基于dna鏈置換實現(xiàn)的邏輯門(異或門)

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1、結(jié)合熒光標(biāo)記的DNA鏈置換技術(shù)實現(xiàn)DNA邏輯門---非門，異或門1.引言計算機(jī)技術(shù)被認(rèn)為是20世紀(jì)三大科學(xué)革命之一，電子計算機(jī)為社會的發(fā)展起到了巨大的促進(jìn)作用，但是量子物理學(xué)已經(jīng)成功的預(yù)測出芯片微處理能力的增長不能長期地保持下去。基于這一原因，科學(xué)家們正在尋找其他全新的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)、量子計算機(jī)、光學(xué)計算機(jī)等及DNA計算機(jī)。1994年，美國加利福尼亞大學(xué)的Adleman博士提出利用DNA(脫氧核糖核酸)對一個圖論中的NP．完全問題．有向圖的Hamilton路問題進(jìn)行編碼，借助連接、變性、復(fù)性、P

2、CR擴(kuò)增、電泳等生物操作可以求解出這一問題。這一研究成果引起了數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)以及生物界科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，也開辟了DNA計算的新紀(jì)元。隨后許多有關(guān)專家紛紛探討并研究了DNA計算乃至DNA計算機(jī)的可行性。這無疑是一個極具開發(fā)價值的研究領(lǐng)域。具體原因如下：DNA計算具有高度的并行性，運算速度快，一周的運算量相當(dāng)于所有電子計算機(jī)從問世以來的總運算量。(1)DNA作為信息的載體其儲存的容量非常之大，1m3的DNA溶液可存儲的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前全球所有電子計算機(jī)的總存儲量。(2)DNA計算機(jī)所消耗的能量只占一臺電子計

3、算機(jī)完成同樣計算所消耗的能量的十億分之一。(3)DNA分子的資源很豐富?？傊?，DNA計算機(jī)的出現(xiàn)將會給人類文明帶來一個質(zhì)的飛躍，給全球帶來巨大的改變。就DNA計算機(jī)的上述優(yōu)點及應(yīng)用前景吸引了不同學(xué)科、不同領(lǐng)域的很多科學(xué)家，尤其是計算機(jī)科學(xué)家、生物學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理和工程等領(lǐng)域的科學(xué)家。2.DNA計算的基本思想DNA計算是一種以DNA為主及其相關(guān)的生物酶等作為最基本的原料、基于某些生化反應(yīng)原理的一種新型的分子生物計算方法。DNA計算的基本思想是：利用DNA特殊的雙螺旋結(jié)構(gòu)和堿基互補(bǔ)配對原則進(jìn)行信息編碼，把要運算的對

4、象映射成DNA分子鏈，在生物酶的催化作用下，生成各種數(shù)據(jù)池，然后按照一定的原則將原始問題的數(shù)據(jù)運算高度并行的映射成DNA分子鏈的可控的生化反應(yīng)過程。最后，利用分子生物技術(shù)如聚合鏈反應(yīng)PCR、超聲波降解、親和層析、克隆、誘變、分子純化、電泳、磁珠分離等，檢測所需要的運算結(jié)果。在DNA計算的基礎(chǔ)上，人們的研究開始分化開來，不僅僅局限于“運算”方面，近年來有不少科學(xué)家從最簡便的布爾運算入手，利用DNA計算實現(xiàn)了部分邏輯門。1.計算機(jī)及分子邏輯門及DNA鏈置換的介紹在2l世紀(jì)的高科技時代，計算機(jī)已經(jīng)成為人們工作、生活不可缺

5、少的一部分。而一臺電子計算機(jī)的內(nèi)部實際上是由許許多多的數(shù)字電路組成，而數(shù)字電路可以看作是用電子器件實現(xiàn)的邏輯門網(wǎng)絡(luò)。邏輯門可執(zhí)行一個或多個邏輯輸入的邏輯運算，并產(chǎn)生一個邏輯輸出。邏輯操作遵循布爾邏輯，這樣的邏輯門就稱為布爾邏輯門。所以設(shè)計邏輯門就成為設(shè)計數(shù)字電路甚至計算機(jī)的關(guān)鍵步驟。邏輯門是集成電路上的基本組件，是實現(xiàn)運算和邏輯操作的基礎(chǔ)。簡單的邏輯門可由晶體管組成，這些晶體管的組合可以使代表兩種信號的高低電平在通過它們之后產(chǎn)生高電平或低電平的信號。高、低電平可以分別代表邏輯上的“真”和“假”或者二進(jìn)制當(dāng)中的“1”

6、和“0”，從而實現(xiàn)邏輯運算。與數(shù)字電路中的邏輯門概念類似，分子邏輯門是對分子或超分子實施兩個或兩個以上的復(fù)雜操作，得到相應(yīng)的邏輯信號，適用于“0”和“l(fā)”二進(jìn)制的布爾邏輯運算，從而達(dá)到數(shù)字運算的目的。1993年，deSilva與其合作者首次把邏輯門概念引入分子與超分子體系，構(gòu)建了第一個最簡單的邏輯與門。從那以后，各種各樣的分子邏輯門與門、或門、異或門(XOR)、或非門(NOR)、與非門(NAND}、異或非門(XNOR)和禁止門(INHIBIT)等的不斷涌現(xiàn)，并且越來越復(fù)雜，研究越來越熱。令人興奮的是，越來越多的基于

7、化學(xué)體系構(gòu)建的具有組合功能的復(fù)雜邏輯門也不斷呈現(xiàn)，如半加法器、半減法器、全加法器和分子密碼鍵盤等，使得人們對于構(gòu)建分子邏輯門的發(fā)展和應(yīng)用無限憧憬。分子邏輯門經(jīng)常使用的輸入信號包含光、電、熱、磁、機(jī)械和化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象等，而經(jīng)常使用的輸出信號往往主要是光信號、電信號以及磁信號等，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體無機(jī)電子器件操作原理完全不同，分子邏輯器件主要是利用化學(xué)體系中分子在外界刺激下發(fā)生的酸堿反應(yīng)、構(gòu)象變化、光誘導(dǎo)電子、質(zhì)子和能量轉(zhuǎn)移變換、光誘導(dǎo)的異構(gòu)化、氧化還原反應(yīng)和各種超分子化學(xué)反應(yīng)來完成邏輯運算的。其中，分子開關(guān)是分子邏輯門的結(jié)

8、構(gòu)單元，是建立在分子水平上的可逆過程，外界條件的觸發(fā)改變使分子的結(jié)構(gòu)或構(gòu)型發(fā)生改變，從而表現(xiàn)出信號的變化。隨著人們對微觀世界認(rèn)識的不斷深入，納米技術(shù)和分子技術(shù)的研究取得了卓越的成績，人們對分子、離子進(jìn)行調(diào)控，構(gòu)建了一大批分子開關(guān)應(yīng)用于生物分析檢測。分子邏輯門的應(yīng)用主要在邏輯運算，用于構(gòu)建分子整流器、分子導(dǎo)線、分子晶體管、分子開關(guān)、分子機(jī)器以及分子邏輯器件等。