基于自組裝的dna分子邏輯計(jì)算模1

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1、DNA邏輯計(jì)算模型2014基于自組裝的DNA分子邏輯計(jì)算模型目錄1.背景介紹41.1基于DNA的邏輯計(jì)算42.實(shí)驗(yàn)方法42.1邏輯算法，自組裝結(jié)構(gòu)，和DNA序列設(shè)計(jì)42.2DNA和金納米粒子共軛52.3計(jì)算模型的反應(yīng)條件張珹，楊晶，徐進(jìn)1.軟件研究所,電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)校,教育部高可信軟件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京大學(xué),北京100871,中國(guó)2.中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所,中國(guó)科學(xué)院,北京100190,中國(guó)2011年5月27日收到,2011年8月4日接受在本文中,邏輯計(jì)算模型是使用DNA納米粒子構(gòu)建,結(jié)合的DNA/Au納米粒子

2、的顏色變化的技術(shù)的結(jié)合物和DNA計(jì)算。幾種重要的技術(shù)被利用到這個(gè)分子計(jì)算模型中:DNA自組裝,DNA/金納米粒子共軛和從金納米粒子聚集而產(chǎn)生的顏色變化。這個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯計(jì)算模型被認(rèn)為是一個(gè)顏色的變化，從不斷變化的DNA自組裝?；谶@個(gè)邏輯計(jì)算模型一組操作的計(jì)算模型也被建立,通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯問(wèn)題解決了。為了擴(kuò)大這個(gè)邏輯納米計(jì)算系統(tǒng),一種用于甲型H1N1流感病毒基因的檢測(cè)的分子檢測(cè)方法被開(kāi)發(fā)。邏輯計(jì)算，DNA計(jì)算，納米粒子，DNA自組裝11DNA邏輯計(jì)算模型2014引文：張珹，楊晶，徐進(jìn)，基于自組裝的DNA分子邏輯計(jì)算模型。中國(guó)

3、科學(xué)通報(bào)2011，56：3566—3571，doi：10.1007/s11434-011-4725-3在計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域，分子計(jì)算已經(jīng)從一種單純的理論逐漸成長(zhǎng)為實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。DNA計(jì)算因?yàn)樗诩{米技術(shù)操作方面的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為了分子計(jì)算中的領(lǐng)導(dǎo)者。在DNA計(jì)算開(kāi)始時(shí)，科學(xué)家試圖解決幾種不同的數(shù)學(xué)問(wèn)題，例如：可滿(mǎn)足性問(wèn)題，圖著色問(wèn)題，最大集團(tuán)問(wèn)題和最大獨(dú)立集問(wèn)題[1-4]。盡管在比較DNA計(jì)算與傳統(tǒng)電子計(jì)算的困難，DNA計(jì)算在巨大的并行計(jì)算潛力仍然是一個(gè)有吸引力的焦點(diǎn)。在信息科學(xué)領(lǐng)域，邏輯計(jì)算是一種計(jì)算的基本單位。因此，利用分子執(zhí)行

4、邏輯計(jì)算是十分重要的，在這方面分子扮演著重要的角色。很多種材料可以用來(lái)構(gòu)建邏輯的大門(mén)，例如：核酸，生化酶[5-11]?；贒NA的邏輯系統(tǒng)已最引人注目[12-15]。最近，DNA自組裝和納米粒子的組合已成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)[16-19]。納米粒子是一種在納米尺度的小顆粒。常用的納米粒子是金，銀和半導(dǎo)體量子點(diǎn)。重要的是，最廣泛使用的是金納米粒子（金納米粒子），它是穩(wěn)定的，均勻的，具有較強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合能力。11DNA邏輯計(jì)算模型2014Figure111DNA邏輯計(jì)算模型2014在本文中，邏輯計(jì)算模型是利用DNA納米構(gòu)造，結(jié)合的DN

5、A/金納米粒子的顏色變化的技術(shù)的結(jié)合物和DNA計(jì)算。簡(jiǎn)單的邏輯計(jì)算被認(rèn)為是由于DNA改變自組裝的顏色改變。同時(shí)，一系列操作計(jì)算模型被建立，通過(guò)這個(gè)方法一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯問(wèn)題解決了。為了擴(kuò)大這個(gè)邏輯納米計(jì)算系統(tǒng),一種用于甲型H1N1流感病毒基因的檢測(cè)的分子檢測(cè)方法被開(kāi)發(fā)。重要的是，幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)（DNA自組裝，DNA/Au納米粒子共軛，金納米粒子聚集的顏色改變）被利用到了這個(gè)分子計(jì)算模型中。1.背景介紹1.1基于DNA的邏輯計(jì)算隨著電子納米粒子技術(shù)和分子信息處理的發(fā)展，DNA邏輯計(jì)算已越來(lái)越引人注目。不僅被用于基因工程和疾病診斷，而

6、且還用于并行計(jì)算，納米信息處理和分子密碼。在2000年，毛首先在journalnature中報(bào)道了一個(gè)簡(jiǎn)單的用于DNA自組裝的DNA邏輯機(jī)器[20]。在2003年，Stojanovic組裝了一個(gè)用于DNA加速溶劑萃取的DNA邏輯計(jì)算模型。后來(lái)，在2006年，另一個(gè)DNA邏輯計(jì)算通過(guò)一個(gè)來(lái)自加利福利亞技術(shù)學(xué)院的研究組在science中被報(bào)道出來(lái)[22]。在2010年，ItamarWillner的研究組建立了一個(gè)利用脫氧核酶的分子計(jì)算模型。這項(xiàng)研究被評(píng)為創(chuàng)新系統(tǒng)的研究[23]。所有的這些研究提供了為未來(lái)努力的方向。然而，大多數(shù)的

7、研究用于DNA或生化酶。因此，該單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。除此之外，這種檢測(cè)方法可能有點(diǎn)復(fù)雜。事實(shí)上，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法有一定的缺點(diǎn)，例如多個(gè)程序，長(zhǎng)期成本和大型設(shè)備的可靠性[24-26]。因此，這些剩余的某些方面可以在DNA邏輯計(jì)算模型中改進(jìn)。1.2在DNA/金納米粒子自組裝復(fù)合物中的顏色改變DNA的納米影響因子的形成總是精確的控制是一個(gè)研究目標(biāo)。為此，DNA/金納米粒子自組裝復(fù)合物中的顏色改變的技術(shù)迅速發(fā)展。其原理是一個(gè)隨機(jī)的納米顆粒系統(tǒng)的精確控制DNA/金納米粒子自組裝。對(duì)于金納米粒子（量子尺寸，納米表面），當(dāng)粒子之間的距離變化，整個(gè)

8、系統(tǒng)的吸收也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，在宏觀層面，反應(yīng)體系將改變顏色（圖1），分子中的細(xì)微的差異可以觀察到明顯的顏色變化。反應(yīng)顏色改變的特性是穩(wěn)定的。除此之外，時(shí)間和步驟需要檢測(cè)少的很多，因?yàn)檫@些結(jié)果可以被肉眼發(fā)現(xiàn)，大型設(shè)備是不必要的。在1996年，Mirkinetal.[27]在scien