CN107124178A - 一种基于DNAOrigami的DNA分子逻辑门及其构建方法 - Google Patents

一种基于DNAOrigami的DNA分子逻辑门及其构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于分子计算领域，具体涉及一种基于DNA Origami的DNA分子逻辑门及其构建方法。本发明逻辑门包括输入信号、信号转化器和输出信号；所述信号转化器包括：DNAOrigami模板、位于DNA Origami模板上的helper链，以及可以和helper链识别并连接的DNA/AuNP结合物；所述输出信号为DNA/AuNP结合物从DNA Origami模板上释放。本发明在DNA origami上通过特定的DNA信号链来实现对金颗粒有选择性和动态的释放，从而实现逻辑门的运算，并且通过利用DNA链连接的金颗粒二聚物实现了同时输入3条输入链的逻辑门运算。本发明为构造复杂的分子电路和纳米器件提供思路；通过与各种纳米工程策略相结合，可用来组装大型的可编程的结构，也为各种分子构象的灵敏检测铺平了道路。

Description

一种基于DNA Origami的DNA分子逻辑门及其构建方法
技术领域
本发明属于分子计算领域，具体涉及一种基于DNA Origami的DNA分子逻辑门及其构建方法。
背景技术
近年来，DNA自组装已经变成一种构建纳米结构的强大的工具，在构建各种各样的二维和三维结构方面有着广泛的应用，包括平面阵列，柱形管以及各种几何形状。DNAorigami首次被Rothemund发现，他通过一条长的DNA单链M13与几百条短的DNA helper链杂交形成了初步的纳米结构，为研究人员提供了一种高效的能明确定义形状和大小的DNA纳米结构的方法。现在，DNA origami已经被应用在分子信号传感和逻辑计算等各个领域。金颗粒具有独特的结构和光学特性，一种能充分控制金颗粒与DNA组装的方法吸引着许多生物传感和纳米设备领域人员的关注。
Elbaz和他的同事们通过一个三元环链状的DNA结构构造了一个动态的用燃料驱动的金颗粒设备，然而，这种简单的DNA环只能提供有限的不是很精确的金颗粒结合位点。因此，实现复杂的可以空间寻址的金颗粒排列依然是一个大的挑战。
Hao Yan和他的同事们以DNA origami(一种DNA自组装体)为模板，来控制金颗粒的组装。使用这种方法，不同大小的金颗粒可以被排列到想要的位置，粒子之间的方向和位置都可以被控制。这项研究用静态的方式向我们展示了纳米粒子能与DNA origami组装，但是，设计一个具有动态操作特性的纳米粒子和DNA origami结合的策略仍然是令人关注的。此外，在大多数先前的纳米粒子与DNA origami组装的纳米系统中，实现同时多个输入的逻辑操作是非常困难的，这极大的阻碍了基于DNA origami的传感系统的发展。
纳米金颗粒(AuNPs)是指尺寸在1-100nm范围内的粒子，一般为分散在水中的水溶胶，故又称胶体金。由于纳米金颗粒具有与大小、形状和聚集程度相关的物理和化学特性，被广泛应用于各种生物分析和生物医学检测技术中以及一些生物传感器的检测中。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于DNA Origami的DNA分子逻辑门及其构建方法，具体技术方案如下：
一种基于DNA Origami的DNA分子逻辑门包括：输入信号、信号转化器和输出信号；
所述信号转化器包括：DNA Origami模板、位于DNA Origami模板上的helper链，以及和helper链识别并连接的DNA/AuNP结合物；
所述helper链为DNA链；
所述DNA/AuNP结合物包括DNA链和与之结合的AuNP；
一条所述helper链与所述DNA/AuNP结合物中的一条DNA链杂交相连；
所述输入信号为DNA输入链X-L；所述DNA输入链X-L与helper链杂交相连，并置换出DNA/AuNP结合物中的DNA链，从而将DNA/AuNP结合物从DNA Origami模板上释放；
所述输出信号为DNA/AuNP结合物从DNA Origami模板上释放。
所述DNA/AuNP结合物中DNA链一端通过巯基化与AuNP相连。
一种基于DNA Origami的DNA分子逻辑门，所述DNA/AuNP结合物包括DNA链X1’、Y1’及与其两者共同相连的AuNP。
一种基于DNA Origami的DNA分子逻辑门，所述DNA/AuNP结合物包括DNA链X1’、Y1’，及两者分别相连的AuNP。
一种基于DNA Origami的DNA分子逻辑门，所述DNA/AuNP结合物包括DNA链A1’、B1’、C1’、D1’，其中A1’、B1’与一AuNP相连，C1’、D1’与另一AuNP相连，B1’和C1’相连。
DNA链分子之间的连接为杂交相连，所述杂交相连为完全互补或不完全互补。
所述DNA Origami模板为M13mp18链与staple链按摩尔比1:10的比例混合。
一种基于DNA Origami的DNA分子逻辑门，所述逻辑门为或门，包括输入信号、信号转化器和输出信号；
所述信号转化器包括：DNA Origami模板、位于DNA Origami模板上的helper链b1,c1，以及和helper链识别并连接的DNA/AuNP结合物；
所述DNA/AuNP结合物包括DNA链b1’，c1’和与两者分别结合的AuNP；
所述DNA链b1，c1分别与DNA链b1’，c1’杂交相连；
所述输入信号为DNA输入链b1-L、c1-L或两者混合；所述DNA输入链b1-L，c1-L分别与DNA链b1，c1杂交相连，并置换DNA链b1’，c1’；
所述输出信号为DNA/AuNP结合物从DNA Origami模板上释放。
一种基于DNA Origami的DNA分子逻辑门，所述逻辑门为与门，包括输入信号、信号转化器和输出信号；
所述信号转化器包括：DNA Origami模板、位于DNA Origami模板上的helper链d1，e1，以及和helper链识别并连接的DNA/AuNP结合物；
所述DNA/AuNP结合物包括DNA链d1’，e1’及与其两者共同结合的AuNP；
所述DNA链d1’，e1’和AuNP的摩尔比为1:1:1；
所述DNA链d1，e1分别与DNA链d1’，e1’杂交相连；
所述输入信号为DNA输入链d1-L和e1-L；所述DNA输入链d1-L，e1-L分别与DNA链d1，e1杂交相连，并置换DNA链d1’，e1’；
所述输出信号为DNA/AuNP结合物从DNA Origami模板上释放。
一种基于DNA Origami的DNA分子逻辑门，其特征在于，所述逻辑门为多输入与门，包括输入信号、信号转化器和输出信号；
所述信号转化器包括：DNA Origami模板、位于DNA Origami模板上的helper链f1，g1，以及和helper链识别并连接的DNA/AuNP结合物；
所述DNA/AuNP结合物包括DNA链f1’，g1’，T1，T2和与之结合的AuNP；其中f1’，T1与AuNP相连；g1’，T2与另一AuNP相连；所述DNA链T1，T2分别与桥梁链T杂交相连；
所述DNA链f1’、T1和AuNP的摩尔比为1:1:1；所述DNA链g1’、T2和AuNP的摩尔比为1:1:1；
所述DNA链f1，g1分别与DNA链f1’，g1’杂交相连；
所述桥梁链T一端与T1链杂交相连，另一端与T2链杂交相连。
所述输入信号为DNA输入链f1-L，g1-L，T-L；所述DNA输入链f1-L，g1-L，T-L分别与DNA链f1，g1，T杂交相连，并置换DNA链f1’，g1’，T1，T2；
所述输出信号为DNA/AuNP结合物从DNA Origami模板上释放。
一种基于DNA Origami的DNA分子逻辑门的构建方法，包括如下步骤：
1)将M13mp18链与staple链按1:10的摩尔比在缓冲液中混和，并退火，组装为DNAOrigami模板，选取DNA链，对其一端的DNA序列按照所设计的序列进行延长，从而在DNAOrigami模板表面特定位置延伸出来helper链；
2)将巯基化的与helper链杂交相连的DNA链与AuNP结合，形成DNA/AuNP结合物；
3)将步骤1)中所述的DNA Origami模板与步骤2)中所述的DNA/AuNP结合物杂交，形成AuNP/origami结合物；
4)向步骤3)中加入DNA输入链，输出信号为DNA/AuNP结合物从DNA Origami模板上释放。
步骤1)中所述缓冲液为TAE/Mg2+缓冲液，其配制方法为：40mM Tris，20mM乙酸，2mM EDTA，12.5mM醋酸镁调到pH＝8.0。
本发明的有益效果为：
1、本发明基于DNA Origami的DNA分子逻辑门在DNA origami上通过特定的DNA信号链来实现对金颗粒有选择性和动态的释放，从而实现逻辑门的运算；通过利用DNA链连接的金颗粒二聚物实现了同时输入3条输入链的逻辑门运算。
2、本发明实现了动态的多输入合作控制AuNPs的位置，并且操作结果能直接通过观察AuNPs和DNA origami之间特定的位置来获得。
3、本发明为构造复杂的分子电路和纳米器件提供思路；通过与各种纳米工程策略相结合，也可用来组装大型的可编程的结构，为各种分子构象的灵敏检测铺平了道路。
附图说明
图1为二输入OR逻辑门，其中，(a)为OR门系统图解，(b)为电泳图，(c)为TEM图像和统计分析。
图2为二输入AND逻辑门，其中，(a)为AND门系统图解，(b)为NP-DE-1电泳图，(c)为TEM图和统计分析，(d)为NP-DE-2电泳图。
图3(a)为NP-T形成图，(b)为金颗粒二聚体电泳图。
图4为三输入AND逻辑门，其中，(a)为AND门系统图解，(b)为产物VII和产物VIII的TEM图，(c)为通过UV照射的电泳图，(d)为凝胶电泳图。
具体实施方式
以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实验中所使用的DNA链购自上海生工，未被修饰的链用PAGE电泳纯化；被修饰了二硫化物和荧光基的链通过高性能液相色谱法提纯，相关DNA分子序列见表1；M13mp18DNA链从New England Biolabs购买；金颗粒从Ted Pella Inc购买。
TAE/Mg2+缓冲液配制为：40mM Tris，20mM乙酸，2mM EDTA，12.5mM醋酸镁调到pH＝8.0。
丙烯酰胺母液配制如下：配制500mL，浓度为45％的丙烯酰胺母液，称取217g丙烯酰胺和8g亚甲双丙烯酰胺，在37℃下溶解,加入去离子水定容至500mL。
实施例1：二输入或(OR)逻辑门
(1)将1.6nM的M13mp18链(约7000个碱基的环状链)与202个短staple链(表1)以1:10的比例在1×TAE/Mg2+缓冲液里面混和，并从90℃退火至室温，组装为DNA Origami-1模板,DNA Origami-1模板表面特定位置延伸出来3个helper链a1，b1，c1；
(2)巯基化的DNA链a1′与15nm金颗粒(AuNP)结合，形成DP-A结合物；巯基化的DNA链b1′，c1′分别与5nm金颗粒(AuNP)结合，形成DP-B和DP-C结合物；其中，链a1′，b1′，c1′能够分别识别helper链a1，b1，c1；
(3)步骤(1)中DNA Origami-1模板与步骤(2)中DP-B和DP-C结合物杂交，形成AuNP/origami结合物(产物I)，如图1a；
(4)向步骤(3)中加入DNA输入链，通过使用链置换有选择性的释放AuNP来实现逻辑运算。
NP-B和NP-C作为可以释放的目标，而NP-A作为一个参照物。DNA输入链b1-L和c1-L能识别helper链b1和c1上结合位点，并且能优先将链b1′，c1′置换出来，从而分别使得origami-1表面的NP-B和NP-C被释放。“真”值的输出由origami-1上的任何一个AuNP的释放来表示。
当只加入链c1-L时，NP-C释放形成产物II(在origami-1表面只剩NP-A和NP-B)；当只加入链b1-L时，NP-B从origami-1上释放形成产物III(在origami-1表面只剩NP-A和NP-C)；同时加入链c1-L和b1-L时，会形成产物IV(origami-1上只存在NP-A)。
图1b是图1a中对应产物的凝胶电泳图，泳道1对应的是origami-1，泳道2是产物I，泳道3是产物III，泳道4是产物II，泳道5是产物IV。泳道1中origami-1由于没有AuNPs的存在移动最快，泳道2中的产物I由于存在AuNPs最多移动最慢，泳道3和4因释放的都是5nm的AuNP，所有位移相似，泳道5中的产物IV只含一个15nmAuNP，所以位移只比泳道1中的origami-1慢。图1c是对应产物的TEM图像，以及对应产物的统计分析，产物I，II，III，IV对应的产率分别为：58.3％，69.6％，61.4％，87.6％，这充分说明了在origami中的AuNPs能够有选择性的被释放。
实施例2：二输入与(AND)逻辑门
(1)同实施例1中步骤，不同在于，组装为DNA Origami-2模板，DNA Origami-2模板表面特定位置延伸出来3个helper链a1，d1，e1；
(2)巯基化的DNA链a1′与15nm金颗粒(AuNP)结合，形成DP-A结合物；巯基化的DNA链d1′，e1′，5nm金颗粒(AuNP)按照1：1:1的摩尔比结合形成DP-DE-1结合物；其中，链a1′，d1′，e1′能够分别识别helper链a1，d1，e1；
(3)步骤(1)中DNA Origami-2模板与步骤(2)中DP-A，DP-DE-1结合物杂交，结合物NP-DE-1与origami-2通过链d1′/e1′和d1/e1相互杂交连接在一起，而作为参照的NP-A也连接在origami-2表面，形成AuNP/origami结合物(产物V)如图2a；
(4)向步骤(3)中加入DNA输入链，通过使用链置换有选择性的释放AuNP来实现逻辑运算。
DNA输入链d1-L和e1-L能够识别helper链d1和e1上结合位点。
当只加入输入链d1-L时，结合物NP-DE-1没有从origami-2中分离。因为输入链d1-L只能从中置换链d1′，而AuNP上的链e1′与origami-2上的helper链e1仍然连接在一起。图2b中的泳道3(产物V与输入链d1-L充分反应后的产物)中的带与泳道2(产物V)中带的位移一样，证明了我们的实验设计。
当只加入输入链e1-L时，结合物NP-DE-1没有从origami-2中分离。因输入链e1-L能将AuNP中的e1′置换出来，而不能使得AuNP从NP-DE-1结合物中分离。
当同时加入链d1-L和e1-L时，d1-L和e1-L会分别与origami-2上的d1和e1杂交，从而将5nmAuNP上的链d1′和e1′置换出来，最后使得5nmAuNP从origami-2中释放。TEM图像也证明了“AND”逻辑门操作。图2c分别显示了初始时5nmAuNP和15nmAuNP连在origami-2和只剩15nmAuNP与origami-2相连的图像，以及对应产物的比例分析。图2b是对应产物的电泳图，虽然图中最终产物IV(泳道5)比初始产物V(泳道2)位移更快一些，但是很难区分。
为了更进一步的验证二输入“AND”逻辑门，我们又设计了另一个AuNP/origami组装，是一个15nm的AuNP上的链d1′/e1′与origami上的helper链d1/e1杂交形成，即产物VI，如图2d，泳道1是其电泳位置，泳道2和3分别是只加链d1-L或e1-L的电泳位置，可以看出仅加入链d1-L或e1-L并不能使AuNP与origami-2分离。同时加入d1-L和e1-L时，通过链置换15nmAuNP从origami-2上分离，即产物VI，泳道4是其电泳位置，红带完全消失很好的证明了这一点。
实施例3三输入与(AND)逻辑门
(1)将1.6nM的M13mp18链(约7000个碱基的环状链)与202个短staple链以1:10的比例在1×TAE/Mg2+缓冲液里面混和，并从90℃退火至室温，组装为DNA Origami-3模板，DNA Origami-3模板表面特定位置延伸出来2个helper链f1，g1；
(2)巯基化的DNA链f1′、巯基化DNA链T1与15nm的金颗粒AuNP按照摩尔比1:1:1形成结合物NP-M；巯基化的DNA链g1′、巯基化DNA链T2与15nm的金颗粒AuNP按照摩尔比1:1:1形成结合物NP-N；
(3)步骤(1)中DNA Origami-3模板、步骤(2)中DP-M、DP-N结合物与桥梁链T杂交，形成AuNP/origami结合物(产物VII)；
(4)向步骤(3)中加入DNA输入链，通过使用链置换有选择性的释放AuNP来实现逻辑运算。
其中，在桥梁链T(与T1，T2互补)存在的条件下，NP-M和NP-N会杂交在一起形成一个二聚物NP-T，图3b是这三种产物的电泳图，泳道1，2，3分别是NP-T，NP-M，NP-N，可以看出NP-T比两外两个产物要慢很多。
图4a中，NP-T与origami-3通过互补链f1与f1′和g1与g1′杂交连接在一起形成三输入多数计算“AND”逻辑门的初始产物VII。而三条输入链(T-L,f1-L,g1-L)是用于置换出产物VII中的AuNP，输出“真”表示有AuNP从origami-3中分离。对这个系统来说，只要加入两个或所有的输入链，这输出值就为“真”。
当只加入一条输入链如f1-L时，链f1-L将会识别f1并置换出f1′，但是没有AuNP会从origami-3中释放，从图4b中TEM图中清晰的可以看到两个AuNP仍然连在origami-3上。在图4c中泳道4中的带与泳道3(产物VII)中带有着相同的位移，这也证明了只加入一条输入链时没有AuNP从origami-3中释放，因此，当只有一条输入链时，输出结果为“假”。
当同时输入任意两条输入链时(例如：T-L和g1-L)，T-L和g1-L分别会识别链T和g1′(通过T和g1′上的特异性识别位点)，将NP-N从origami-3置换出来，使之分离。从电泳结果可以看出分离了NP-N后的产物VIII(图4c中泳道5，图4d中泳道3)的带比产物VII的带跑的更快。说明在origami-3产物VIII上只有一个AuNP，而产物VII上存在两个AuNP。TEM图如图4b。
当同时加入三个输入链(T-L，f1-，g1-L)时，T-L，f1-L，g1-L分别识别T，f1′和g1′，并将所有AuNPs完全从origami-3中置换出来，使之分离。从图4d的电泳图可以看出加入三条输入链后原先的产物VII完全消失，说明两个AuNPs完全从origami-3上分离。
表1

Claims (12)

1.一种基于DNA Origami的DNA分子逻辑门，所述逻辑门包括：输入信号、信号转化器和输出信号，其特征在于，所述信号转化器包括：DNA Origami模板、位于DNA Origami模板上的helper链，以及和helper链识别并连接的DNA/AuNP结合物；
所述helper链为DNA链；
所述DNA/AuNP结合物包括DNA链和与之结合的AuNP；
一条所述helper链与所述DNA/AuNP结合物中的一条DNA链杂交相连；
所述输入信号为DNA输入链X-L；所述DNA输入链X-L与helper链杂交相连，并置换出DNA/AuNP结合物中的DNA链，从而将DNA/AuNP结合物从DNA Origami模板上释放；
所述输出信号为DNA/AuNP结合物从DNA Origami模板上释放。
2.根据权利要求1所述的基于DNA Origami的DNA分子逻辑门，其特征在于，所述DNA/AuNP结合物中DNA链一端通过巯基化与AuNP相连。
3.根据权利要求1或2所述的基于DNA Origami的DNA分子逻辑门，其特征在于，所述DNA/AuNP结合物包括DNA链X1’、Y1’及与其两者共同相连的AuNP。
4.根据权利要求1或2所述的基于DNAOrigami的DNA分子逻辑门，其特征在于，所述DNA/AuNP结合物包括DNA链X1’、Y1’，及两者分别相连的AuNP。
5.根据权利要求1或2所述的基于DNA Origami的DNA分子逻辑门，其特征在于，所述DNA/AuNP结合物包括DNA链A1’、B1’、C1’、D1’，其中A1’、B1’与一AuNP相连，C1’、D1’与另一AuNP相连，B1’和C1’相连。
6.根据权利要求1-5所述的基于DNA Origami的DNA分子逻辑门，其特征在于，DNA链分子之间的连接为杂交相连，所述杂交相连为完全互补或不完全互补。
7.根据权利要求1-5所述的基于DNA Origami的DNA分子逻辑门，其特征在于，所述DNAOrigami模板为M13mp18链与staple链按摩尔比1:10的比例混合。
8.权利要求1所述的基于DNA Origami的DNA分子逻辑门，其特征在于，所述逻辑门为或门，包括输入信号、信号转化器和输出信号；
所述信号转化器包括：DNA Origami模板、位于DNA Origami模板上的helper链b1,c1，以及和helper链识别并连接的DNA/AuNP结合物；
所述DNA/AuNP结合物包括DNA链b1’，c1’和与两者分别结合的AuNP；
所述DNA链b1，c1分别与DNA链b1’，c1’杂交相连；
所述输入信号为DNA输入链b1-L、c1-L或两者混合；所述DNA输入链b1-L，c1-L分别与DNA链b1，c1杂交相连，并置换DNA链b1’，c1’；
所述输出信号为DNA/AuNP结合物从DNA Origami模板上释放。
9.权利要求1所述的基于DNA Origami的DNA分子逻辑门，其特征在于，所述逻辑门为与门，包括输入信号、信号转化器和输出信号；
所述信号转化器包括：DNA Origami模板、位于DNA Origami模板上的helper链d1，e1，以及和helper链识别并连接的DNA/AuNP结合物；
所述DNA/AuNP结合物包括DNA链d1’，e1’及与其两者共同结合的AuNP；
所述DNA链d1’，e1’和AuNP的摩尔比为1:1:1；
所述DNA链d1，e1分别与DNA链d1’，e1’杂交相连；
所述输入信号为DNA输入链d1-L和e1-L；所述DNA输入链d1-L，e1-L分别与DNA链d1，e1杂交相连，并置换DNA链d1’，e1’；
所述输出信号为DNA/AuNP结合物从DNA Origami模板上释放。
10.权利要求1所述的基于DNA Origami的DNA分子逻辑门，其特征在于，所述逻辑门为多输入与门，包括输入信号、信号转化器和输出信号；
所述信号转化器包括：DNA Origami模板、位于DNA Origami模板上的helper链f1，g1，以及和helper链识别并连接的DNA/AuNP结合物；
所述DNA/AuNP结合物包括DNA链f1’，g1’，T1，T2和与之结合的AuNP；其中f1’，T1与AuNP相连；g1’，T2与另一AuNP相连；所述DNA链T1，T2分别与桥梁链T杂交相连；
所述DNA链f1，g1分别与DNA链f1’，g1’杂交相连；
所述桥梁链T一端与T1链杂交相连，另一端与T2链杂交相连。
所述输入信号为DNA输入链f1-L，g1-L，T-L；所述DNA输入链f1-L，g1-L，T-L分别与DNA链f1，g1，T杂交相连，并置换DNA链f1’，g1’，T1，T2；
所述输出信号为DNA/AuNP结合物从DNA Origami模板上释放。
11.根据权利要求10所述的DNA分子逻辑门，其特征在于，所述DNA链f1’、T1和AuNP的摩尔比为1:1:1；所述DNA链g1’、T2和AuNP的摩尔比为1:1:1。
12.一种基于DNA Origami的DNA分子逻辑门的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将M13mp18链与staple链按1:10的摩尔比在缓冲液中混和，并退火，组装为DNAOrigami模板，选取DNA链，对其一端的DNA序列按照所设计的序列进行延长，从而在DNAOrigami模板表面特定位置延伸出来helper链；
2)将巯基化的与helper链杂交相连的DNA链与AuNP结合，形成DNA/AuNP结合物；
3)将步骤1)中所述的DNA Origami模板与步骤2)中所述的DNA/AuNP结合物杂交，形成AuNP/origami结合物；
4)向步骤3)中加入DNA输入链，输出信号为DNA/AuNP结合物从DNA Origami模板上释放。
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