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基于DNA和限制性核酸內(nèi)切酶的基本邏輯門設計

柳娟,  謝文彬,  汪改英,  湯敏麗

柳娟, 謝文彬, 汪改英, 湯敏麗. 基于DNA和限制性核酸內(nèi)切酶的基本邏輯門設計[J]. 電子與信息學報, 2020, 42(6): 1332-1339. doi: 10.11999/JEIT190846
引用本文: 柳娟, 謝文彬, 汪改英, 湯敏麗. 基于DNA和限制性核酸內(nèi)切酶的基本邏輯門設計[J]. 電子與信息學報, 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和限制性核酸內(nèi)切酶的基本邏輯門設計

doi: 10.11999/JEIT190846 cstr: 32379.14.JEIT190846
  • 1.

    廈門大學航空航天學院 廈門 361102

  • 2.

    廈門大學信息學院 廈門 361005

  • 3.

    廈門大學深圳研究院 深圳 518057

基金項目: 國家自然科學基金(61772441, 61872309)，國家重點研發(fā)計劃政府間專項(2017YFE0130600)
詳細信息
    作者簡介:

    柳娟：女，1978年生，副教授，研究方向為計算智能、微納制造

    謝文彬：男，1994年生，碩士生，研究方向為分子電路設計

    汪改英：女，1993年生，碩士生，研究方向為分子計算、實驗驗證

    湯敏麗：女，1982年生，博士生，研究方向為計算智能、文字信息處理

    通訊作者:

    柳娟　 cecyliu@xmu.edu.cn

  • 中圖分類號: TP301

Basic Logic Gates Design Based on DNA and Restriction Endonuclease

  • 1.

    School of Aerospace Engineering, Xiamen University, Xiamen 361102, China

  • 2.

    School of Informatics, Xiamen University, Xiamen 361005, China

  • 3.

    Shenzhen Research Institute, Xiamen University, Shenzhen 518057, China

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61772441, 61872309), The National Key R&D Program of China (2017YFE0130600)
  • 摘要: 由于DNA分子具有特異性、高并行性、微小性等天然特性，在信息處理過程中展現(xiàn)出了強大的并行計算能力和數(shù)據(jù)存儲能力。該文研究將具有特異性識別功能的限制性核酸內(nèi)切酶引入DNA鏈置換反應中，作為DNA電路的輸入，通過控制立足點的生成和移除設計了是門、非門和與門3種基本邏輯門。采用Visual DSD對邏輯模型進行模擬仿真，并通過凝膠電泳實驗驗證設計。與以往的分子邏輯門比較，該設計反應迅速，操作簡便，具有良好的擴展性，為大規(guī)模電路的設計提供了可能性。
    Abstract: Due to the natural characteristics of specificity, high parallelism and miniaturization of DNA molecules, it exhibits strong parallel computing power and data storage capability in information processing. In this study, restriction endonuclease with specific recognition function are introduced into DNA strand displacement as the input of the DNA circuit. The YES gate, NOT gate and AND gate are designed by controlling the generation and removal of the toehold. The logic model is simulated by Visual DSD, and the design is verified by PolyacrylAmide Gel Electrophoresis(PAGE) experiments. Compared with previous molecular logic gates, this design has a quick response, simple operation, and good scalability, which provides the possibility for the design of large-scale circuits.
    • HTML全文

  • 圖  1  DNA鏈置換反應過程

    圖  2  立足點生成及移除機制

    圖  3  本研究中所用的限制性核酸內(nèi)切酶識別位點示意圖

    圖  4  是門原理圖設計

    圖  5  是門反應網(wǎng)絡仿真

    圖  6  非門原理圖設計

    圖  7  非門反應網(wǎng)絡仿真

    圖  8  與門原理圖設計

    圖  9  與門反應網(wǎng)絡仿真

    圖  10  是門反應網(wǎng)絡仿真

    圖  11  非門反應網(wǎng)絡仿真

    圖  12  與門反應網(wǎng)絡仿真

    表  1  實驗所需寡核苷酸序列

    DNA鏈序列(5’ to 3’)所涉及邏輯門起作用的限制酶
    ATTTTTTTTTTTGATCCGTTCCTTGCAGTTGCTGAGGTGGCCAT非門/
    BTTATGGCCACCTCAGCAACTGCAAGGAACGGATCA非門Nt.BbvCI
    CTGATCCGTTCCTTGCAGTTGCTGAGGT非門/
    PGGCTGCGAGACTCGGTTTTCCGAGTCTCGCAGCCTCAGCAGTTGGATACATCTCAAGC(其中TTTT為環(huán)形結構)與門Nt.BsmAI
    XTTTTTTTCAGCCTCAGCAGTTGGATACATCTCAAGCTTTTTTTTTTTTTTT是門、與門Nt.BbvCI
    YGCTTGAGATGTATCCAACTGCTGAGGCTG是門、與門/
    ZCAGCCTCAGCAGTTGGATACATCTCAAGC是門/
    下載: 導出CSV
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  • 加載中
圖(12) / 表(1)
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出版歷程
  • 收稿日期:  2019-11-01
  • 修回日期:  2020-04-24
  • 網(wǎng)絡出版日期:  2020-05-13
  • 刊出日期:  2020-06-22

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