高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于DNA和限制性核酸内切酶的基本逻辑门设计

柳娟 谢文彬 汪改英 汤敏丽

柳娟, 谢文彬, 汪改英, 汤敏丽. 基于DNA和限制性核酸内切酶的基本逻辑门设计[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(6): 1332-1339. doi: 10.11999/JEIT190846
引用本文: 柳娟, 谢文彬, 汪改英, 汤敏丽. 基于DNA和限制性核酸内切酶的基本逻辑门设计[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(6): 1332-1339. doi: 10.11999/JEIT190846
Juan LIU, Wenbin XIE, Gaiying WANG, Minli TANG. Basic Logic Gates Design Based on DNA and Restriction Endonuclease[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(6): 1332-1339. doi: 10.11999/JEIT190846
Citation: Juan LIU, Wenbin XIE, Gaiying WANG, Minli TANG. Basic Logic Gates Design Based on DNA and Restriction Endonuclease[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(6): 1332-1339. doi: 10.11999/JEIT190846

基于DNA和限制性核酸内切酶的基本逻辑门设计

doi: 10.11999/JEIT190846
基金项目: 国家自然科学基金(61772441, 61872309),国家重点研发计划政府间专项(2017YFE0130600)
详细信息
    作者简介:

    柳娟:女,1978年生,副教授,研究方向为计算智能、微纳制造

    谢文彬:男,1994年生,硕士生,研究方向为分子电路设计

    汪改英:女,1993年生,硕士生,研究方向为分子计算、实验验证

    汤敏丽:女,1982年生,博士生,研究方向为计算智能、文字信息处理

    通讯作者:

    柳娟  cecyliu@xmu.edu.cn

  • 中图分类号: TP301

Basic Logic Gates Design Based on DNA and Restriction Endonuclease

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61772441, 61872309), The National Key R&D Program of China (2017YFE0130600)
  • 摘要: 由于DNA分子具有特异性、高并行性、微小性等天然特性,在信息处理过程中展现出了强大的并行计算能力和数据存储能力。该文研究将具有特异性识别功能的限制性核酸内切酶引入DNA链置换反应中,作为DNA电路的输入,通过控制立足点的生成和移除设计了是门、非门和与门3种基本逻辑门。采用Visual DSD对逻辑模型进行模拟仿真,并通过凝胶电泳实验验证设计。与以往的分子逻辑门比较,该设计反应迅速,操作简便,具有良好的扩展性,为大规模电路的设计提供了可能性。
  • 图  1  DNA链置换反应过程

    图  2  立足点生成及移除机制

    图  3  本研究中所用的限制性核酸内切酶识别位点示意图

    图  4  是门原理图设计

    图  5  是门反应网络仿真

    图  6  非门原理图设计

    图  7  非门反应网络仿真

    图  8  与门原理图设计

    图  9  与门反应网络仿真

    图  10  是门反应网络仿真

    图  11  非门反应网络仿真

    图  12  与门反应网络仿真

    表  1  实验所需寡核苷酸序列

    DNA链序列(5’ to 3’)所涉及逻辑门起作用的限制酶
    ATTTTTTTTTTTGATCCGTTCCTTGCAGTTGCTGAGGTGGCCAT非门/
    BTTATGGCCACCTCAGCAACTGCAAGGAACGGATCA非门Nt.BbvCI
    CTGATCCGTTCCTTGCAGTTGCTGAGGT非门/
    PGGCTGCGAGACTCGGTTTTCCGAGTCTCGCAGCCTCAGCAGTTGGATACATCTCAAGC(其中TTTT为环形结构)与门Nt.BsmAI
    XTTTTTTTCAGCCTCAGCAGTTGGATACATCTCAAGCTTTTTTTTTTTTTTT是门、与门Nt.BbvCI
    YGCTTGAGATGTATCCAACTGCTGAGGCTG是门、与门/
    ZCAGCCTCAGCAGTTGGATACATCTCAAGC是门/
    下载: 导出CSV
  • WALDROP M M. The chips are down for Moore’s law[J]. Nature, 2016, 530(7589): 144–147. doi: 10.1038/530144a
    梁静, 李红菊, 赵凤, 等. 一种构造GC常重量DNA码的方法[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(10): 2423–2427. doi: 10.11999/JEIT190070

    LIANG Jing, LI Hongju, ZHAO Feng, et al. A method for constructing GC constant weight DNA codes[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2019, 41(10): 2423–2427. doi: 10.11999/JEIT190070
    李歆昊, 张旻. 基于人工免疫的链路层协议帧同步字识别[J]. 电子与信息学报, 2017, 39(3): 561–567. doi: 10.11999/JEIT160476

    LI Xinhao and ZHANG Min. Frame synchronization word identification of link layer protocol based on artificial immune[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2017, 39(3): 561–567. doi: 10.11999/JEIT160476
    BONNET J, YIN P, ORTIZ M E, et al. Amplifying genetic logic gates[J]. Science, 2013, 340(6132): 599–603. doi: 10.1126/science.1232758
    CHATTERJEE G, DALCHAU N, MUSCAT R A, et al. A spatially localized architecture for fast and modular DNA computing[J]. Nature Nanotechnology, 2017, 12(9): 920–927. doi: 10.1038/nnano.2017.127
    WEINBERG B H, PHAM N T H, CARABALLO L D, et al. Large-scale design of robust genetic circuits with multiple inputs and outputs for mammalian cells[J]. Nature Biotechnology, 2017, 35(5): 453–462. doi: 10.1038/nbt.3805
    GARG S, SHAH S, BUI H, et al. Renewable time-responsive DNA circuits[J]. Small, 2018, 14(33): 1801470. doi: 10.1002/smll.201801470
    张成, 杨静, 王淑栋. DNA计算中荧光技术的应用及其发展[J]. 计算机学报, 2009, 32(12): 2300–2310. doi: 10.3724/SP.J.1016.2009.02300

    ZHANG Cheng, YANG Jing, and WANG Shudong. Development and application of fluorescence technology in DNA computing[J]. Chinese Journal of Computers, 2009, 32(12): 2300–2310. doi: 10.3724/SP.J.1016.2009.02300
    张川, 钟志伟, 庄雨辰, 等. 面向组合逻辑的DNA计算[J]. 中国科学: 信息科学, 2019, 49(7): 819–837. doi: 10.1360/N112019-00007

    ZHANG Chuan, ZHONG Zhiwei, ZHUANG Yuchen, et al. DNA computing for combinational logic[J]. Scientia Sinica Informationis, 2019, 49(7): 819–837. doi: 10.1360/N112019-00007
    YURKE B, TURBERFIELD A J, MILLS JR A P, et al. A DNA-fuelled molecular machine made of DNA[J]. Nature, 2000, 406(6796): 605–608. doi: 10.1038/35020524
    LI Wei, ZHANG Fei, YAN Hao, et al. DNA based arithmetic function: A half adder based on DNA strand displacement[J]. Nanoscale, 2016, 8(6): 3775–3784. doi: 10.1039/C5NR08497K
    ZHANG Tianchi, SHANG Chunli, DUAN Ruixue, et al. Polar organic solvents accelerate the rate of DNA strand replacement reaction[J]. The Analyst, 2015, 140(6): 2023–2028. doi: 10.1039/C4AN02302A
    YANG Xiaolong, TANG Yanan, TRAYNOR S M, et al. Regulation of DNA strand displacement using an allosteric DNA toehold[J]. Journal of the American Chemical Society, 2016, 138(42): 14076–14082. doi: 10.1021/jacs.6b08794
    张文逸, 殷志祥. 基于DNA链置换的分子逻辑门计算模型[J]. 安徽理工大学学报: 自然科学版, 2015, 35(1): 7–10, 34. doi: 10.3969/j.issn.1672-1098.2015.01.002

    ZHANG Wenyi and YIN Zhixiang. Calculation model of molecular logic gates based on DNA strand displacement[J]. Journal of Anhui University of Science and Technology:Natural Science, 2015, 35(1): 7–10, 34. doi: 10.3969/j.issn.1672-1098.2015.01.002
    PAN Linqiang, WANG Zhiyu, LI Yifan, et al. Nicking enzyme-controlled toehold regulation for DNA logic circuits[J]. Nanoscale, 2017, 9(46): 18223–18228. doi: 10.1039/C7NR06484E
    苏晨, 吉邢虎, 何治柯. 核酸工具酶辅助的信号放大技术在生物分子检测中的应用[J]. 分析科学学报, 2016, 32(2): 273–281. doi: 10.13526/j.issn.1006-6144.2016.02.026

    SU Chen, JI Xinghu, and HE Zhike. Enzyme assisted signal amplification and its applications in biomolecule detection[J]. Journal of Analytical Science, 2016, 32(2): 273–281. doi: 10.13526/j.issn.1006-6144.2016.02.026
    LAKIN M R, YOUSSEF S, POLO F, et al. Visual DSD: A design and analysis tool for DNA strand displacement systems[J]. Bioinformatics, 2011, 27(22): 3211–3213. doi: 10.1093/bioinformatics/btr543
    SPACCASASSI C, LAKIN M R, and PHILLIPS A. A logic programming language for computational nucleic acid devices[J]. ACS Synthetic Biology, 2019, 8(7): 1530–1547. doi: 10.1021/acssynbio.8b00229
    李娜, 丁宝全, 颜颢. DNA纳米技术与生物编程[J]. 中国科学院院刊, 2014, 29(1): 55–69.

    LI Na, DING Baoquan, and YAN Hao. DNA nanotechnology and bio-programming[J]. Bulletin of the Chinese Academy of Sciences, 2014, 29(1): 55–69.
  • 加载中
图(12) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  2448
  • HTML全文浏览量:  1134
  • PDF下载量:  92
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-01
  • 修回日期:  2020-04-24
  • 网络出版日期:  2020-05-13
  • 刊出日期:  2020-06-22

目录

    /

    返回文章
    返回