dna逻辑门构建及其应用论文

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1、摘要分子计算机或者分子水平上的信息处理，相对于传统的以硅为基础的计算机技术，是一种很有发展前途的手段。所以开发一种经济高效的分子逻辑组件是很有必要的。DNA因其具有结构简单、核酸序列可控、能与特定序列互补链杂交以及能特异性的与靶分子(金属离子、小分子、蛋白质)结合的功能特点常常被选作基础材料应用于生物相关的计算机系统。目前人们已实现了一系列基于DNA为功能材料的二进制的逻辑门。本文围绕DNA逻辑门的构建及其应用展开了探索和研究。如以下两个方面所示：1．我们设计了一系列金属离子介导的DNA电化学逻辑门(A

2、ND，NAND，NOR)，并用于逻辑检测H92+与Ag+，利用金属离子Ar能与胞嘧啶．胞嘧啶(c—c)错配发生作用形成C—A．矿一C的复合结构，H92+与胸腺嘧啶一胸腺嘧啶(T-T)不匹配的碱基序列形成T．H92+-T的复合结构的特点，通过巯基修饰的T-／C．碱基的DNA单链与羧基二茂铁(Fc)修饰T．／C一碱基的DNA单链在电极表面的杂交，设计了以H92+、A矿作为输入信号，羧基二茂铁的电化学信号作为输出信号的AND逻辑门。随后，通过A矿与H矿+引发电极表面双链的解离和富含T-／C一碱基DNA单链构象

3、的变化设计了NAND逻辑门。最后，我们首次发现C—Ag*一C和T-H92+-T能引发DNA三链和双链之间的变化的特点，从而利用以上特点我们又设计了NOR逻辑门。因此，以上DNA电化学逻辑门的设计克服了传统光学逻辑门设计复杂，操作繁琐等缺点，具有快速，灵敏，简单，可逆的特点，为金属离子的逻辑检测开发了一种新的检测手段。2．本文利用金属离子酶作为功能性核酸设计了一系列的以比色作为输出信号的DNA比色逻辑门(OR，AND，INHIBIT)，它是利用两种金属离子酶以及剪切的基底构建的，其中，以Pb2+和Cu2+

4、作为输入信号，模拟辣根过氧化酶的DNA酶催化双氧水(H202)氧化TMB显色作为输出信号。接着，我们又利用H矿+与T．T不匹配的碱基序列形成T．H92+．T的复合结构的特点设计了一个H92+、Cu2+和pb2+作为调节信号的三输入信号的AND辑门。首先pb2+_DNA酶，Cu2+_DNA酶分别和它的基底杂交形成双链结构，其基底中分别存在能够被Pb2+酶和Cu2+酶剪切的位点，同时，基底中存在能够形成模拟辣根过氧化酶DNA酶的特征序列。起初，酶与基底之间的杂交形成了双链，阻止基底中的特征序列自组装形成血红

5、素／G一四链体一Hemin模拟辣根过氧化酶的结构。当分别加入Pb2+或cu2+后，使得两种DNA酶分别在其切点切断，由于断裂过程中形成的核酸片段和其DNA酶序列缺乏协同的稳定性，而释放出的含有模拟辣根过氧化酶的DNA酶序列，因此能够在血红素存在的情况下自主装成有生物催化性能的DNA酶从而催化双氧水氧化TMB显色，产生TMB+，也就是说当加入Pb2+，Cu2+或者两者同时存在的时候都可以形成DNA酶。基于上面的OR逻辑门的原理，同样，我们相继设计了AND，INHIBIT和三个输入信号的AND逻辑门。我们能

6、够很容易的用眼睛读出输出信号，对于复杂的输入信号的DNA逻辑器件来说，这是一种经济，简单，安全的设计方法。摘要关键词：分子逻辑门；电化学逻辑门；羧基二茂铁；比色逻辑门；金属离子酶；G一四链体一血红素DNA酶；TMBAbstractMolecularcomputerorinformationprocessingonthemolecularscale，isapromisingsubstituteforthetraditionalsilicon-basedcomputertechnologies，anditi

7、snecessarytoflourishefficientandeconomiclogiccomponentsforitsdevelopment．Sincenucleicacidsexhibitmanyadvantagesthatwouldrivalsiliconbasedcomputationindevelopingbiologicallyrelevantcomputationsystems，suchasstructuralsimplicity，straightforwardsequence—spec

8、ifichybridizationbetweencomplementarystrandsaswellastheabilitytocapturecertaintargetmoleculessuchasmetalions，smallmolecules，andproteinsinahi吐lyspecificmanner．Thusfar,considerableDNAlogicgateshavebeenachievedsuchasAND，OR,XO