基于DNA分子的逻辑门与计算机

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1、基于 DNA 分子的逻辑门与计算机洋1宋世平2樊春海2俞(1 . 上海科技管理干部学院电子信息系 ,上海 201800 ; 2 . 中国科学院上海应用物理研究所 ,上海 201800)摘 要 :本文对基于 DNA 分子的逻辑门与计算机研究进行了综述 。DNA 逻辑门与 DNA 计算机是目前非常活跃的研究领域 ,有可能解决电子计算机发展的瓶颈问题 。本文从 DNA 逻辑门的分子基础 、DNA 逻辑门和 DNA 计算 机等几个方面进行了介绍 ,并且对可能的发展方向作了一些预期 。关键词 :DNA 逻辑门 计算机 核酶 分子杂交Logic Gates and Computers Ba sed on

2、D NA MoleculesY U Yang1SO NG Shiping2FA N Chun ha i2(1 . Elect ro n Info r matio n Depart ment , Shanghai Instit ute of Science & Technology Management ,Shanghai 201800 ;2 . Shanghai Instit ute of Applied Physics ,CA S ,Shanghai 201800)Abstract :In t his paper , t he DNA2based logic gates and co mp

3、uters were reviewed. DNA logic gates and DNA co mp uters are very active research areas at p resent , which may break t hrough t he bot tle2neck of elect ro nic co mp uters in t he f ut ure. The molecular basis of DNA logic gates , DNA logic gates and DNA co mp uters were int roduced in t his paper

4、, and possiblef ut ure directio ns were also p redicted.Key words :DNA , logic gates , co mp uter , ribozyme , molecular hybridizatio n引言电子计算机在很大程度上改变了人类的生活方 式 ,成为人类进入信息化时代的关键性技术进步之 一 。然而传统的集成电路工艺已经面临了严峻的挑 战 ,集成电路的发展已经越来越接近技术所能容许 的极限 ,即电路线宽在 0 . 1 微米以下将达到仅有单 个分子大小的物理学极限 。而人工智能的实现取决 于计算机电路的密度和复杂性 ,基于

5、此项原因 ,目前 以半导体技术为基础的电子电路将难以产生真正的 认知能力 。而生物计算机的诞生和发展无疑对人工 智能的研究提供了一个可能的选择 。生物计算机是 一种用生物分子元件组装成的具有并行数据处理 、 三维存储器和神经网络等特征的智能化计算机 ,主 要有蛋白质计算机和 DNA 计算机 ,其中 DNA 计算 机目前的研究较多 。分子运算是实现 DNA 计算机 的关键 。在传统的电子计算机设计中 ,微处理器应 用基本逻辑门 (与 、或 、非等) 构建能够执行布尔数学 逻辑的电子电路 。与此类似 ,在分子运算中一个主 要的目标就是设计出可寻址的分子逻辑门 。目前 , 在基于电子学的分子计算机中

6、 ,人们可以应用无机 或有机材料构建纳米级的电子逻辑门 ; 在基于化学 的电子计算机中 ,也有方法应用分子或超分子系统构建光学逻辑门 。这些逻辑门具有共同的输入输出信号 (电子和光) ,因而较易实现逻辑门之间的连接 , 从而可以构造分子电路 。而逻辑门之间的连接在基 于 DNA 的 生 物 计 算 机 中 则 是 一 个 相 对 较 难 的 问 题 。下面将对基于 DNA 分子的逻辑门设计 、逻辑门之间的连接和一些基于 DNA 分子的计算机雏形作一介绍 。DNA 逻辑门的物质基础DNA (脱氧核糖核酸) 是生物遗传的物质基础 。 DNA 由四种碱基 ( A 、T 、G 和 C) 组合而成 ,

7、并通过 碱基的排列组合存储生物遗传信息 。DNA 的一个 重要特性是 DNA 链可以通过碱基互补配对作用形 成杂合的双链双螺旋结构 ,而且配对具有高度的特 异性 ,即 A 只能与 T , G 只能与 C 结合 。这种特异 性作用是 DNA 可用于构建逻辑门的基础之一 。与 DNA 不同 ,在生物体内 RNA ( 核糖核酸) 是 以单链形式存在的 ,而且往往通过链内的碱基配对 形成一定的三维结构 ,并发挥特定的生理功能 。与 此类似 ,除了 DNA 双链结构可以用于 DNA 逻辑门 的构建以外 ,特定的核酸结构也是非常有用的构造 元件 。核酶 ( Ribozyme) 和核酸配体 ( Ap tam

8、er) 是现 在受到广泛关注的核酸结构 ,它们可为 DNA ,也可1第 23 页w w w . globesci . com世界科技研究与发展专题 :生物工程2006 年 2 月以为 RNA , 或者 DNA 和 RNA 的 杂 合 体 。核 酶 是80 年代初期发现的具有催化功能的核酸分子 ,具有 高度专一内切核酸酶的活性 。与常见的蛋白质组成的酶相似 ,核酶能加速细胞内的化学反应 。经过科 学家十多年的研究 ,核酶已发展成为一项广泛应用 于健康和疾病预防中的新型技术 ,显示出了广阔的 应用前景 。核酸配体则是完全由人工体外筛选产生 的概念 。受组合化学 、抗体库和随机噬菌体肽库技术的启发

9、, Gold 等于 1990 年构建了随机核酸库并 从中筛选出与靶蛋白特异结合的核酸配体 ,这种方 法被 命 名 为 SEL EX 技 术 ( Systematic Evolutio n of Ligands by Expo nential Enrichment 指数富集的配体 系统进化) 1 3 。其基本原理就是利用分子生物学技术构建人工合成的约 20 40bp 单链随机寡核苷 酸文库 ,其容量在 10141015 之间 。由于单链随机 寡核苷 酸 片 段 特 别 是 RNA 易 形 成 发 卡 、口 袋 、假 节 、G2四聚体等二级结构 ,能与蛋白质 、核酸 、小肽 、 氨基酸 、有机物

10、,甚至金属离子结合 ,形成具有特异性识别作用的复合物 。利用这一原理 ,将随机寡核 苷酸文库与抗原或药物等靶分子相互作用 ,洗脱筛 选出特异的核酸配体 ,经 R T2PCR 及体外转录生成 新的次一级文库 ,再与靶物质结合 。反复数个循环 , 即可筛选出能与靶物质特异结合的寡核苷酸片段 。理论上 ,利用 SEL EX 技术人们可以筛选出针对任 意靶物质的配体 ,并应用于临床治疗和诊断等领域 。 目前核 酶 已 经 被 广 泛 应 用 到 DNA 逻 辑 门 的 研 制 中 ,而核酸配体的应用还未见报道 ,然而可以预期随 着研究的深入 ,由于核酸配体的多样性和复杂性 ,可 能在 DNA 逻辑门研

11、究中发挥越来越重要的作用 。素发生很好的 FR E T ,从而激发荧光素发出 520 nm的荧光 。输出被 定 义 为 在 350 nm 激 发 时 520 nm处的荧光强度 。因此在输入 1 和输入 2 均不存在 时 ,由于只有荧光素存在且不能被 350 nm 的光激发 ,输 出 为 0 ; 在 仅 有 输 入 1 存 在 时 , 仍 然 不 存 在Hoechst 33342 ,输出也为 0 ; 在仅有输入 2 存在时 , 由于 DNA 是单链 ,而 Hoechst 33342 只能与双链结 合 ,所以 DNA 上标记的荧光素与 Hoechst 33342 之间也不能发生很好的 FR E T

12、 ,输出仍为 0 ; 只有当输 入 1 和输入 2 都存在时 ,DNA 片断 1 和片断 2 发生 配对形成双链 , Hoechst 33342 与双链的小沟区域结 合 ,因 而 靠 近 片 断 1 上 标 记 的 荧 光 素 , 可 以 通 过 FR E T 激发荧 光 素 的 荧 光 , 使 之 发 出 520 nm 的 荧光 ,产生输出 1 。由此可以看出 ,这种组合方式完全 符合“与门”AND 的条件 ,即当且仅当两个输入都存 在时输出才为 1 。NAND 是 与 门 与 非 门 的 结 合 , 在 电 子 逻 辑 门 中 ,AND 门的输出被送到一个反转器 , 使所有的 0输出 变

13、成 1 , 1 输 出 变 成 0 。 Ghadiri 等 , 设 计 的 NAND 门是将 AND 门中的输入 2 从 Hoechst 33342 改为溴乙啶 ( EB) ,并将输出从 350 nm 激发改为适 合荧光素激发的 490 nm 。EB 是一种 DNA 插入剂 , 且在插入状态可以猝灭荧光素的荧光 。因此 ,在输入 1 (互补链 2) 和 2 ( EB) 都不存在或只有输入 1 存 在时 ,荧光素可以被激发并发出 520 nm 处的荧光 , 产生输出 1 ; 如果只有输入 2 ,由于 EB 不能插入单 链 ,荧光素仍然能够发出荧光 ,输出 1 ;而如果输入 1 和 2 均存在 ,

14、DNA 双链结构形成 ,使 EB 插入并猝灭 荧光素的荧光 ,这时的输出就变成了 0 。为了展示这种 DNA 逻辑门可以用来排布成逻 辑电 路 , Ghadiri 等 设 计 了 IN H IB I T 门 , 即 将 AND 和 NAND 结合起来 ,产生一个逻辑门的输出传递到 下一个逻辑门作为输入 。IN H IB I T 门的基本元件 仍然为 3端标记有荧光素的 16 碱基的 DNA 片断1 ;输入 1 为互补链 2 ;输入 2 为 Hoechst 33342 ;输入3 为 EB ;输出为 350 nm 激发时产生的 520 nm 处的 荧光强度 。IN H IB I T 定义为在输入

15、3 存在时 ,不管 其它输入是否存在 ,输出值均为 0 。因此 ,在输入 3EB 不存在时 , IN H IB I T 门简化为 AND 门 , 即当且仅当输入 1 和 2 存在时可以观察到 520 nm 处的荧 光 ;当 EB 存在时 ,由于其荧光猝灭作用 ,即使输入 1 和 2 产生了荧光也可以被猝灭 ,因此输出永远为 0 。 从以上 结 果 可 以 看 出 , 基 于 这 些 简 单 的 DNA基于 DNA 分子杂交过程的逻辑门美国 Scripp s 研究所的 Ghadiri 等在 2003 年提 出了通过荧光标记的 DNA 分子构建分子逻辑门的 方法4 。利用 DNA 分子之间的配对作

16、用和多种荧 光分子之间的 Fo ster 共振能量转移 ( FR E T , Fo ster reso nance energy t ransfer) 效应 , 他们构建了三种光 学逻辑门 :AND , NAND 和 IN H IB I T 。AND 门的基本元件是一个 3端标记有荧光素 的 16 碱基的 DNA 片断 1 ; 输入 1 是一段与之完全互补配对的 16 碱基 DNA 2 ; 输入 2 是一种可以与 DNA 双链的小沟结合的荧光染料 Hoechst 33342 。 Hoechst 33342 可在 350 nm 被激发 ,在约 450 nm 处 发出荧光 , 因此可以与在 490

17、 nm 处被激发的荧光2第 24 页w w w . globesci . com世界科技研究与发展2006 年 2 月专题 :生物工程分子杂交反应和 FR E T 效应人们可以设计成精巧的分子逻辑门 ,而且逻辑门之间可以发生信号传输 ,因此很有希望发展成为可寻址的分子逻辑门的研究 平台 。然而也应该指出 ,目前之一研究涉及的逻辑门还比较简单 ,当要求多个逻辑门存在时 ,如何找到合适的荧光 FR E T 对且不发生相互的重叠可能是 一个较难解决的问题 。这些都有待于进一步深入的 研究 。较为复杂的逻辑门 ,如在此工作中设计的 AND ( A ,NO T (B) , NO T ( C) ) 。 基

18、于核酶的逻辑门已经引起了研究者的广泛关注 ,然而这种逻辑门能否成为未来 DNA 计算机的 基础还存在很多关键性问题 。例如水解作用需要较长的时间 (几分钟到几小时) ,逻辑门之间的连接仍然存在一些问题等 。前者由于 DNA 的超级并行计 算能力可能在大规模计算时可以容忍 ,而后者则可 能需要引入新的元件 。例如最近出现的基于具有连 接酶活性的核酶逻辑门 。连接酶逻辑门的优势在于可以使下游逻辑门不断输出更长的 DNA 序列用于构建连续电路 ,而且连接酶可以为水解酶提供新的 底物 ,从而得以重建电路 。基于核酶的逻辑门正如前面提及的 ,核酶可以具有非常复杂的三 维结构 ,而且具有特定的酶活性 ,因

19、此可以构造非常 精巧的分子逻辑门 。Stojanovic 是利用核酶构造分 子逻辑门的先驱之一5 。他选用了一种具有核酸 水解酶活性的 DNA 核酶 ,这种核酶具有特定的茎2 环结构 ,可以特异性水解带有一个核糖核苷的杂合 DNA 片断 (底物) 。利用这种核酶可以很方便地构 建“非门”NO T ,即将核酶和两端分别带有荧光素和 猝灭剂的底物作为基本元件 ,输入 1 为一段可以与 核酶的“环”部分特异性结合的别构效应物 (allesteric effecto r) ,可以特异性地调控核酶的活性 ,使之不能 发生水解作用 。当输入 1 不存在时 ,核酶可以通过 攻击底物的核糖核苷并将底物水解 ,

20、这样就释放了 荧光素使之产生荧光 (输出 1) ;当输入 1 存在时 ,核 酶的茎2环结构被别构效应所破坏 , 失去了水解活 性 ,底物仍然保持完整 ,荧光素被猝灭剂所猝灭 ,不 能产生荧光 ( 输出 0) 。基于类似的思路 , Stojanovic 等构建了更为复杂的逻辑门 ,并且完成了半加法器( half2adder) 的设计6 。尽管利用核酶进行 DNA 逻辑门设计具有非常 大的优势 , 但是 Stojanovic 使用的核酶需要将含有 核糖核苷的杂合 DNA 作为底物 。由于 RNA 核苷 的化学稳定性差 ,容易自我降解 ,而且杂合 DNA 合 成成本非常高 ,因此这种逻辑门的推广是存

21、在问题的 。最近我们设计了一种完全由 DNA 碱基构成的 逻辑门 ,从而解决了这一问题7 。在这个工作中选 用了一种铜离子依赖的 DNA 核酶 ,这是由 Breaker 等首先用 SEL EX 方法发现的8 ,9 。基于这种核酶 , 可以方便地构建 YES 门 、NO T 门等基本的逻辑门 。主要是通过别构效应物存在下核酶结构的变化来调 控其水解酶活性 ,使之产生或不产生底物水解切割 反应 ,然后用电泳方法可以鉴别水解反应是否发生 。 基于这一方法也可以实现逻辑门之间的连接 ,形成3DNA 计算机利用 DNA 分 子 构 建 计 算 机 是 人 类 的 梦 想 之 一 ,目 前 这 一 领 域

22、 也 已 经 取 得 了 相 当 进 展 。1994 年 ,DNA 之父 Adleman 在Science杂志上首先发表 开创 性 文 章“Molecular Co mp utatio n of Solutio n to Co mbinato rial Pro blems”10 ,提出了 DNA 计算的思 想 ,指出 DNA 计算机一步可完成 1020 次运算 , 其 运算速度大大超过电子计算机的运算速度 ;同时 ,生 物计算机每消耗 1 焦耳的能量 ,可以完成 1019 次运 算 ,其能量损耗及能量效率远远优于电子计算机 。 Adleman 首先利用 DNA 计算机实现了具有 7 个城 市和

23、 13 条航线的哈密尔顿路径问题 。其解决方案 分为五个部分 :一 、先用长度为 20 个核苷酸的不同 DNA 序列 ,编码 7 个城市设为 O i ( i = 0 、1 、2 、 6) , 然后将 13 条 i j 边编码为 O i j ,O i j 的前 10 个核 苷酸是 O i 3端的 10 个核苷酸 ,而后 10 个核苷酸为O j 5端的 10 个核苷酸 。在分子生物学反应中 , 将等摩尔量的 O i 的互补链和 O i j 混合 ,以 O i 的互补 链为模板 ,使对应的边进行反应 ,进而产生各种随机 连接序列 ( 路径) 。二 、以 O0 序列和 O6 的互补序列 为引物 ,通过

24、 PCR 扩增随机序列 ,不满足条件的“路 径”序列将不被扩增 。三 、应用电泳分离扩增产物 , 获取目的双链 DNA ( dsDNA) ,此 DNA 序列即代表 通过 7 个城 市 的“路 径”序 列 。四 、上 述 双 链 DNA 变性后与磁颗粒固定的 O1 互补链结合 , 选取通过 城市 1 的通路 。然后依次用磁颗粒固定的 O2 、O3 、 O4 、O5 的互补链重复操作 ,获取同时通过所有城市 的路径 。五 、将最终获取的 DNA 序列通过聚合酶 链式反应 ( PCR) 扩增 ,用电泳分离输出结果 。哈密4第 25 页w w w . globesci . com世界科技研究与发展专题

25、 :生物工程2006 年 2 月尔顿路径问题是一类典型的 N P 问题 。而 N P 问题的计算时间随着变量数目的增加呈指数增加 ,因此 电子计算机在变量数目较大时就对 N P 问题无能为力了 。DNA 计算机则提供了这样一种可能 ,在一个 试管内即有成千上万的 DNA 分子计算机同时进行 大规模并行计算 ,从而可以较快地解决电子计算机 所无法解决的 N P 问题 。这一成果在国际上产生了极其巨大的反响 ,并被称为 DNA 计算机研究中的里程碑 。此后各国研 究者纷纷投入该领域的研究 ,并产生了很多突破性 的进展 。2001 年 ,以色列魏茨曼研究所研制出一种 由 DNA 分子和酶分子构成的

26、DNA 计算机 。上海 交通大学的研究组则基于类似的原理研制了在磁珠上的表面型 DNA 计算机11 。2002 年 ,日本奥林巴 斯公司声称开发出了全球第一台能够真正投入商业 应用的 DNA 计算机 , 可以用于基因的分析 。然而 他们没有公布技术细节 ,普遍认为他们的产品还只 是一种 DNA 计算机与电子计算机的杂合体 , 即利用 DNA 计算机的并行计算能力和电子计算机相连 接 。最近 ,Stojanovic 基于核酶研制出了世界上首台 可玩游戏的互动式 DNA 计算机 MA YA12 。运行 MA YA 程序 曾 是 电 子 计 算 机 发 展 的 里 程 碑 之 一 , Stojano

27、vic 的 MA YA 可以进行人机交互 , 而且由于DNA 计算机的高度并行计算能力 ,极少有人能够击 败 MA YA 。从这些激动人心的进展可以看出 ,尽管 DNA 计算机尚处于其发展的初期 ,其发展前景可谓 不可限量 。DNA 逻辑门与计算机作为一个新兴的研究领域 ,已经展现出非常诱人的前景 ,然而也面临着各种 各样的技术挑战 。首先是目前的分子生物学技术尚不能完全达到这些分子尺度运算的要求 。例如常规 DNA 重组技术中的的分子连接效率远远低于 DNA 计算机的要求 ,这往往成为错误运算的来源 。第二 、 DNA 逻辑门与计算机的芯片化 。现代的电子计算 机是芯片化 ,集成电路式的 。

28、因此如果能够将 DNA逻辑门或计算机从试管型转换为芯片型将是一个巨 大的进步 ,从而更有可能成为真正的计算机 。第三 、 信号输入输出问题 。目前的 DNA 逻辑门或计算机 的输入输出信号主要是通过分子生物学操作 ( 如电 泳) 或荧光阅读器来实现的 。显然如果能够象电子计算机一样通过电信号来进行通讯就有可能显著提 高传输效率 。这一点将可能依赖于 DNA 杂交反应的电学检测技术的发展13 ,14 。参考文献1Osbo rne SE , Ellingto n AD. Nucleic Acid Selectio n and t he Chal2lenge of Co mbinato rial C

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35、要解决如何充分应用 DNA 计算的并行性特点的 问题 。DNA 计算机是真正意义上的分子计算机 ,与 电子计算机中是依据一定的法则对有关符号串进行 变换的物理过程类似 ,DNA 计算机是通过 DNA 生 物化学性质的变换来实现的 。DNA 计算机不仅可 以解决数学上的难解问题 ,而且将可应用于研究生 命过程的本 质 问 题 , 即 基 因 组 是 如 何 通 过 对 DNA 的编码 ( 算法) 来实现生物体的生命过程 ( 发育 , 衰 老 ,疾病 ,死亡等) 的 。5ulated do no r2accepto r distances.92Trends Biotechnol , 2005 , 23 : 186(责任编辑 :房俊民)第 26 页w w w . globesci . com