DNA被置换链进行置换与取代的过程(张成,马丽娜,董亚非,etal.自组装DNA链置换分子逻辑计算模型[J].科学通报,2012,57(31)：2909-2915)。直观上看，DNA链置换就是在DNA置换链存在的情况下，通过DNA分子的杂交反应，将DNA模板链上杂交的DNA被置换链进行置换取代的过程，过程的结果是DNA被置换链由双链杂交状态变为游离状态。目前在DNA链置换的方法设计中，要求必须在DNA模板链上预先设计立足点与分支迁移域，且立足点与分支迁移域之间不能存在太多的碱基序列片段间隔(GenotAJ,ZhangDY,BathJ,etal.RemoteToehold：AMechanismforFlexibleControlofDNAHybridizationKinetics[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety,2011,133(7)：2177-2182)。但无论是否在立足点和分支迁移域之间存在碱基序列片段间隔，在DNA链置换中，立足点与分支迁移域均必须设计在DNA模板链上，且由于在DNA置换链、DNA模板链、DNA被置换链之间发生分支迁移过程，使得DNA置换链的碱基排列必须要与DNA模板链上的立足点和分支迁移域构成碱基互补关系，同时DNA被置换链的碱基排列必须与DNA模板链的分支迁移域的碱基排列构成碱基互补关系。上述在DNA模板链、DNA置换链和DNA被置换链之间的立足点与分支迁移域处的碱基排列依赖关系，使得在DNA链置换的应用中，立足点的设计成为关键，而立足点处的DNA片段长度一般仅为3-6个碱基(姚莉娜,田桂花,叶盟盟,etal.DNA链置换技术的研究现状与展望[J].郑州轻工业学院学报(自然科学版),2014(1)：15-21)，这大大增加了DNA链置换中DNA置换链、DNA模板链、DNA被置换链在碱基排列上的依赖耦合度，极大的增加了DNA序列设计难度，限制了DNA链置换的应用。
技术实现思路
针对DNA链置换中的立足点与分支迁移域对DNA链置换应用的限制问题，本专利技术所采用的技术方案为提供一种无立足点和分支迁移域的DNA链置换新方法。该方法在DNA模板链上设计发卡结构，以DNA模板链的5’-端与3’-端DNA片段作为DNA置换链的杂交结合域，对杂交在DNA模板链上的DNA被置换链进行置换取代。本专利技术涉及以下的具体技术方案：首先，设计DNA模板链DNA1、DNA被置换链DNA2和DNA置换链DNA3(图1)，具体包含以下步骤：步骤1：在DNA模板链DNA1上，设计发卡结构：发卡茎部对应为DNA1上DNA片段4和其互补DNA片段4*，发卡环部对应DNA1上DNA片段5和6；步骤2：为保证DNA被置换链DNA2与DNA模板链DNA1的稳定杂交，在DNA模板链DNA1上设计DNA片段7；步骤3：DNA模板链DNA1的5’-端和3’-端设计DNA片段1、2、3和8、9，其中DNA片段2、3、8作为冗余DNA片段，可用于其它功能设计，DNA片段1和9作为DNA置换链DNA3的杂交结合域，其中DNA片段1和9各自的碱基序列不少于5个碱基；步骤4：根据DNA1中的DNA片段64*7的碱基排列，设计DNA被置换链DNA2，其中DNA片段6*47*为DNA片段64*7的碱基互补序列，DNA2两端的DNA片段10和11作为冗余DNA序列，可用于其它功能设计；步骤5：根据DNA1的DNA片段1和9的碱基排列，设计DNA置换链DNA3，其中DNA置换链DNA3的DNA片段1*和9*分别为DNA片段1和9的碱基互补序列，DNA片段x作为冗余DNA序列，可用于其它功能设计，且碱基序列不多于5个碱基；其次，经过上述步骤的DNA片段设计，得到DNA链置换的模板链DNA1、DNA被置换链DNA2和DNA置换链DNA3。将DNA1与DNA2退火杂交，得到DNA双链[DNA1,DNA2]；加入DNA3后，DNA3的DNA片段1*和9*分别与DNA1的DNA片段1和9通过碱基互补实现杂交结合；在DNA3作用下，DNA1发生变构，形成发卡结构，DNA3从DNA1上脱落，完成DNA链置换。该DNA链置换过程中，DNA置换链DNA3与DNA被置换链DNA2之间在碱基上无任何依赖关系，实现了一种没有立足点与分支迁移域的DNA链置换方法。本专利技术与现有技术方法相比具有以下优点：1、在DNA链置换中，DNA模板链不需要设计立足点和分支迁移域；2、在DNA链置换中，DNA置换链和DNA被置换链在碱基排列上没有依赖关系，实现了DNA置换链和DNA被置换在DNA序列设计上的解耦合；3、在DNA置换链、DNA模板链、DNA置换链之间不发生分支迁移过程。该DNA链置换新方法可以用于替代目前依赖立足点和分支迁移域的DNA链置换方法，可广泛应用于DNA计算，DNA电路以及DNA纳米技术。附图说明下列图示中箭头端对应DNA序列的3’-端,平头端对应DNA序列的5’-端。图1DNA链置换新方法原理示意图；图2DNA链置换新方法原理验证PAGE电泳结果；图3DNA片段10长度变异对比分析PAGE电泳结果；图4DNA片段7长度变异对比分析PAGE电泳结果；图5DNA片段1与1*长度变异对比分析PAGE电泳结果1；图6DNA片段1与1*长度变异对比分析PAGE电泳结果2；图7DNA片段冗余性验证PAGE电泳结果；图8DNA模板链片段碱基序列随机变异PAGE电泳结果；图中泳道编号上部标注泳道内的反应物名称，泳道编号下部为反应物的摩尔浓度比。DNA双链用方括号表示，括号内为组成双链的对应DNA单链，“+”表示反应物的混合。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。实施例中的DNA序列购自上海生工，其中DNA序列经过PAGE纯化，实施例中的DNA分子序列见表1。实施例中应用的试剂为：EDTA2Na、Tris、冰乙酸、醋酸镁、过硫酸铵、聚丙烯酰胺、N,N'-甲叉双丙烯酰胺、四甲基乙二胺和StainsaLL。1×TAE/Mg2+缓冲液：40mmoL/LTris，20mmoL/L乙酸，1mmoL/LEDTA2Na，12.5mmoL/L醋酸镁,pH＝8.0。浓度为40％的丙烯酰胺母液：190g丙烯酰胺和10gN,N'-甲叉双丙烯酰胺，37℃水溶后,加去离子水定容至500mL。所有DNA链经Nanodrop2000分光光度计(ThermoFisherScie本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无立足点和分支迁移域的DNA链置换新方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：步骤1：设计具有发卡结构的DNA序列，作为DNA链置换中结合DNA被置换链的DNA模板链；步骤2：根据步骤1中DNA模板链的发卡结构茎部和环部的碱基排列，设计互补的DNA序列，作为DNA链置换的DNA被置换链；步骤3：根据步骤1中DNA模板链5’‑端和3‑’端的DNA序列片段，设计DNA链置换中的DNA置换链。

【技术特征摘要】
1.一种无立足点和分支迁移域的DNA链置换新方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：步骤1：设计具有发卡结构的DNA序列，作为DNA链置换中结合DNA被置换链的DNA模板链；步骤2：根据步骤1中DNA模板链的发卡结构茎部和环部的碱基排列，设计互补的DNA序列，作为DNA链置换的DNA被置换链；步骤3：根据步骤1中DNA模板链5’-端和3-’端的DNA序列片段，设计DNA链置换中的DNA置换链。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中，DNA链置换中的DNA模板链具有发卡结构；发卡结构茎部的DNA片段长度不小于3个碱基，环部的DNA片段长度不小于2个碱基。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2中...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑学东，张强，魏小鹏，范纯龙，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21