DNA邏輯門的構(gòu)建及其應(yīng)用.pdf

1、分子計(jì)算機(jī)或者分子水平上的信息處理，相對(duì)于傳統(tǒng)的以硅為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，是一種很有發(fā)展前途的手段。所以開(kāi)發(fā)一種經(jīng)濟(jì)高效的分子邏輯組件是很有必要的。DNA因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、核酸序列可控、能與特定序列互補(bǔ)鏈雜交以及能特異性的與靶分子（金屬離子、小分子、蛋白質(zhì)）結(jié)合的功能特點(diǎn)常常被選作基礎(chǔ)材料應(yīng)用于生物相關(guān)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。目前人們已實(shí)現(xiàn)了一系列基于DNA為功能材料的二進(jìn)制的邏輯門。本文圍繞DNA邏輯門的構(gòu)建及其應(yīng)用展開(kāi)了探索和研究。如以下兩個(gè)方

2、面所示：
　　 ⑴設(shè)計(jì)了一系列金屬離子介導(dǎo)的DNA電化學(xué)邏輯門(AND，NAND，NOR)，并用于邏輯檢測(cè)Hg2+與Ag+，利用金屬離子Ag+能與胞嘧啶-胞嘧啶(C-C)錯(cuò)配發(fā)生作用形成C-Ag+-C的復(fù)合結(jié)構(gòu)，Hg2+與胸腺嘧啶-胸腺嘧啶(T-T)不匹配的堿基序列形成T-Hg2+-T的復(fù)合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過(guò)巰基修飾的T-/C-堿基的DNA單鏈與羧基二茂鐵(Fc)修飾T-/C-堿基的DNA單鏈在電極表面的雜交，設(shè)計(jì)了以Hg2+、A

3、g+作為輸入信號(hào)，羧基二茂鐵的電化學(xué)信號(hào)作為輸出信號(hào)的AND邏輯門。隨后，通過(guò)Ag+與Hg2+引發(fā)電極表面雙鏈的解離和富含T-/C-堿基DNA單鏈構(gòu)象的變化設(shè)計(jì)了NAND邏輯門。最后，我們首次發(fā)現(xiàn)C-Ag+-C和T-Hg2+-T能引發(fā)DNA三鏈和雙鏈之間的變化的特點(diǎn)，從而利用以上特點(diǎn)我們又設(shè)計(jì)了NOR邏輯門。因此，以上DNA電化學(xué)邏輯門的設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)光學(xué)邏輯門設(shè)計(jì)復(fù)雜，操作繁瑣等缺點(diǎn)，具有快速，靈敏，簡(jiǎn)單，可逆的特點(diǎn)，為金屬離子的邏輯

4、檢測(cè)開(kāi)發(fā)了一種新的檢測(cè)手段。
　　 ⑵利用金屬離子酶作為功能性核酸設(shè)計(jì)了一系列的以比色作為輸出信號(hào)的DNA比色邏輯門(OR，AND，INHIBIT)，它是利用兩種金屬離子酶以及剪切的基底構(gòu)建的，其中，以Pb2+和Cu2+作為輸入信號(hào)，模擬辣根過(guò)氧化酶的DNA酶催化雙氧水(H2O2)氧化TMB顯色作為輸出信號(hào)。接著，我們又利用Hg2+與T-T不匹配的堿基序列形成T-Hg2+-T的復(fù)合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一個(gè)Hg2+、Cu2+和Pb2+

5、作為調(diào)節(jié)信號(hào)的三輸入信號(hào)的AND輯門。首先Pb2+-DNA酶，Cu2+-DNA酶分別和它的基底雜交形成雙鏈結(jié)構(gòu)，其基底中分別存在能夠被Pb2+酶和Cu2+酶剪切的位點(diǎn)，同時(shí)，基底中存在能夠形成模擬辣根過(guò)氧化酶DNA酶的特征序列。起初，酶與基底之間的雜交形成了雙鏈，阻止基底中的特征序列自組裝形成血紅素/G-四鏈體-Hemin模擬辣根過(guò)氧化酶的結(jié)構(gòu)。當(dāng)分別加入Pb2+或Cu2+后，使得兩種DNA酶分別在其切點(diǎn)切斷，由于斷裂過(guò)程中形成的核酸片

6、段和其DNA酶序列缺乏協(xié)同的穩(wěn)定性，而釋放出的含有模擬辣根過(guò)氧化酶的DNA酶序列，因此能夠在血紅素存在的情況下自主裝成有生物催化性能的DNA酶從而催化雙氧水氧化TMB顯色，產(chǎn)生TMB+，也就是說(shuō)當(dāng)加入Pb2+，Cu2+或者兩者同時(shí)存在的時(shí)候都可以形成DNA酶。基于上面的OR邏輯門的原理，同樣，我們相繼設(shè)計(jì)了AND，INHIBIT和三個(gè)輸入信號(hào)的AND邏輯門。我們能夠很容易的用眼睛讀出輸出信號(hào)，對(duì)于復(fù)雜的輸入信號(hào)的DNA邏輯器件來(lái)說(shuō)，這是