[发明专利]基于Mg2+

说明书

本发明公开了基于Mgsupgt;2+/supgt;调控的E6型核酶识别臂驱动DNA电路的方法，其具体为：在Mgsupgt;2+/supgt;的控制下，E6型核酶的构象发生变化，被碱基分隔在两端的识别臂可以实现连续的DNA链的功能，与带有toehold的DNA双链底物杂交，进行链置换反应，从而输出信号。首先，使用Mgsupgt;2+/supgt;作为开关，利用E6型核酶识别臂的变构建立基本的DNA逻辑门。其次，将逻辑门进行组合级联，构建双层级联电路。最后，对双层级联电路进行优化改进，设计DNA自催化电路。该方法拓展了E6型核酶的功能，优化了其在逻辑计算中产生信号的速度。本发明为实现更复杂的逻辑计算提供了新思路，并为检测和生物传感探索了新的方向。

技术领域

本发明涉及DNA计算领域，具体涉及一种基于DNA链置换和DNA核酶技术的DNA分子逻辑电路及其构建方法。

背景技术

由于DNA分子独特的可编程性和并行性，使得DNA计算在纳米技术领域中占有重要地位。而各种逻辑运算器件在DNA计算有很大的应用潜力。DNA核酶的出现使得逻辑运算领域的成果更加多样。由于DNA核酶具有高度特异性和催化效能，通常作为DNA链切割工具参与DNA计算反应，为DNA计算领域提供了技术支持。目前，DNA核酶参与构建了各种逻辑电路，包括逻辑运算电路，组合级联电路，反馈电路和催化循环电路等，实现不同复杂性的分子信息处理。

在常见的DNA核酶参与构建的逻辑电路中，DNA核酶的作用是切割特定的且由RNA修饰的DNA单链来完成信号的产生和传输，其反应条件繁琐，功能单一。

发明内容

为了简化反应条件，拓展DNA核酶在电路中的功能，采用更直接的方法来实现信号输送，在Mg²⁺的控制下，E6型核酶的构象发生变化，被碱基分隔在两端的识别臂可以实现连续DNA链的功能，与带有toehold的DNA双链底物杂交，进行链置换反应，从而输出信号，这改善了依赖DNA核酶切割产生输出信号的单一模式，同时优化了信号传递的效率。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：基于Mg²⁺调控的E6型核酶识别臂驱动DNA电路的方法，其具体实现步骤为：

首先，基于在Mg²⁺的控制下，使E6型核酶的构象发生变化，被碱基分隔在两端的识别臂变得连续，实现对E6型核酶功能的调控，如图2所示。

然后，根据具体DNA逻辑门的输入与输出特点，对特异性底物进行结构调整，构造具体的DNA逻辑门，此处给出3个基本DNA逻辑门的构造方法；YES逻辑门为E6型核酶识别臂构象变化计算原理的直接应用，在Mg²⁺的作用下，识别臂t和d变得连续，与特异性双链底物d0/t*d*发生杂交，以t*为基板结合，最终释放出荧光修饰的链d0；无Mg²⁺存在时，E6型核酶不会发生构象变化，识别臂t和d无法相遇，反应不能进行，具体的实现步骤如图3A所示；对比YES逻辑门，OR逻辑门将特异性底物的toehold进行了改进，使底物两端都有E6型核酶识别臂的结合位点，输入链E10和E20能分别从特异性底物d0/t*d*b*的两端置换链d0，实现信号传递；无Mg²⁺存在时，E6型核酶不会发生构象变化，反应不能进行，计算过程如图4A所示；在OR逻辑门的基础上，延长特异性底物，来实现AND逻辑门运算。输入信号为E1和E2，特异性底物d1d2/t1*d1*d2*t2*只有在两输入都存在的情况下，与输入链杂交释放出荧光信号链d1d2；无Mg²⁺存在时，E1和E2无法完成置换过程，如图5A所示。