基于dna链置换实现的逻辑门(异或门)

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1、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、P

2、CR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

3、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

4、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。1.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

5、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”

6、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，deSilva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

7、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

8、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。