CN105763200B - 基于dna链置换的4-10译码器设计方法 - Google Patents

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基于链置换的4‑10译码器设计方法涉及DNA链置换领域，该方法首先根据DNA 4‑10译码器的输入逻辑值设置DNA信号链的浓度，并通过扇出门模块将每个DNA信号分成10个具有相同逻辑值的不同DNA信号链，然后根据输出的80个DNA信号链自身所附带的域的不同根据沃森‑克里克(C‑G,T‑A)互补配对原理和与门模块、或门模块进行杂交反应，最终输出20个DNA信号链，20个DNA信号链根据浓度的大小代表不同的逻辑值，进而实现4‑10译码器的功能。本发明的有益效果是：首次基于双轨将与门模块、或门模块、扇出门模块组合在一起，实现了DNA 4‑10译码器；通过调整扇出门模块、与门模块和或门模块中阈门的浓度系数使输出结果更加稳定。

Description

基于DNA链置换的4-10译码器设计方法
技术领域
本发明涉及DNA链置换领域，具体涉及利用双轨逻辑以及Winfree设计的与门模块和或门模块设计稳定的DNA链置换4-10译码器的方法。
背景技术
在最近几十年里，DNA纳米技术在生物工程中的地位变得越来越重要，而DNA链置换作为DNA纳米技术的分支之一，也越来越广泛地被应用于设计各种复杂的生物设备以及实现复杂的DNA计算，这些很大程度要归因于DNA链置换机制的自主性:一旦信号链和门混合在一起，相互作用就会在没有外界干扰的情况下执行，直到信号链或者门被消耗掉；支撑反应的动力来自于门的结构以及沃森-克里克(C-G,T-A)互补性，不需要酶、转录或翻译成份。整个反应过程可以在basic wet labs中发生，反应的设备可以化学合成。
Lee CS第一次做实验在体外观察到了DNA链迁移和DNA链置换过程，开启了动态DNA纳米技术领域的研究，同时为解决DNA计算问题提供了新的途径。Georg Seeling基于DNA链置换过程设计了与门、或门、非门、信号恢复器、信号放大器以及回馈和级联。但是由于非门容易产生错误信号的问题，无法设计稳定的大规模电路。2011年，Winfree利用双轨(dual-rail logic)解决了非门容易产生错误信号的问题(参见文献Lulu Qian,ErikWinfree.Scaling Up Digital Circuit Computation with DNA Strand DisplacementCascades.Science.2011,332(6034),1196-1201)。他设计了具有信号恢复功能的与门模块、或门模块和扇出门模块，其中扇出门模块可以将同一个DNA信号链分成若干个代表相同逻辑值的DNA信号链，从而避免由于同一个DNA信号链同时与不同的模块进行反应而导致的相互影响。进一步，他将设计的与门、或门模块、扇出门模块以及双轨(dual-rail logic)结合起来设计了一个四字节的平方根电路。Qian and Winfree同样基于双轨(dual-raillogic)将与门模块、或门模块、扇出门模块组合起来设计了四个完全相互连接的能实现Hopfield联想记忆的人工神经元。
尽管Winfree设计的与门模块、或门模块和扇出门模块具有很好的封装性，并且它们与DNA信号链反应输出的DNA信号链的浓度稳定而且没有减小。这三个模块与双轨结合起来理论上可以设计任意规模类型的DNA逻辑电路，但是由于DNA链置换反应具有可逆性而且影响反应的因素复杂，所以DNA逻辑电路的设计在理论与实验上还有一定的差距，这导致还有大量的复杂DNA逻辑电路没有被设计出来。
发明内容
本发明的目的是利用双轨逻辑、与门模块和或门模块设计DNA链置换4-10译码器，通过调整扇出门、与门模块和或门模块中阈门的浓度系数实现稳定的DNA链置换4-10译码器。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
本发明方法的基本思路是：首先根据DNA链置换4-10译码器的输入逻辑值设置DNA信号链的浓度，并通过扇出门模块将每个DNA信号分成10个具有相同逻辑值的不同DNA信号链，然后根据输出的80个DNA信号链自身所附带的域的不同根据沃森-克里克(C-G,T-A)互补配对原理和与门模块、或门模块进行杂交反应，最终输出20个DNA信号链，20个DNA信号链根据浓度的大小代表不同的逻辑值，进而实现DNA链置换4-10译码器的功能。
本发明基于DNA链置换的4-10译码器设计方法具体包括如下步骤：
步骤1：根据DNA链置换4-10译码器的输入逻辑值设定输入DNA信号链的浓度，包括如下子步骤：
步骤1.1、分别设置10个输出扇出门模块、4个输入与门模块和4个输入或门模块；
步骤1.2、将步骤1.1所述的4个输入与门模块和4个输入或门模块均与10个输出扇出门模块共同形成逻辑链路，建立各个输入和输出之间的对应关系；
步骤1.3、根据DNA 4-10译码器的输入逻辑值分别给步骤1.1中的10个输出扇出门模块、4个输入与门模块和4个输入或门模块设定其各自对应的DNA信号链的浓度值；
步骤2：电子4-10译码器有4个输入(A0，A1，A2，A3)和10个输出(Y0，Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9)，每个电子4-10译码器的信号都分别用表示逻辑1和逻辑0的DNA信号链表示，则对应得到DNA链置换4-10译码器的8个输入DNA信号链和20个输出DNA信号链 8个输入DNA信号链均与相同参数的扇出门模块反应，将每个DNA信号链分成10个具有与初始相同逻辑值的不同DNA信号链，即得到80个DNA信号链；
步骤3：通过步骤2得到的80个DNA信号链根据沃森-克里克互补配对原理与相应的与门模块和或门模块进行杂交反应，输出20个DNA信号链；DNA链置换4-10译码器的输出输入逻辑关系如下：
步骤4：根据步骤3输出的20个DNA信号链的浓度来判断逻辑值，实现DNA链置换4-10译码器的功能。
本发明的有益效果是：首次基于双轨将与门模块、或门模块、扇出门模块组合在一起，实现了DNA链置换4-10译码器；通过调整扇出门模块、与门模块和或门模块中阈门的浓度系数使输出结果更加稳定。
附图说明
图1是本发明基于DNA链置换的4-10译码器设计方法的流程图。
图2是电子4-10译码器的电子电路图。
图3是电子4-10译码器的双轨电路图。
图4是DNA链置换4-10译码器的双轨DNA电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1至图4所示，本发明基于DNA链置换的4-10译码器设计方法首先根据DNA链置换4-10译码器的输入逻辑值设置DNA信号链的浓度，并通过扇出门模块将每个DNA信号分成10个具有相同逻辑值的不同DNA信号链，然后根据输出的80个DNA信号链自身所附带的域的不同根据沃森-克里克(C-G,T-A)互补配对原理和与门模块、或门模块进行杂交反应，最终输出20个DNA信号链，20个DNA信号链根据浓度的大小代表不同的逻辑值，进而实现DNA链置换4-10译码器的功能。
实施例1
本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但是本发明的保护范围不限于下述实施例。因为阈门浓度系数并不是固定的以及DNA输入信号链的浓度也不是固定的，本发明以扇出门模块、与门模块和或门模块中阈门浓度分别为0.4、3.2、0.6倍单位量以及输入DNA信号链中高低浓度分别设为0.9和0.1倍单位量为例。本发明的设计方法如下：
步骤1：将10个输出扇出门模块中阈门的浓度设为0.4倍单位量，将4个输入与门模块中阈门的浓度设为3.2倍单位量，将4个输入或门模块中阈门的浓度设为0.6倍单位量。
步骤2：电子4-10译码器有4个输入(A0，A1，A2，A3)和10个输出(Y0，Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9)，分别对应到DNA链置换4-10译码器的8个输入DNA信号链和20个输出DNA信号链 每个电子4-10译码器的信号都分别用表示逻辑1和逻辑0的DNA信号链表示，例如，A0用分别表示逻辑1和逻辑0的DNA信号链和表示，若A0＝1，则该DNA信号链的浓度设为高浓度，DNA信号链的浓度设为低浓度，若A0＝0，则该DNA信号链的浓度设为低浓度，DNA信号链的浓度设为高浓度，其它对应关系见下面的表1和表2。根据DNA链置换4-10译码器特定的输入来设置DNA输入信号链的浓度，信号链的浓度只有高低浓度两种状态。
表1输入信号与DNA信号链浓度的对应关系
表2输出信号与DNA信号链浓度的对应关系
步骤3：8个输入DNA信号链都与相同参数的扇出门模块反应，将每个DNA信号链分成10个不同的DNA信号链，但是这10个不同的DNA信号链代表的逻辑值不变。经过与8个扇出门的反应之后，输出80个DNA信号链，进行下一步反应。
步骤4：DNA 4-10译码器的输出输入逻辑关系如下：
80个DNA信号链分别根据自身对应的域参与对应的与门模块和或门模块的反应，输出20个DNA信号链。
步骤5：根据最终输出的20个DNA信号链的浓度来判断逻辑值，实现DNA链置换4-10译码器的功能。
综上所述，本发明通过设置扇出门模块、与门模块和或门模块中阈门浓度分别为0.4、3.2、0.6倍单位量以及输入DNA信号链中高低浓度分别设为0.9和0.1倍单位量，设计了稳定的DNA链置换4-10译码器。通过Visual DSD软件模拟，进一步验证了DNA链置换4-10译码器的功能。模拟结果见下面的表3和表4，其中，表3显示了DNA链置换4-10译码器的双轨DNA电路模拟对应的DNA输入信号链的浓度变化。表4显示了DNA链置换4-10译码器的双轨DNA电路模拟对应的DNA输出信号链的浓度变化。
表3
表4
通过表3和表4的模拟结果可以看出，DNA链置换4-10译码器具有很好的封装性和稳定性，可以与其它DNA逻辑电路级联组合成更大规模的DNA逻辑电路实现更复杂的DNA计算。由此说明本发明DNA链置换4-10译码器的设计方法是有效可行的。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.基于DNA链置换的4-10译码器设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：根据DNA链置换4-10译码器的输入逻辑值设定输入DNA信号链的浓度，包括如下子步骤：
步骤1.1、分别设置10个输出扇出门模块、4个输入与门模块和4个输入或门模块；
步骤1.2、将步骤1.1所述的4个输入与门模块和4个输入或门模块均与10个输出扇出门模块共同形成逻辑链路，建立各个输入和输出之间的对应关系；
步骤1.3、根据DNA链置换4-10译码器的输入逻辑值分别给步骤1.1中的10个输出扇出门模块、4个输入与门模块和4个输入或门模块设定其各自对应的DNA信号链的浓度值；
步骤2：电子4-10译码器有4个输入(A0，A1，A2，A3)和10个输出(Y0，Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9)，每个电子4-10译码器的信号都分别用表示逻辑1和逻辑0的DNA信号链表示，则对应得到DNA链置换4-10译码器的8个输入DNA信号链和20个输出DNA信号链 8个输入DNA信号链均与相同参数的扇出门模块反应，将每个DNA信号链分成10个具有与初始相同逻辑值的不同DNA信号链，即得到80个DNA信号链；
步骤3：通过步骤2得到的80个DNA信号链根据沃森-克里克互补配对原理与相应的与门模块和或门模块进行杂交反应，输出20个DNA信号链；DNA链置换4-10译码器的输出输入逻辑关系如下：
步骤4：根据步骤3输出的20个DNA信号链的浓度来判断逻辑值，实现DNA链置换4-10译码器的功能。
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