结合荧光标记的DNA链置换技术实现DNA逻辑门---非门，异或门1.引言计算机技术被认为是20世纪三大科学革命之一，电子计算机为社会的发展起到了巨大的促进作用，但是量子物理学已经成功的预测出芯片微处理能力的增长不能长期地保持下去。

基于这一原因，科学家们正在寻找其他全新的计算机结构，例如人工神经网络计算机、量子计算机、光学计算机等及DNA计算机。

1994年，美国加利福尼亚大学的Adleman博士提出利用DNA(脱氧核糖核酸)对一个图论中的NP．完全问题．有向图的Hamilton路问题进行编码，借助连接、变性、复性、PCR扩增、电泳等生物操作可以求解出这一问题。

这一研究成果引起了数学、物理、化学以及生物界科学家们的广泛关注，也开辟了DNA计算的新纪元。

随后许多有关专家纷纷探讨并研究了DNA计算乃至DNA计算机的可行性。

这无疑是一个极具开发价值的研究领域。

具体原因如下：DNA计算具有高度的并行性，运算速度快，一周的运算量相当于所有电子计算机从问世以来的总运算量。

(1)DNA作为信息的载体其储存的容量非常之大，1m3的DNA溶液可存储的二进制数据，远远超过当前全球所有电子计算机的总存储量。

(2)DNA计算机所消耗的能量只占一台电子计算机完成同样计算所消耗的能量的十亿分之一。

(3)DNA分子的资源很丰富。

总之，DNA计算机的出现将会给人类文明带来一个质的飞跃，给全球带来巨大的改变。

就DNA计算机的上述优点及应用前景吸引了不同学科、不同领域的很多科学家，尤其是计算机科学家、生物学、化学、数学、物理和工程等领域的科学家。

2.DNA计算的基本思想DNA计算是一种以DNA为主及其相关的生物酶等作为最基本的原料、基于某些生化反应原理的一种新型的分子生物计算方法。

DNA计算的基本思想是：利用DNA 特殊的双螺旋结构和碱基互补配对原则进行信息编码，把要运算的对象映射成DNA分子链，在生物酶的催化作用下，生成各种数据池，然后按照一定的原则将原始问题的数据运算高度并行的映射成DNA分子链的可控的生化反应过程。

最后，利用分子生物技术如聚合链反应PCR、超声波降解、亲和层析、克隆、诱变、分子纯化、电泳、磁珠分离等，检测所需要的运算结果。

在DNA计算的基础上，人们的研究开始分化开来，不仅仅局限于“运算”方面，近年来有不少科学家从最简便的布尔运算入手，利用DNA计算实现了部分逻辑门。

3.计算机及分子逻辑门及DNA链置换的介绍在2l世纪的高科技时代，计算机已经成为人们工作、生活不可缺少的一部分。

而一台电子计算机的内部实际上是由许许多多的数字电路组成，而数字电路可以看作是用电子器件实现的逻辑门网络。

逻辑门可执行一个或多个逻辑输入的逻辑运算，并产生一个逻辑输出。

逻辑操作遵循布尔逻辑，这样的逻辑门就称为布尔逻辑门。

所以设计逻辑门就成为设计数字电路甚至计算机的关键步骤。

逻辑门是集成电路上的基本组件，是实现运算和逻辑操作的基础。

简单的逻辑门可由晶体管组成，这些晶体管的组合可以使代表两种信号的高低电平在通过它们之后产生高电平或低电平的信号。

高、低电平可以分别代表逻辑上的“真”和“假”或者二进制当中的“1”和“0”，从而实现逻辑运算。

与数字电路中的逻辑门概念类似，分子逻辑门是对分子或超分子实施两个或两个以上的复杂操作，得到相应的逻辑信号，适用于“0”和“l”二进制的布尔逻辑运算，从而达到数字运算的目的。

1993年，de Silva与其合作者首次把逻辑门概念引入分子与超分子体系，构建了第一个最简单的逻辑与门。

从那以后，各种各样的分子逻辑门与门、或门、异或门(XOR)、或非门(NOR)、与非门(NAND}、异或非门(XNOR)和禁止门(INHIBIT)等的不断涌现，并且越来越复杂，研究越来越热。

令人兴奋的是，越来越多的基于化学体系构建的具有组合功能的复杂逻辑门也不断呈现，如半加法器、半减法器、全加法器和分子密码键盘等，使得人们对于构建分子逻辑门的发展和应用无限憧憬。

分子逻辑门经常使用的输入信号包含光、电、热、磁、机械和化学反应现象等，而经常使用的输出信号往往主要是光信号、电信号以及磁信号等，与传统的半导体无机电子器件操作原理完全不同，分子逻辑器件主要是利用化学体系中分子在外界刺激下发生的酸碱反应、构象变化、光诱导电子、质子和能量转移变换、光诱导的异构化、氧化还原反应和各种超分子化学反应来完成逻辑运算的。

其中，分子开关是分子逻辑门的结构单元，是建立在分子水平上的可逆过程，外界条件的触发改变使分子的结构或构型发生改变，从而表现出信号的变化。

随着人们对微观世界认识的不断深入，纳米技术和分子技术的研究取得了卓越的成绩，人们对分子、离子进行调控，构建了一大批分子开关应用于生物分析检测。

分子逻辑门的应用主要在逻辑运算，用于构建分子整流器、分子导线、分子晶体管、分子开关、分子机器以及分子逻辑器件等。

通常，分子逻辑门对输入的物理或化学信号进行相应的物理或化学信号输出。

所以，很多材料如DNA、RNA、蛋白质和其它有机分子均可用于构建分子逻辑门，这种逻辑门具备的生物化学信息也可以应用于生物化学分子的检测以及结构功能的调控。

DNA链置换是应用DNA分子单链间的粘贴互补，通过加入DNA链来释放另一条链(如图1)。

这种技术具有白发性，灵敏度高和准确性等优点。

近年来在Science 等杂志上都发表了大量的文章，在生物检测领域也具有广泛的应用前景。

近年来，DNA计算发展迅速，特别是在DNA分子自组装，DNA纳米装置等方面。

但是随着DNA计算解决问题的规模增大及DNA分子数量在求解过程中急剧增加以及DNA分子结构复杂性的加大，求解过程中实验过程繁琐且存在误差，导致DNA 计算中解的标记与检测变得更加困难。

在解决难题中，DNA计算中的荧光技术逐步获得了普遍的使用。

荧光是指某种常温物质受到某种波长的入射光激发后，其原子中的电子被激发到较高能级产生的发射光。

而且一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。

具有这种性质的出射光就被称之为荧光。

近年来DNA荧光技术在生物学领域中已经有很多应用，如分子信标等技术,rael-time检测技术，DNA荧光标记等。

荧光标记DNA简单便捷，并且可以实时检测，灵敏度也非常高，这些特点都使得其在DNA计算中具有广泛的应用前景。

本文在前人研究的基础上，利用链置换、荧光标记、分子信标等技术，迸一步研究和解决DNA分子逻辑门，将DNA链置换和分子信标、荧光标记相结合来实现逻辑门的非门和异或门。

4.分子信标与DNA链置换相结合实现的逻辑门4.1、自组装DNA计算中的分子结构分子信标是一种由寡聚核苷酸形成的发夹型分子，基本结构如图2。

它包括一个环和一个干结构，其中环由与靶细胞互补的核酸碱基序列组成，一般有15～20个碱基；干为两列互补的碱基序列，一般有5～7个碱基对。

反应原理如图3所示。

4.2、分子信标与DNA链置换以及粘贴模型相结合实现NOT逻辑门NOT逻辑门真值表实现NOT逻辑门的设计想法和实现步骤：(1)先制备已有物质，即分子信标与靶细胞发生退火反应生成物如图4所示：(2)当无分子信标输入时，有荧光可见。

如图4所示。

(3)当输入分子信标时，两个互补的分子信标发生链置换反应。

如图5所示：在上述的分子信标链置换反应中，当无分子信标输入时，由于已有的分子信标与靶细胞发生退火反应，所以有荧光显现(图4)。

当输入分子信标时，它置换了已发生构象的分子信标，此两个分子信标结合的方向是带荧光的那端与原分子信标猝灭基团那端互补，因此当反应完全后，恰好荧光基团与猝灭基团靠的比较近，恰好猝灭了分子信标的荧光。

所以结果无荧光现象(图5)所示。

4.3、分子信标与DNA链置换以及粘贴模型相结合实现XOR逻辑门异或门真值表用DNA链置换及分子信标实现异或门的真值表如下(“+”代表输入分子信标A或者输入分子信标B，“一”代表无分子信标输入)设计特殊分子信标（1）设计特殊分子信标A和分子信标B(如图6)，使分子信标A与分子信标B的环和干碱基分别互补。

且互补的长度大于靶细胞与分子信标互补的长度。

（2）设计特殊的靶细胞(图7)，此靶细胞是含有两个粘贴位串的单链DNA分子，两个位串可以与两个分子信标的环部发生退火反应。

（3）实现异或门逻辑门的设计过程如下：当无分子信标输入时，原试剂里只有一条单链的DNA分子(如图8)，即靶细胞存在。

则无荧光显现如图8。

当输入分子信标A时，它与靶分子上的左侧粘贴位串发生退火反应，因此分子信标A由于和靶细胞的左侧位串发生退火反应而发生构象变化，干部的荧光部分和猝灭部分分开，从而有荧光现象，反应过程如图9。

当输入分子信标B时，它与靶细胞上的右边的相应位串的位元发生退火反应，因此分子信标B也发生构象变化，干部的荧光基团被迫和猝灭基团分开，从而荧光基团的荧光得以恢复，反应过程如图10。

当同时输入分子信标A和分子信标B时，由于分子信标A和分子信标B的干部和环部分别碱基互补，而且它们的碱基互补长度大于分子信标A(或B)与靶细胞的碱基互补长度，互补的方向是分子信标的荧光基团与猝灭基团靠近，从而荧光被猝灭基团所猝灭，所以当同时输入分子信标A和B时，无荧光显现，如图11所示。

在上述实现异或门的设计中，我们很容易操作和观察异或门实现的过程。

它具有很好可观察性和易控制性。

小结本章在前人的基础上运用DNA自组装和DNA链置换两种计算方法实现了逻辑非门和逻辑异或门，此两种逻辑门的实现过程易于操作，易于观察。

使DNA的计算方法很好的结合在一起，也很好的解决逻辑门的计算。

因为计算机离不开逻辑门，而DNA计算又是新兴的一种解决硅计算机瓶颈的一种方法。

所以DNA逻辑门的实现很是关键。

这章的内容可行性很高。

但是也有不足的地方，比如要设计特殊的分子信标，这样给模型带来了一定的困难，还需要进一步研究和改进。

注：本文出自2014年6月4日，安徽理工大，DNA计算在逻辑门中的应用。