与计算机杂合的DNA表面计算用寡核苷酸芯片的制备方法技术

一种与计算机杂合的ＤＮＡ表面计算用寡核苷酸芯片的制备方法，本发明专利技术采用寡核苷酸芯片作为计算基质，在其上利用杂交反应来完成计算过程，然后用计算机计算法规则来读出数据，得到ＮＰ问题的解，ＤＮＡ表面计算芯片上寡核苷酸序列的编码和排布遵循以下方式：将该ＮＰ问题完全数据池中的数据转化为可用０和１按序表达的方式；将ＮＰ完全问题的完全数据池转化为阵列，每个分单元代表一个数据；将阵列中的数据映射为寡核苷酸序列并排布在芯片上，每个序列成为芯片上的一个点。本发明专利技术充分利用了ＤＮＡ芯片计算的高度并行性和电子计算机处理数据的快速灵活性，操作过程更为简便，不依靠酶反应过程，计算结果的假阳性率大大降低，可用于计算多种ＮＰ问题，具有通用性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种用于DNA芯片
的制备方法，特别是一种与计算机杂合的DNA表面计算用寡核苷酸芯片的制备方法。
技术介绍
1994年Adleman(Science，1994，2661021-1024)首次以DNA序列作为信息载体，在试管中利用分子生物学试验技术解决了一个NP完全问题(七顶点的Hamilton路径问题)，并指出DNA分子计算具有高信息度、高并行度的特点，使其在线性时间内能够求解像NP完全问题之类的难解问题。这些NP完全问题如果利用图灵机求解，则所需时间是指数递增的。在Adleman之后，许多学者提出了针对不同NP问题的多种的DNA计算模型，涉及SAT问题、最大团问题、最大独立集问题、图的着色问题、集合最小覆盖问题等，除NP问题以外，对DNA计算的加法、乘法等运算也提出了相应的模型。这些文献涉及的DNA计算均是在溶液体系中的计算，其核心是依照算法设计将经过编码后的DNA链作为输入分子置于试管中，在试管中经过设定的生物化学反应，如杂交、解链、切割、连接等来完成运算，并利用分子生物学技术，如聚合酶链式反应、亲和层析、克隆、分子纯化、电泳、磁珠分离、测序等技术，获取运算的中间结果或最终结果。尽管在溶液中可以实现多种DNA计算模型，然而溶液中的反应也存在若干难以克服的问题，如中间产物分离困难、反应体系复杂、中间过程难以监控、反应的可重复性较差、与电子计算机难以实现杂合等，为了解决这些问题，需要发展DNA计算芯片及其相关算法。DNA计算芯片是指DNA并行计算的过程在DNA芯片上实现。DNA芯片分cDNA芯片和寡核苷酸芯片，cDNA芯片由点样法制作，寡核苷酸芯片通过光导原位合成法和点样法均可制作。基因芯片作为一种可寻址的、高密度的、并行的技术在基因表达谱分析、基因测序、药物筛选、基因诊断等多个领域有广泛的用途，但在DNA计算中的应用尚处于探索阶段。2000年Wang等在美国化学协会杂志(J.Am.Chem.Soc.，2000，122(31)7435-7440)上报道了一种采用寡核苷酸芯片来实现简单的2-SAT问题的计算过程。SAT问题是一个典型的NP完全问题，该问题的表述是，给定一个布尔表达式F＝C1∧C2∧…..∧Cn其中Ci＝v1∨v2∨….∨vk，vj为布尔变量，每个布尔变量取值为0或1，寻求F＝1时的vj值. 在Wang的文章中，计算了一个简单的2-SAT问题，具体表述为F＝(X∨Y)∧(X∨Y)该SAT问题共有2个子句，包含2个变量X和Y，上划线表示该变量取值的相反取值，2个变量的完全数据池(即变量状态的所有组合方式)共含有4个数据。DNA芯片计算的算法为2个变量的4种状态分别由4个序列来代表，完全数据池中的每个数据由2个变量相应状态编码的序列按序连接得到的较长的寡核苷酸链代表，在连接好的链上还需附加一个荧光标记的头部链和一个带有内切酶位点的尾部链，这些寡核苷酸链点样制成为2×2的芯片，尾部链的末端固定在芯片表面。然后在此芯片上进行计算，每个子句的计算均包括PNA杂交、链式延伸、内切酶酶切、解链四项表面操作。在第一个子句计算完成后，从图象上可以发现，不满足第一个子句的数据被从芯片表面删除，表现为荧光点缺失，接着进行第二个子句的计算，结果是又一个数据对应的荧光点从芯片表面删除，只留下两个荧光点，对应寻址就得到该问题的解。这一工作虽然使用了计算芯片，但由于算法设计中采用的编码方式为n个变量相应状态编码的序列按序连接，则变量数增加，序列的长度就增加，过长的序列合成(大于120bp)将成为一个很大的障碍，且计算过程涉及多项酶操作，在加大变量操作时会产生较大误差，另外，这种计算芯片及其计算模式只适用于SAT问题计算，不能用于其他NP问题的计算。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种与计算机杂合的DNA表面计算用寡核苷酸芯片的制备方法。使其充分利用了DNA芯片计算的高度并行性和电子计算机处理数据的快速灵活性，操作过程更为简便，不依靠酶反应过程，计算结果的假阳性率大大降低，可用于计算多种NP问题，具有通用性。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术采用寡核苷酸芯片作为计算基质，在其上利用杂交反应来完成计算过程，然后用电子计算机依算法规则来读出数据，得到NP问题的解，DNA表面计算芯片上寡核苷酸序列的编码和排布遵循以下方式(1)分析NP完全问题，制订一种映射策略，将该NP问题完全数据池中的数据转化为可用0和1按序表达的方式；(2)将NP完全问题的完全数据池转化为阵列，n个变量的NP完全问题，其完全数据池包含2n个数据，将这些数据制作成阵列，阵列的每个分单元由n个变量的取值0或1按序组成，每个分单元代表一个数据；(3)将阵列中的数据映射为寡核苷酸序列并排布在芯片上，映射关系为①n个变量，每个变量有0和1两种状态，则共有2n种状态，分别一一对应为2n种不同的寡核苷酸序列；②阵列中每个分单元由n个变量取值的0或1按序构成，则按序索引①中规定的对应关系，从而将每个分单元对应于依序排列的n个寡核苷酸序列，每个序列成为芯片上的一个点。本专利技术提供的与电子计算机计算杂合的用于解NP数学问题的DNA表面计算芯片是寡核苷酸芯片，可以通过光导原位合成技术，也可以通过点样技术来制作。寡核苷酸芯片作为计算基质，在其上利用杂交反应来完成计算过程，然后用电子计算机依算法规则来读出数据，得到NP问题的解。所述的DNA表面计算过程为根据NP完全问题的类型，设计相应的DNA芯片计算算法，将预先合成的有标记的寡核苷酸链依据芯片算法进行混合，与DNA计算芯片发生杂交反应，得到杂交图像。输出的杂交图像可以是荧光图像、同位素显影图像、化学发光图像等等，也可以是电芯片的电学信号。用于反应的有标记的寡核苷酸链其标记物是荧光、同位素或者化学发光反应的底物。在计算过程中，可以用多个相同的芯片同时进行各个环节的计算，也可以加入解链步骤重复使用同一张芯片进行计算。针对n个变量设计的芯片不仅适合n个变量问题的计算，也适合所有小于n个变量的问题的计算。寡核苷酸芯片通过点样技术或通过光导原位合成技术来制作。所述的用计算机计算法规则来读出数据，其读出过程为根据NP完全问题的DNA芯片计算算法，在电子计算机上编写专用的图像处理和计算软件，通用的编写原则为对杂交图像进行信号采集处理，依不同问题的算法输出成相应的矩阵，然后再对矩阵进行计算，最后寻址，得到该类NP问题的全解。本专利技术具有突出的实质性特点和显著进步，本专利技术DNA并行计算的过程在芯片上完成，以寡核苷酸芯片作为计算基质，在其上利用杂交反应来完成计算过程，然后用电子计算机依算法规则来读出数据，得到NP问题的解。与溶液中的DNA计算和已发表的表面DNA计算方法相比，本专利技术充分利用了DNA芯片计算的高度并行性和电子计算机处理数据的快速灵活性，使DNA计算的操作过程更为简便，不依靠酶反应过程，计算结果的假阳性率大大降低。DNA计算芯片制成后，一方面可用于计算多种NP问题，如SAT问题、最大团问题、最大顶点分割问题等，具有通用性，另一方面，针对n个变量设计的芯片不仅适合n个变量问题的计算，也适合所有小于n个变量的问题的计算，也具有通用性。附图说明图1本专利技术结构示意2a-2d实施例1中D本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种与计算机杂合的ＤＮＡ表面计算用寡核苷酸芯片的制备方法，其特征在于，采用寡核苷酸芯片作为计算基质，在其上利用杂交反应来完成计算过程，然后用计算机计算法规则来读出数据，得到ＮＰ问题的解，ＤＮＡ表面计算芯片上寡核苷酸序列的编码和排布遵循以下方式：（１）分析ＮＰ完全问题，制订一种映射策略，将该ＮＰ问题完全数据池中的数据转化为可用０和１按序表达的方式；（２）将ＮＰ完全问题的完全数据池转化为阵列，ｎ个变量的ＮＰ完全问题，其完全数据池包含２ｎ个数据，将这些数据制作成阵列 ，阵列的每个分单元由ｎ个变量的取值０或１按序组成，每个分单元代表一个数据；（３）将阵列中的数据映射为寡核苷酸序列并排布在芯片上，映射关系为：①ｎ个变量，每个变量有０和１两种状态，则共有２ｎ种状态，分别一一对应为２ｎ种不同的寡 核苷酸序列；②阵列中每个分单元由ｎ个变量取值的０或１按序构成，则按序索引①中规定的对应关系，从而将每个分单元对应于依序排列的ｎ个寡核苷酸序列，每个序列成为芯片上的一个点。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓东，吴凝，潘加奎，张素，胡钧，张治洲，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]