一种基于sst纳米平台的光激性逻辑电路设计方法

一种基于sst纳米平台的光激性逻辑电路设计方法
【专利摘要】本发明属于DNA纳米技术领域，涉及一种基于SST纳米平台的光激性逻辑电路设计方法。所述SST纳米平台通过DNA自组装设有荧光分子，在DNA链置换过程中，排布荧光分子的位置，重置后的荧光分子之间形成荧光分子能量转移路径。本发明在SST纳米结构的序列设计上，参与后续DNA链置换反应的单链需要延长一个发卡结构区域，这些延长的序列和特定的系统输入链参与链置换反应，成功构建荧光分子转移系统，使得荧光分子转移能够在常温下进行；本发明通过联合多个荧光分子转移系统来控制荧光分子之间的排布，同时借助荧光共振能量转移技术，实现了光激性分子逻辑电路。
【专利说明】
一种基于SST纳米平台的光激性逻辑电路设计方法
技术领域
[0001 ]本发明属于DNA纳米技术领域，涉及一种基于SST纳米平台的光激性逻辑电路设计 方法。
【背景技术】
[0002] 生物系统利用分子间的动态相互作用来管理它们的复杂行为过程，那么对观察和 操纵这些分子间的反应技术的发展就显得至关重要，这种技术能够推动在生物体内智能成 像和智能疗法。为了实现这些技术方法，分子逻辑电路便是一个有用的工具，它能够在分子 层面上，控制分子反应的过程。在常规的设计中，为了实现大规模复杂逻辑电路，往往是通 过逻辑门的级联来实现的。由于这种电路是依靠 DNA分子在溶液环境下通过扩散一步步反 应的，通常需要花费更长的运算时间，相比之下，在生物体的控制系统里面，特定分子复合 物上的局部信号可以用于提供快速反应过程和完成复杂的分子系统控制。这种运用局部信 号的策略增加了分子逻辑电路的运算速度。
[0003] 荧光共振能量转移技术就是一种局部信号传递技术，它可以实现相距很近的两个 荧光分子之间产生的一种能量转移现象。通常两个荧光分子的距离在10纳米的范围以内， 当作为供体的荧光分子发射的光谱与受体荧光分子的吸收光谱有重叠部分时，就会发生一 种非放射性的能量转移，使得供体荧光猝灭，而受体发射的荧光却大大增强，从而实现能量 转移。荧光分子的间距越短，能量传递的效率越高。
[0004] 利用DNA分子反应的可预测性和可编程性，结合SST纳米平台自组装技术，预先设 置荧光分子在SST纳米平台的初始位置。通过DNA链置换反应去构建荧光分子转移系统，在 输入DNA链的作用下，就能对荧光分子在SST纳米平台上的位置实现精确控制。同时借助荧 光共振能量转移技术，实现了基于SST纳米平台的光激性逻辑电路设计。
[0005] Visual DSD软件是一种快速仿真、分析由DNA链置换反应构成的分子逻辑电路的 有力工具。该软件支持DNA电路生化反应网络的程序编辑及快速建模，还可实现反应过程的 仿真测试，能依据仿真结果完成对DNA电路正确性的评估以及对DNA链动力学特性的分析研 究。该软件可以自动给出不同DNA链之间所有可能的反应关系，在实验前，通过软件进行有 效的系统分析，及时更正设计上的不足，可以提高实验的成功率，不必要的歪路和费用支 出。在软件的程序编码区，可设定参加反应的DNA链的种类、默认的反应速率以及仿真图中 曲线的规模尺寸等参数。在软件中可以对DNA种类、门极、DNA片段以及模块等进行有效定 义，然而并不能仿真发卡结构类型和基于DNA分子瓦类型的链置换反应。而在新版的扩展 DSD软件里，这些问题得到解决，新的语法使我们很容易定义发卡结构、DNA分子瓦和栓系型 DNA链。新的语法和反应规则让编码在分子瓦片上的DNA链置换反应成为可能。扩展DSD软件 可以方便地用于对大型复杂的构建在分子瓦片上的逻辑电路进行模拟和分析。强大的仿真 能力，更加方便设计人员的仿真分析。本软件的下载网址为：h t t p : / / dsd.azurewebsites.net/beta/。
[0006] 在常规的光激性分子逻辑电路设计中，往往都是用DNA双螺旋结构和DNA折纸结构 来作为支架平台，DNA双螺旋结构简单，荧光分子在双螺旋结构上线性排布，往往不能够实 现复杂的逻辑功能;DNA折纸结构是由一条长的支架链和很多订书钉链组成，由于受到长的 支架链结构限制，其荧光分子的修饰密度不高。而对于SST纳米结构，由于每一条DNA单链都 可以用来修饰荧光分子，其修饰荧光分子的密度和位置的控制能力是DNA折纸的两倍。

【发明内容】

[0007] 本发明的目的在于提供一种基于SST纳米平台的光激性逻辑电路设计方法。
[0008] 本发明的技术方案为，通过DNA自组装设有荧光分子的SST纳米平台，在DNA链置换 过程中，排布荧光分子的位置，重置后的荧光分子之间形成荧光分子能量转移路径。
[0009] 所述光激性逻辑电路设计的具体步骤如下：
[0010] (1)基于SST纳米平台自组装技术原理，设计反应系统中需要的输入链A1、燃料链 Π 以及SST纳米平台结构；
[0011] (2)荧光分子位置的初始化:延长SST纳米平台结构上参与反应的单链一个发卡结 构的区域，在带有发卡结构的DNA链s4上修饰Cy3荧光分子、DNA链si上修饰Fluorescein荧 光分子、DNA链s3上修饰Cy3.5荧光分子；
[0012] (3)焚光分子位置的转移：向反应系统中加入输入链A1后，在输入链A1上小支点域 al的特异性作用下，DNA链s4的发卡结构打开，DNA链s4上隐藏的小支点域yl暴露出来，小支 点域yl与燃料链Π 发生链置换反应，同时打开新的小支点域xl，小支点域xl与DNA链s2上的 X*片段结合，导致Cy3荧光分子从DNA链s4转移到DNA链s2;
[0013] (4)光激性信号的传递:在DNA链si上修饰有Fluorescein焚光分子，DNA链s3上修 饰有Cy3.5焚光分子，Fluorescein焚光分子作为供体，在441 ±49纳米波长激光的激发下， 接收能量之后，本身发出462±51纳米的激光，激光去激发下一级的Cy3荧光分子，发出509 ± 56纳米，通过两步荧光分子能量转移，作为最终受体的Cy3.5荧光分子吸收Cy3荧光分子 发出的激光，发出538±59纳米波长的激光;Fluorescein荧光分子、Cy3荧光分子和Cy3.5荧 光分子共同组成一条焚光分子能量转移路径。
[0014]所述SST纳米平台在光激性逻辑电路设计中有η个，其中η为正整数，且η多1。
[0015] 所述SST纳米平台是由序列互不相同的DNA单链一次退火形成，每条DNA单链包含 42个碱基，平均分为四段区域，每段区域都充当粘性末端。
[0016] 本发明的有益效果在于：
[0017] (1)本发明以SST纳米结构作为链置换反应的平台，对于SST纳米结构，由于每一条 DNA单链都可以用来修饰荧光分子，其修饰荧光分子的密度和位置的控制能力是DNA折纸的 两倍，荧光分子排布的密度为构建复杂的光激性逻辑电路提供了有利的条件；
[0018] (2)本发明在SST纳米结构的序列设计上，参与后续DNA链置换反应的单链需要延 长一个发卡结构区域，这些延长的序列和特定的系统输入链参与链置换反应，成功构建荧 光分子转移系统，使得荧光分子转移能够在常温下进行；
[0019] (3)本发明通过联合多个荧光分子转移系统来控制荧光分子之间的排布，同时借 助荧光共振能量转移技术，实现了光激性分子逻辑电路。
【附图说明】
[0020] 图1为基于SST纳米平台的荧光分子Cy3的转移系统。
[0021] 图2为荧光分子的能量转移路径。
[0022]图3为Cy3.5和Cy3荧光分子的转移系统。
[0023] 图4为构建在SST纳米平台上的逻辑与门。
[0024] 图5为构建在SST纳米平台上的逻辑或门和非门。
[0025] 图6为基于SST纳米平台的荧光分子转移系统的CRN仿真。
[0026]图7为基于SST纳米平台的电路仿真。
[0027]图8为基于SST纳米平台的与门电路的CRN仿真。
[0028]图9为SST纳米平台形成的分子画布。
【具体实施方式】
[0029] 一种基于SST纳米平台的光激性逻辑电路设计方法，所述SST纳米平台通过DNA自 组装设有荧光分子，在DNA链置换过程中，排布荧光分子的位置，重置后的荧光分子之间形 成焚光分子能量转移路径。
[0030] 所述光激性逻辑电路设计的具体步骤如下：
[0031] (1)基于SST纳米平台自组装技术原理，设计反应系统中需要的输入链A1、燃料链 Π 以及SST纳米平台结构；
[0032] (2)荧光分子位置的初始化:延长SST纳米平台结构上参与反应的单链一个发卡结 构的区域，在带有发卡结构的DNA链s4上修饰Cy3荧光分子、DNA链si上修饰Fluorescein荧 光分子、DNA链s3上修饰Cy3.5荧光分子；
[0033] (3)荧光分子位置的转移：向反应系统中加入输入链A1后，在输入链A1上小支点域 al的特异性作用下，DNA链s4的发卡结构打开，DNA链s4上隐藏的小支点域yl暴露出来，小支 点域yl与燃料链Π 发生链置换反应，同时打开新的小支点域xl，小支点域xl与DNA链s2上的 X*片段结合，导致Cy3荧光分子从DNA链s4转移到DNA链s2;
[0034] (4)光激性信号的传递:在DNA链si上修饰有Fluorescein荧光分子，DNA链s3上修 饰有Cy3.5焚光分子，Fluorescein焚光分子作为供体，在441 ±49纳米波长激光的激发下， 接收能量之后，本身发出462±51纳米的激光，激光去激发下一级的Cy3荧光分子，发出509 ± 56纳米，通过两步荧光分子能量转移，作为最终受体的Cy3.5荧光分子吸收Cy3荧光分子 发出的激光，发出538±59纳米波长的激光;Fluorescein荧光分子、Cy3荧光分子和Cy3.5荧 光分子共同组成一条焚光分子能量转移路径。
[0035]所述SST纳米平台在光激性逻辑电路设计中有η个，其中η为正整数，且η多1。
[0036] 所述SST纳米平台是由序列互不相同的DNA单链一次退火形成，每条DNA单链包含 42个碱基，平均分为四段区域，每段区域都充当粘性末端。
[0037] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本 发明进行进一步详细说明。
[0038] 1.SST自组装技术
[0039] SST自组装结构是由序列互不相同的DNA单链一次退火形成。每一条DNA单链都包 含42个碱基，并平均分为四段区域，每一段区域都充当粘性末端，其序列可以根据需要完全 自主设计。通过DNA单链的特异性结合，在其周围围绕着4条序列特异的DNA单链。DNA单链会 在第21或第22个碱基处向上翻折，正是由于上下两段区域都包含偶数个双螺旋碱基，使得 DNA单链很容易地形成"U"字形的分子瓦片结构，上下两个区域分别含有两个DNA螺旋周期， 每一个区域都能够特异性地结合一个"U"形的分子瓦片结构，如图9所示。"U"型分子瓦片结 构由于DNA碱基对的特异性结合，向四周生长，最终形成彼此相连的DNA分子画布。
[0040] 如果把每一条DNA单链抽象成一个个"砖块"，每一个"砖块"的尺寸是3纳米X 7纳 米。分子画布就是由一个个"砖块"堆砌而成。在设计不同形状的平面结构时，就像在矩形的 DNA分子画布上剪纸一样，去除不必要的DNA单链部分，保留图形结构所在位置的DNA单链， 将保留的DNA单链进行一次退火自组装便可形成。同时为了防止生成结构之间的群聚现象， 需要在DNA单链的周围布置上边缘保护链。边缘保护链的一半碱基与内部的暴露链互补结 合，另一半序列全部用碱基T来构成。对比DNA折纸结构，由于该方法不必用到长的脚手架 链，DNA链的序列设计更加灵活。每一条DNA单链都可以用来修饰荧光基团或者纳米粒子，其 装载纳米粒子的密度和位置的控制能力是DNA折纸的两倍。
[0041] 2.荧光分子位置的转移系统设计
[0042] 在SST纳米平台构建的基础上，如图1所示，加入输入链A1，由于al小支点域序列的 特异性结合，链A1打开了链s4的发卡结构，其中被隐藏的小支点域yl暴露出来，小支点域yl 的暴露，导致与燃料链Π 发生链置换反应，同时打开新的小支点域xl，接下来xl域的结合导 致Cy3染料从s4链的位置被成功转移到s2链的位置。为了表述方便，如图1(d)所示，用矩形 的方框来表示SST纳米平台，用不同的圆来表示荧光分子的位置，箭头表示荧光分子的转移 路径，系统框图可以清晰地表示该荧光分子转移系统的工作过程。Fluorescein和Cy3.5荧 光分子被分别修饰在链si和链s3的5 '端，把Fluorescein荧光分子作为供体来提供能量，它 能够接收波长为490纳米的激光能量。通过用波长为490纳米的激光照射，同时观察波长为 597纳米的激光强度，来判断有没有进行荧光能量的传递，如图2所示，在起初状态，由于没 有完整的荧光能量转移路径，所以并不能造成荧光的传递，而在荧光分子转移系统发生后， 荧光能量转移路径被成功构建，从而导致能量的传递，并把这种能量的传递表示为逻辑输 出"Γ。
[0043] 3.光激性逻辑电路设计
[0044]为了构造不同功能的逻辑门，我们需要构造多个荧光分子转移系统，如图3所示。 对于图3 (a)来说，表述的是在输入链A2和燃料链f2的作用下，Cy3.5荧光分子从初始链s5位 置转移到链s3位置；图3(b)来说，表述的是在输入链A3和燃料链f3的作用下，Cy3荧光分子 从初始链s3位置转移到链s2位置。首先构造两输入的逻辑与门电路。在与门电路用到了 4种 荧光分子，它们的荧光特性如表1所示。在这个电路里，必须设计两个独立的荧光分子转移 系统，使得两个荧光分子在转移后能够和预先绑定好的荧光分子形成一条荧光能量转移通 路。如图4所示。Fluorescein和Alexa Fluor 610焚光分子被分别作为供体和受体。当只加 入输入链A1，根据转移系统，Cy3荧光分子从预先绑定位置(链s4位置)转移到链s2位置，由 于链s2位置和链s6位置较远，且Cy3和Alexa Fluor 610焚光分子光谱重叠少，并不能形成 荧光共振能量转移路径，输出为"0" ；当向溶液中只加入输入链A2时，根据荧光分子转移系 统，Cy3.5荧光分子从预先绑定位置(链s5位置)转移到链s3位置，由于链si位置和链s3位置 较远，且Fluorescein和Cy3.5焚光分子光谱重叠很少，并不能形成焚光共振能量转移路径， 输出为"〇"；有且只有同时加入输入链A1和A2,能够形成一条完整的荧光共振能量转移路 径，且供体的荧光能量经过了3步转移，最终被受体荧光分子吸收。在与门电路的设计中， Cy3和Cy3.5荧光分子就像桥梁一样，在DNA链置换反应的帮助下接通整个能量传递路径。用 波长为490纳米的激光来激发供体。使得供体发出能量，历经3步能量转移，最终能够得到由 Alexa Fluor 610发出的波长为630纳米的激光，并以此来作为逻辑输出"1"。因此，基于SST 结构的两输入的逻辑与门电路被成功地构建。
[0045] 表1荧光分子的荧光特性
[0047] 在两输入逻辑与门电路的基础上，构造了或门这一基本的逻辑基元。系统的简化 图如图5所示。为了构造或逻辑电路，就必须让相同类型的荧光分子在不同的输入链作用下 被转移到相同的目的地位置。为了实现这个目标，SST平台上最初荧光分子的排布不同于逻 辑与门电路中荧光分子的排布，DNA链s3和s4上都被修饰上Cy3荧光分子，当向溶液中加入 输入链A1，根据焚光分子转移系统，Cy3焚光分子就从链s4的位置转移到s2位置，在si、s2、 S7三个位置的荧光分子形成荧光共振能量转移通路，其具体的链置换反应过程如图1(a)所 不。
[0048] 当向溶液中加入输入链A3时，根据荧光分子转移系统，Cy3荧光分子从链s3的位置 转移到s2位置，形成荧光共振能量转移通路，具体的链置换反应过程如图3(b)所示;这两个 独立的转移系统都可使得Cy3荧光分子绑定到链s2的位置，从而和Fluorescein、Cy3.5荧光 分子形成荧光共振能量转移通路。证实了输入链A1和A3是或的关系。在该系统中， Fluorescein焚光分子作为供体，Cy3.5焚光分子作为受体，能量经过了2步转移，到达受体 荧光分子。Cy3荧光分子就像桥梁一样，接通整个能量传递路径。用波长为490纳米的激光来 激发供体。使得供体发出能量，历经2步能量转移，最终能够得到由Cy3.5荧光分子发出的波 长为597纳米的光，并以此来作为逻辑输出"1"。因此，基于SST结构的两输入的逻辑或门电 路被成功地构建。
[0049] 对于非门的构建就十分容易，其反应简化图如图5(d)所示，为了构造非门，只需破 坏原有的荧光能量传递路径即可。在最初状态，能量的转移路径沿着链sl、s2、s7的方向进 行传递。一旦加入输入链A4,根据荧光分子转移系统，Cy3荧光分子从链s2的位置转移到链 S4位置，导致原有的荧光能量传递路径被切断，能量不能够进行有效的传递，从而成功构建 非门逻辑电路。
[0050] 在这三种门电路的设计中，各个荧光分子转移系统都是同时进行的，具有高度的 并行性，相比于DNA链在液相下通过分子扩散来一步步级联，用局部荧光能量的共振的方式 来构建分子逻辑电路，其计算速度要快的多。同时，这三种电路只是最基本的逻辑基元，通 过组合这三种最基本的逻辑基元构建大型复杂的光激性逻辑电路就显得十分容易。
[0051] 4.仿真及分析
[0052] 基于SST纳米平台的荧光分子转移系统通过扩展版的DSD软件得到证实，如图6所 不。
[0053] 在输入链A1的作用下，链s4成功地绑定到链s2位置，并导致zl小支点的暴露，同时 利用报告复合物来检测这个转移过程，导致输出链cl被置换出来，通过检测单链cl的浓度 来表征这个转移过程。设置输入链的浓度均为100纳摩尔每升，类似于电子电路中高低电平 的设置方法，规定只要链的浓度小于等于10纳摩尔每升时，认定该信号链处于"OFF"状态； 链的浓度大于等于90纳摩尔每升时，认定该信号链处于"0N"状态。
[0054]荧光分子转移系统的仿真曲线正如图7(a)所示，设定反应持续时间为2000秒，即 认为链置换反应在2000秒时已反应充分，图中红色和蓝色曲线描述的就是输入链A1和输出 链cl的浓度随时间t的变化趋势。与门电路是通过两个独立的荧光分子转移系统来实现的。 如图8所示，在在输入链A1和A2的作用下，链s4成功地绑定到链s2位置;链s5成功地绑定到 链s3位置，实现了对两个荧光分子的转移，其仿真曲线正如图7(b)所示，由于这两个转移系 统的方法一样，导致输入链A1和A2的浓度变化趋势相同，报告复合物的浓度变化趋势也相 同，两个转移系统都导致输出链cl的释放，最终cl链的浓度接近200纳摩尔每升，基于SST纳 米平台的与门电路被成功地仿真。
【主权项】
1. 一种基于SST纳米平台的光激性逻辑电路设计方法，其特征在于:所述SST纳米平台 通过DNA自组装设有荧光分子，在DNA链置换过程中，排布荧光分子的位置，重置后的荧光分 子之间形成焚光分子能量转移路径。2. 如权利要求1所述的基于SST纳米平台的光激性逻辑电路设计方法，其特征在于:所 述光激性逻辑电路设计的具体步骤如下： (1) 基于SST纳米平台自组装技术原理，设计反应系统中需要的输入链A1、燃料链Π 以 及SST纳米平台结构； (2) 荧光分子位置的初始化:延长SST纳米平台结构上参与反应的单链一个发卡结构的 区域，在带有发卡结构的DNA链s4上修饰Cy3荧光分子、DNA链si上修饰Fluorescein荧光分 子、DNA链s3上修饰Cy3.5荧光分子； (3) 焚光分子位置的转移：向反应系统中加入输入链A1后，在输入链A1上小支点域al的 特异性作用下，DNA链s4的发卡结构打开，DNA链s4上隐藏的小支点域y 1暴露出来，小支点域 yl与燃料链Π 发生链置换反应，同时打开新的小支点域xl，小支点域xl与DNA链s2上的X*片 段结合，导致Cy3荧光分子从DNA链s4转移到DNA链s2; (4) 光激性信号的传递:在DNA链si上修饰有Fluorescein荧光分子，DNA链s3上修饰有 Cy3.5焚光分子，Fluorescein焚光分子作为供体，在441 ±49纳米波长激光的激发下，接收 能量之后，本身发出462±51纳米的激光，激光去激发下一级的Cy3焚光分子，发出509±56 纳米，通过两步荧光分子能量转移，作为最终受体的Cy3.5荧光分子吸收Cy3荧光分子发出 的激光，发出538±59纳米波长的激光;Fluorescein荧光分子、Cy3荧光分子和Cy3.5荧光分 子共同组成一条焚光分子能量转移路径。3. 如权利要求1或2所述的基于SST纳米平台的光激性逻辑电路设计方法，其特征在于： 所述SST纳米平台在光激性逻辑电路设计中有η个，其中η为正整数，且η>1。4. 如权利要求1所述的基于SST纳米平台的光激性逻辑电路设计方法，其特征在于:所 述SST纳米平台是由序列互不相同的DNA单链一次退火形成，每条DNA单链包含42个碱基，平 均分为四段区域，每段区域都充当粘性末端。
【文档编号】C12Q1/68GK105969869SQ201610395350
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】牛莹, 张勋才, 崔光照, 孙军伟, 耿盛涛, 韩风, 王延峰
【申请人】郑州轻工业学院