【技术实现步骤摘要】
一种搭建9位奇偶校验分子开关电路的方法
[0001]本专利技术涉及生物逻辑电路的
，尤其涉及一种搭建9位奇偶校验分子开关电路的方法，利用DNA链置换技术构建9位奇偶校验分子开关逻辑电路。
技术介绍
[0002]近年来，DNA因其碱基对特异性和灵活的编程能力被广泛应用于构建生物分子体系。其中，DNA链置换技术被认为是构建复杂生物网络结构的理想机制。常与DNA折纸和荧光标记技术结合，实现纳米级自组装、数字模拟计算。在过去的几十年里，它已经被开发和应用于生物医学、非线性系统、DNA逻辑计算、神经网络等领域。例如，结合DNA链置换和DNA折纸构建的DNA纳米结构可用于智能药物靶向递送从而治疗疾病。基于链置换的人工神经网络实现异或运算和全加法器运算，DNA电路可以实现许多复杂的逻辑功能。目前，基于DNA链位移的DNA逻辑电路是一个热门的研究方向，在过去的几十年里取得了很大的进展。早期发展起来的一些简单的DNA逻辑门是复杂分子逻辑电路的原始元素，如与门、或门、非门、集成门等。后期通过级联基本逻辑门实现复杂的DNA逻辑电路，如编码器、多路复用器、全加全减器、Timer、矩阵乘法电路等。这些逻辑电路是未来实现生物计算机的必要基础，可以有效地将生物工程技术和人工智能提升到一个较高的阶段。
技术实现思路
[0003]针对构建大规模复杂电路时电路结构复杂，反应速度慢，参与链多且杂乱，缺乏模块性的技术问题，本专利技术提出一种搭建9位奇偶校验分子开关电路的方法，利用Matlab里的Simbiology仿真平台搭建DNA开...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种搭建9位奇偶校验分子开关电路的方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：基于DNA链置换技术阐述分子开关电路的结构及反应机理；步骤二：设置反应速率和泄露速率，优化分子开关电路的输入信号和各级的分子开关浓度比；步骤三：根据分子开关电路设置扇入分子开关电路和扇出分子开关电路；步骤四：利用开关画布路由策略基于扇入分子开关电路和扇出分子开关电路搭建3位奇偶校验分子开关电路，利用四块结构相同的3位奇偶校验分子开关电路搭建9位奇偶校验分子开关电路；步骤五：利用Simbiology仿真平台验证9位奇偶校验分子开关电路的正确性。2.根据权利要求1所述的搭建9位奇偶校验分子开关电路的方法，其特征在于，所述步骤一中分子开关电路的结构包括启动开关SW、接收上游信号的下游开关DS和荧光报告门Report；分子开关电路的化学反应机理为：A+SW
→
CA+SW(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)CA+DS
→
DS(off)+waste1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)B+DS(off)
→
CY+DS(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)CY+Report
→
Report(on)+waste2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，反应式(1)为输入信号A与启动开关SW的链置换反应，A和SW均为参与反应物，CA和SW(on)均为生成物，CA代表产生的电流信号链，SW(on)代表启动开关SW闭合；反应式(2)为电流信号链CA与处于阻塞状态的下游开关DS进行链置换反应，CA和DS均为参与反应物，DS(off)和waste1均为新生成物，DS(off)代表下游开关DS由原本的阻塞状态转换为断开状态，waste1为废料；反应式(3)为输入信号B与开关DS(off)进行链置换反应，产生生成物CY和DS(on)，CY为电流信号链，DS(on)代表下游开关DS转换为闭合状态；反应式(4)为电流信号链CY与荧光报告门Report进行链置换反应，Report(on)为生成的荧光信号链、代表荧光报告门Report闭合，此反应过程将信号链CY的浓度转换为了荧光强度输出；反应过程为：输入信号A从输入端进入，与启动开关SW暴露的立足点结合，从而置换出一条电流信号链CA；下游开关DS由S域和D域组成，S域通过裸露的立足点接收上游开关传递的电流信号链CA，D域则响应下游开关的输入信号B，电流信号链CA与下游开关DS链置换后将下游开关DS状态转换为断开状态，等待输入信号Y的到来；下游开关DS与输入信号Y置换后，产生电流信号链CY，并将下游开关DS转换为闭合状态DS(on)，最后电流信号链CY与荧光报告门反应后，生成一条荧光信号链被检测输出。3.根据权利要求2所述的搭建9位奇偶校验分子开关电路的方法，其特征在于，所述反应式(1)中，输入信号A的DNA单链结构为<n1^s1^s2^n2^n3^>，启动开关SW的DNA双链结构为<t2^t1 t2^>[n1^s1^s2^n2^]{n3^*}，生成物CA的DNA单链结构为<t2^t1 t2^n1^s1^s2^n2^>，闭合开关SW(on)的DNA双链结构为[n1^s1^s2^n2^n3^]；所述反应式(2)中，下游开关DS的DNA双链结构为<u3^v3 u4^>[u1^v1^v2^]:[u5^t2^t1 t2^]{n1^*}，生成物DS(off)的DNA双链结构为<u3^v3 u4^>[u1^v1^v2^]:{u5^}:[t2^t1 t2^n1^]<s1^s2^n2^>；所述反应式(3)中，输入信号Y的DNA单链结构为<u1^v1^v2^u5^>，输入信号B与DS(off)发生链置换反应后，生成物CY的DNA单链结构为<u3^v3^u4^u1^v1^v2^>，生成物DS(on)的DNA双链结构为[u1^v1^v2^u5^]:[t2^t1 t2^n1^]<s1^s2^n2^>；所述反应式(4)中，荧光报告门Report的DNA双链
结构为[u1^v3 u4^]{u1^*}，生成物Report(on)的DNA双链结构为[u1^v3u4^u1^]{v1^v2^}；其中，s1、s2、n2、t1、t2、u3、u4、v1、v2、v3为结构域，u1、n1、n3、u5为小支点域，<>表示DNA链的上链结构部分，[]表示DNA链已互补配对过的双链结构部分，:表示用来连接两部分双链结构域，{}表示DNA链的下链结构部分，^用来标记上链结构域，^*用来标记下链结构域；所述步骤二中分子开关电路的反应速率设置为1.0E
‑
4nMs
‑1，阻塞状态的开关泄漏速率设为1.0E
‑
6nM
‑1s
‑1，断开状态的开关泄漏速率设为5.0E
‑
6nMs
‑1；输入信号A的初始浓度设置为启动开关SW浓度的2倍；若上游开关与下游开关串联，将分子开关的初始浓度比设置为1.5x:1x，其中x＝100nM。4.根据权利要求2或3所述的搭建9位奇偶校验分子开关电路的方法，其特征在于，所述扇入分子开关电路包括2
‑
扇入分子开关电路，2
‑
扇入分子开关电路实现将上游开关传递的2个电流信号聚合成一个电流信号；所述2
‑
扇入分子开关电路包括上游开关DS1、上游开关DS2和下游开关SW1，上游开关DS1、上游开关DS2相互并联后与下游开关SW串联，2
‑
扇入分子开关电路的反应方程式为：A1+DS1→
CA1+DS1(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)A2+DS2→
CA1+DS2(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)CA1+SW
→
SW(off)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)B+SW(off)
→
CS+SW(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)反应式(5)
‑
(6)中的输入信号A1和A2分别与上游开关DS1、上游开关DS2进行链置换反应，产生相同的电流信号链CA1，且将下游开关DS1和DS2的状态分别切换到闭合状态DS1(on)和DS2(on)，反应式(7)中的电流信号链CA1与下游开关SW进行链置换反应，电流信号链CA1将下游开关SW激活，下游开关SW的状态由原来的阻塞状态转换为断开状态SW1(off)，裸露出中间小支点等待输入信号B的到来；反应式(8)中输入信号B与下游开关SW(off)进行链置换反应产生一条电流信号链CS，下游开关SW的状态变为闭合状态SW(on)；所述扇出分子开关电路包括2
‑
扇出分子开关电路，所述2
‑
扇出分子开关电路包括一个上游开关SW、两个相互并联的下游开关DS1和DS2，上游开关SW与并联后的下游开关DS1、下游开关DS2相互串联；所述2
‑
扇出分子开关电路的反应方程式为：A+SW
→
CA+SW(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)CA+DS1→
DS1(off)+waste1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)CA+DS2→
DS2(off)+waste2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)B1+DS1(off)
→
CB+DS1(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)B2+DS2(off)
→
CB+DS2(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)其中，反应式(9)中输入信号A与上游开关SW链置换后产生电流信号链CA，上游开关SW转换为闭合状态SW(on)；反应式(10)
‑
(11)中被扇出的2条电流信号链CA同时传递到下游开关DS1和DS2处并激活它们，下游开关DS1和DS2的状态分别转换为断开状态DS1(off)和DS2(off)；反应式(12)
‑
(13)中输入信号B1和输入信号B2分别与裸露有中间小支点的DS1(off)和DS2(off)产生化学反应，产生同一条电流信号链CB、双链DS1(on)和双链DS2(on)，下游开关DS1和DS2由断开状态转为闭合状态，此时的电流信号链CB即为2
‑
扇出分子开关电路的输出信号。
5.根据权利要求4所述的搭建9位奇偶校验分子开关电路的方法，其特征在于，所述2
‑
扇入分子开关电路的反应式(6)和反应式(7)中，设计输入信号A1和A2的DNA单链结构分别为<n1^s1^s2^n2^n3^>和<n1^s1^s2^n2^n4^>，上游开关DS1和DS2的DNA双链结构分别为<t2^t1 t2^>[n1^s1^s2^n2^]{n3^*}和<t2^t1 t2^>[n1^s1^s2^n2^]{n4^*}，生成物CA1的DNA单链结构为<t2^t1 t2^n1^s1^s2^n2^>；反应式(8)中下游开关SW1的DNA双链结构为<u2^v3 u3^>[u1^v1^v2^]:[u4^t2^t1 t2^]{n1^*}；反应式(9)中的输入信号链Y的DNA单链结构为<u1^v1^v2^u4^>，生成的电流信号链CS的DNA单链为<u2^v3 u3^u1^v1^v2^>；其中，t1、t2、s1、s2、n2、u1、u2、u3、v1、v2、v3为结构域，n1、n3、n4、u4为小支点域，<>表示DNA链的上链结构部分，[]表示DNA链已互补配对过的双链结构部分，:表示用来连接两部分双链结构域，{}表示DNA链的下链结构部分，^用来标记上链结构域，^*用来标记下链结构域；所述上游开关DS1和上游开关DS2的初始浓度均设置为1.5x，下游开关SW1的初始浓度设置为1x，所有输入信号的初始浓度均设为分子开关初始浓度的2倍，上游开关DS1的输入信号X1的初始浓度设置为3x；所述2
‑
扇出分子开关电路的反应式(10)中，输入信号A的DNA单链结构为<n1^s1^s2^n2^n3^>，上游开关SW的DNA双链结构为<t2^t1 t2^>[n1^s1^s2^n2^]{n3^*}，生成物CA的DNA单链结构为<t2^t1 t2^n1^s1^s2^n2^>；所述反应式(11)
‑
(12)中下游开关DS1和下游开关DS2的DNA双链结构分别为<u2^v3 u3^>[u1^v1^v2^]:[u4^t2^t1 t2^]{n1^*}和<u2^v3u3^>[u1^v1^v2^]:[u5^t2^t1 t2^]{n1^*}；所述反应式(13)
‑
(14)中的输入信号Y1和Y2的DNA单链结构分别为<u1^v1^v2^u4^>和<u1^v1^v2^u5^>，生成的电流信号链CS为<u2^v3 u3^u1^v1^v2^>；其中，s1、s2、n2、u1、u3、t1、t2、v1、v2、v3为结构域，n1、n3、u4、u5为小支点域，<>表示DNA链的上链结构部分，[]表示DNA链已互补配对过的双链结构部分，:表示用来连接两部分双链结构域，{}表示DNA链的下链结构部分，^用来标记上链结构域，^*用来标记下链结构域；所述上游开关SW2的初始浓度设置为1.5x，下游开关DS3和DS4的初始浓度设置为1x，所有输入信号的初始浓度均设为分子开关初始浓度的2倍，对应上游开关SW2的输入信号A的初始浓度设置为3x。6.根据权利要求2、3或5所述的搭建9位奇偶校验分子开关电路的方法，其特征在于，所述搭建3位奇偶校验分子开关电路的方法为：利用开关画布策略搭建3位奇偶校验开关电路；基于DNA链置换反应设计两层10个分子开关的DNA开关电路；所述9位奇偶校验分子开关电路包括四块结构相同的3位奇偶校验分子开关电路，利用3块结构相同的3位奇偶校验分子开关电路分别检测3组二进制码的奇偶性，输出的电流信号链作为第四块奇偶校验模块的输入信号再次进行最后的奇偶校验，并最终得到校验结果。7.根据权利要求6所述的搭建9位奇偶校验分子开关电路的方法，其特征在于，所述3位奇偶校验分子开关电路包括输入端的启动开关SW1和SW2、中间的下游开关DS3‑
DS6、输出端的下游开关DS7‑
DS
10
以及两个荧光报告门Report0和Report1，其DNA链置换反应包括：输入信号A'激活启动开关SW1的过程为：A'+SW1→
CSA'+SW1(on)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)2
‑
扇出分子开关电路的反应为：
CSA'+DS3→
DS3(off)+waste1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)CSA'+DS4→
DS4(off)+waste2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)其中，反应式(14)中，输入信号A'与启动开关SW1进行链置换后产生一条电流信号链CSA'，并将启动开关SW1转为闭合状态SW1(on)；反应式(15)
‑
(16)中电流信号链CSA'被扇出2条后传递到处于阻塞状态的下游开关DS3和下游开关DS4处，下游开关DS3和下游开关DS4分别转为中间裸露小支点的断开状态DS3(off)和DS4(off)，生成物waste1和waste2为废料；输入信号B'、输入信号B分别激活下游开关DS3、DS4并输出电流信号链的过程为：B...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄春，郭毅飞，李盼龙，王延峰，王英聪，孙军伟，姜素霞，张勋才，王妍，凌丹，张新雅，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。