[发明专利]基于DNA发夹结构的与门、非门、异或和半减器分子电路

说明书

本发明涉及一种基于DNA发夹结构的与门、非门、异或和半减器分子电路，属于生物计算机技术领域。本发明利用DNA单发夹结构、双发夹结构和双向链置换反应的原理设计了以常规小支点为识别区域的链置换反应结构，实现了对与门、非门和异或门基本逻辑运算结构的构造，同时进行了全局性仿真论证。随后使用基本逻辑电路进行组合设计半减器电路，并对该电路的可行性进行了论证性仿真。

技术领域

本发明涉及一种基于DNA发夹结构的与门、非门、异或和半减器分子电路，属于生物计算机技术领域。

背景技术

DNA计算因具有高存储、高并行、低耗能等优势迅速成为当前信息处理的热门研究领域。近年来，很多DNA计算模型被陆续提出，如：应用于大规模计算模型的DNA链置换反应，DNA发夹结构和逻辑门电路等。这些为解决哈密尔顿、最大团和连通性等问题提供了新的思路与视角。而在构建基本的逻辑门电路(与门、或门、非门)时，逻辑非门的构造成了构造逻辑电路的难点。同时，在实施复杂的线位移装置时，良好的混合设置和可扩展性也已成为构造DNA逻辑门时不可忽视的问题。

逻辑门是执行复杂操作的抽象布尔代数的基本构件，其运算关系为：当外部输入一个或多个触发信号时可返回单个输出信号的过程。例如逻辑与门和逻辑异或门的输出为1和0时完全取决于它们的逻辑输入是否全部为1。另外，在执行DNA逻辑运算时，可以把荧光共振能量的转移作为读取输出信号的工具。在荧光能量转移过程中：当荧光分子与猝灭分子之间的距离小于时，荧光分子发出的信号光会逐渐衰减，此时可定义为该逻辑操作下的逻辑输出值为零“0”。反之，当检测到荧光信号逐渐增强时，该逻辑操作下的逻辑输出值为“1”。

DNA发夹结构是指自身通过碱基互补配对原则形成了一个包括无法被激活的单链圆环和双链的特殊结构。通过加入与发夹结构中暴露的小支点进行互补杂交的单链，促使茎环的打开，激活圆环结构中的DNA碱基片段，之后使其可以与其他DNA单链或者双链结构进行下一步的反应。本发明中的DNA分子均采用如下方式表达，如图1所示，DNA单链分子采用<s a₀>进行表示，<s a₀>表示包含有碱基片段s和a₀构成的DNA单链分子，且方向是由s到a₀；图1最左边的包含发夹结构的单链DNA分子采用<a₀*s*y s>表示，其中发夹结构的茎环为碱基片段y，s与s*碱基互补配对，方向是由a₀*到s。向含有DNA发夹结构<a₀*s*y s>的溶液中加入单链<s a₀>，此时<s a₀>中的a₀与发夹结构中的a₀*进行标识区域识别，置换下碱基片段s，形成稳固的DNA双链结构，并在其末端存在游离的单链s和y。此时DNA发夹结构被打开后，圆环中的碱基片段y被激活，随后该结构可以以y为小支点与含有y*的识别区域进行结合，为下一步置换反应提供了可能性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于DNA发夹结构的与门分子电路，以提高分子电路的可扩展性，同时，本发明还提供了一种基于DNA发夹结构的非门、异或和半减器分子电路。

本发明为解决上述技术问题而提供一种基于DNA发夹结构的与门分子电路，该分子电路包括：

第一输入分子(M)：为单链<3 2 1>；

第二输入分子(Y)：为单链<9*11*13>；

第一逻辑与门分子(H)：为单链<8*14*9*>与单链<11*10 11 9 14>形成的发夹结构组合体，10为茎环，14与14*碱基互补配对，11*与11碱基互补配对，9*与9碱基互补配对；