[发明专利]基于DNA纳米三脚架调控荧光小分子与氧化石墨烯相互作用的分子逻辑门及其构建方法

说明书

本发明公开了一种基于DNA纳米三脚架调控荧光小分子与氧化石墨烯相互作用的分子逻辑门及其构建方法。自组装的DNA纳米三脚架中，一条中心链通过三条边链部分杂交形成中心三角形，三条边链的剩余部分延伸形成单链DNA腿作为信号接收链，中心链负载荧光基团ROX。信号接收链在未与信号输入链杂交时吸附于氧化石墨烯表面，信号接收链在与信号输入链杂交变成双链后从氧化石墨烯表面解吸附。本发明通过组合输入不同信号输入链调节DNA纳米三脚架与氧化石墨烯的亲和性，使DNA纳米三脚架在氧化石墨烯表面的构型状态不同，从而调控其负载的荧光基团ROX与氧化石墨烯的相互作用，产生不同的荧光信号，实现了多种分子逻辑门构建。

技术领域

本发明属于分子计算机技术领域，具体涉及一种基于DNA纳米三脚架调控荧光小分子与氧化石墨烯相互作用的分子逻辑门及其构建方法。

背景技术

在现代电子计算机中，电子逻辑门是集成电路的基本组件。分子逻辑门与电子逻辑门具有相似性，通过合适的设计，布尔逻辑运算规则同样可应用于分子反应体系，实现输入信号到输出信号的转换。分子逻辑门可将化学、生物以及物理的输入信号转变成一定的输出信号，因此，分子逻辑门是构建分子计算机的基础。构建分子逻辑运算体系，利用化学或者生化反应模拟电子电路系统进行逻辑运算，在分子水平上实现信息处理，是计算机科学、化学以及生物学相结合而发展起来的新兴研究领域。在当前技术水平，利用分子逻辑运算体系构建纳米尺度的智能分子器件，用于化学、生物传感，阐释生命现象，医学诊断治疗，甚至生物过程的智能调控已经变得可能。

近些年来，人们利用DNA纳米技术开发出了大量结构可控、位置可寻址的 DNA自组装纳米结构。DNA与天然或合成分子的相互作用可控、可设计，因此，纳米结构在三维排布功能基团，作为模具铸造具有任意指定三维结构的无机纳米材料，封装和释放药物、蛋白质和纳米材料，以及对封装的客体分子赋予新的性质等方面都展现出极大的潜能。最近，一些研究报道结构紧凑的自组装DNA 纳米结构易于被细胞摄取，而且，相比于简单的DNA单链和双链，DNA纳米结构在生理条件下更稳定。这些独特性质为使用DNA纳米结构作为载体，将多种功能元件按照一定比例载入细胞，并在胞内协同执行它们的功能提供了基础。因此，把DNA纳米结构引入DNA逻辑电路将会为设计在体内能分析多种量测信号并做出适当响应的智能体系提供一般性的平台，例如DNA纳米载体，能按照需要以一种刺激响应型的方式执行靶向输送任务并智能控制装载物的释放。因此，将DNA纳米结构用于分子逻辑电路的构建引起了广泛研究兴趣。

现有的DNA逻辑门体系，大多数是基于简单的DNA纳米结构，如DNA 双链、发夹结构、DNA交叉结构等构建的。这样的设计方法导致功能元件缺乏通用性，使得构建出的逻辑器件结构分散，电路冗杂，阻碍了基本逻辑门级联成多级复杂逻辑电路，增加了构建逻辑门的成本。采用集成设计策略，利用自组装DNA纳米结构可将多个功能元件组装于一体，可增强其通用性，构建多种不同逻辑门，极大地简化分子逻辑门的设计和运行。

发明内容

本发明的目的是，利用DNA自组装纳米技术将多个功能元件组装于一体并与氧化石墨烯结合，构建一个通用型的分子平台用于多种分子逻辑门的设计。

为解决其技术问题，本发明采用的技术方案是利用DNA纳米技术组装了一个DNA纳米三脚架(DNA nanotripod)，并将其作为支架在纳米尺度上调控其负载的荧光基团ROX与氧化石墨烯的相互作用，如图1所示，实现多种分子逻辑门的构建。具体包括：

一、一种基于DNA纳米三脚架调控荧光小分子与氧化石墨烯相互作用的分子逻辑门：