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基于DNA和限制酶的逻辑计算模型的研究

【摘要】:DNA不仅承载着生命遗传信息,还是天然的纳米生物材料和元件。由于DNA分子自身的特异性、高并行性、微小性等天然特性,在信息存储和处理过程中表现出了强大的并行计算能力和数据存储能力,吸引了学者的广泛关注。DNA分子被广泛用于设计构建各类功能结构和器件,如DNA计算机、DNA传感器、DNA芯片、DNA分子探针和分子信标等。立足点介导的DNA链置换技术已经广泛应用于构建DNA设备,包括DNA传感器、DNA分子机器和DNA电路,因为它能够实现动态控制链置换反应。分子杂交系统的能级会自动趋于稳定,DNA链置换技术正是基于此种特点,通过向系统中加入一定长度和序列的DNA链来诱导或者控制链置换反应,最终释放另一条DNA链。传统的链置换反应体系中,立足点和分支迁移区域是共价连接的,预先暴露的立足点是激活进一步级联反应的先决条件,因此能够动态地控制立足点的产生和移除将是非常有优势的。本研究将具有特异性识别功能的限制性核酸内切酶引入DNA链置换中,作为DNA电路的输入,通过控制立足点的生成和移除设计并实现了多种逻辑门,并构建出多数表决分子电路,具体研究内容如下:研究了基于限制性核酸内切酶的立足点生成和移除机制,以用于后续分子逻辑门的构建。通过合理的DNA序列设计,调整限制性核酸内切酶的切割位点来控制立足点区域的长度,采用聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)的实验方法进行验证,得到最佳的立足点长度为5nt。通过比较不同酶浓度反应体系的实验结果,得出最佳的实验体系浓度为1 μM。设计了基于立足点生成和移除机制的多种逻辑门,并以此为基础搭构建了多数表决电路。利用NUPACK软件仿真进行DNA序列设计,构建出YES门、NOT门、AND门、OR门和NOR门等一系列逻辑门,通过凝胶电泳实验进行湿实验验证,并采用Visual DSD对实验设计进行模拟仿真。与以往的分子逻辑门比较,本文的设计反应迅速,操作简便,具有良好的扩展性,为大规模电路的设计提供了可能性。

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