高效的DNA逻辑电路的实现 　　

　　（102206　华北电力大学　北京）

　　【摘　要】生物计算具有存储海量信息和并行操作处理数据的功能。Haomiao Su等人利用DNA链置换和聚合酶实现了一个高效且复杂的DNA逻辑电路。本文在Haomiao Su等人的试验基础上进行了改进和创新。通过DNA聚合酶和DNA内切酶，形成输入信号的扩大，在低浓度输入的基础上，实现高信号输出。

　　【关键词】DNA逻辑电路；聚合酶；内切酶；信号扩大逻辑电路的基本电路是“与门”“或门”“非门”，其输出值是依赖于输入值的电路。DNA单链是由AGCT四个可以互补的碱基组成，如ATTTGC与TAAACG可以形成互补的双链。

　　若互补的DNA双链含有悬挂的粘性末端，称这条双链处于不稳定状态。加入与双链中长链互补的单链，置换出其中一条短DNA 链，形成新的DNA双链的过程，称为链置换。

　　生物计算的目的之一就是实现生物技术为基础的计算机科学。2019年，Haomiao Su等人，利用DNA链置换和聚合酶实现了一个高效且复杂的DNA逻辑电路，完成了DNA电路的集成。本文在Haomiao Su等人的试验基础上。进行了改进和创新。通过DNA聚合酶和DNA内切酶，形成输入信号的扩大，在低浓度输入的基础上，实现高信号输出。

　　在原来的反应中，AND-i链和AND-ii链杂交在一起。如图1所示，输入A链后，A链在聚合酶的作用下，可以沿AND-i的3’向5’延伸从而置换下AND-ii链。输入B链在聚合酶的作用下，可以沿AND-ii的3’向5’延伸从而置换下输出链o。输出链o可以在聚合酶的作用下置换出带有猝灭剂的链，从而使得荧光链发光，产生信号。

　　本文在原来的反应中进行了改进，在反应体系中引入了三组循环反应，从而实现在低输入的情况下，产生大量的输入信号。首先是输入链A的扩大。如图2所示，m链与a链杂交，暴露出橘色的立足点可以使得i1链杂交，杂交完成的i1链作为引物链，在DNA聚合酶的作用下进行扩增。新合成的m’链，会把a链置换掉。从而产生逻辑门的输入A以及双链mm’。在内切酶的作用下，a链处5’产生缺口，聚合酶使得缺口处的黑链向前产生碱基，置换下输入A，从而产生了循环。第二个循环中输入信号B的扩大同理，如图2所示。第三个循环是输出信号o的扩大。在AND门最后的输出o链阶段。

　　我们因为有内切酶和聚合酶的参与可以使得o链在放大循环里源源不断的产生。如图2所示。

　　结论

　　我们仔细研究了在现存的逻辑电路上。并在其实验上进行了改进，引入了循环扩大的功能。使报告链和输入链在内切酶和聚合酶的作用下，实现扩大功能，从而实现了低输入下便可以产生大量的信号，提高了反应的效率。

　　参考文献：

　　[1]Epstein G , Frieder G , Rine D C . The development ofmultiple-valued logic as related to computer science[J]. Computer,1974, 7(9):20-32.

　　[2]Luca Cardelli, Marta Kwiatkowska, Matthew R. Lakin,等.

　　Design and Analysis of DNA Circuits using Probabilistic ModelChecking[J]. Preparation,2011.7(72):1470 -1485．[3]Haomiao Su, Jinglei Xu, Qi Wang, Fuan Wang, Xiang Zhou*,High-efficiency and integrable DNA arithmetic and logic systembased on strand displacement synthesis.Nat. Commun.,2019,10,5390