CN108009395B - 一种用dna链置换反应实现单分子形式化学反应网络的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用DNA链置换反应实现单分子形式化学反应网络的方法，包括以下步骤：S1：用具有相同标记的DNA链表示一种形式化学反应物质，每种标记包括一个短链和一个长链；S2：用一个DNA链置换反应映射一个不可逆单分子形式化学反应，用两个DNA链置换反应映射一个可逆单分子形式化学反应，多个形式化学反应组成的反应网络为形式化学反应网络；S3：根据形式化学反应的速率常数设定对应DNA反应的速率常数，所述形式化学反应的速率常数等于对应DNA链反应的速率常数乘以辅助链的初始浓度；S4：根据标记链中的短链与其互补链的匹配程度来调整链置换反应的速率；S5：用所有DNA链置换反应构成的DNA网络的动力学特性模拟形式化学反应网络的动力学特性。

Description

一种用DNA链置换反应实现单分子形式化学反应网络的方法
技术领域
本发明涉及分子计算领域，特别是涉及一种用DNA链置换反应实现单分子形式化学反应网络的方法。
背景技术
传统的计算机主要采用硅基电路，根据摩尔定律，近年来硅基芯片的发展已经到达顶峰。由于小于5nm的硅基材料会有隧穿效应的问题，摩尔定律已经不能适用。所以，新型的计算方式和材料收到了研究者们广泛的关注。在国内外现有的研究中，分子计算作为一个极具潜力的领域，已经有了大量的成果。由于化学反应网络能够表现多样的动力学特性，被很多研究者当做一种可编程的语言来实现数字电路，模拟电路和信号处理等多样的计算模块。而使分子计算真正有意义的是它能够通过实际的化学物质作为载体实现，例如DNA计算和蛋白质计算得到了相对较多的关注。用DNA制成的生物芯片不但能够实现计算功能，而且与人体亲和，可以植入人体实现所需功能。
DNA反应相对抽象的形式化学反应网络相对复杂，而在设计计算功能时直接使用形式化学反应网络却更为便捷。为了保证反应模块的实际意义并简化设计过程，在抽象反应网络与真实DNA反应网络之间建立一种对应关系非常重要。Soloveichik,D.,Seelig,G.,and Winfree,E.发表于Proceedings of the National Academy of Sciences(PNAS)107,5393–5398的文章“DNA as a universal substrate for chemical kinetics”，设计了精确的DNA链置换反应网络，使得它们的动力学特性能够准确的接近任意形式化学反应网络，只要该网络中的反应满足反应物不超过两个。在他的设计中，每一个单分子反应需要用两个DNA链置换反应实现，而每一个双分子反应需要三个DNA链置换反应实现。这样的复杂度其实是比较高的。而在实际应用中，会出现一些相对单一的反应网络。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够降低复杂度的用DNA链置换反应实现单分子形式化学反应网络的方法。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的用DNA链置换反应实现单分子形式化学反应网络的方法，包括以下步骤：
S1：用具有相同标记的DNA链表示一种形式化学反应物质，每种标记包括一个短链和一个长链；
S2：用一个DNA链置换反应映射一个不可逆单分子形式化学反应，用两个DNA链置换反应映射一个可逆单分子形式化学反应，多个形式化学反应组成的反应网络为形式化学反应网络；
S3：根据形式化学反应的速率常数设定对应DNA反应的速率常数，所述形式化学反应的速率常数等于对应DNA链反应的速率常数乘以辅助链的初始浓度；
S4：根据标记链中的短链与其互补链的匹配程度来调整链置换反应的速率；
S5：用所有DNA链置换反应构成的DNA网络的动力学特性模拟形式化学反应网络的动力学特性。
进一步，所述步骤S2中，DNA链置换反应为信号链与辅助双链发生的不可逆置换反应，其中辅助链含有与信号链中的短链不完全匹配的互补短链。辅助链的初始浓度大于所有信号链的初始浓度。
进一步，所述步骤S4中，对于无法调整到的链置换反应的速率，通过改变辅助链初始浓度进行进一步调整。
有益效果：本发明巧妙地利用化学反应网络的微分方程动力学特性，为一个DNA链置换反应与一个抽象的单分子反应建立了对应关系。与现有技术的方法相比复杂度减小了一半，设计好的DNA链置换反应网络的动力学特性能够很大程度上接近任意单分子的形式化学反应网络。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中方法的流程图；
图2为本发明具体实施方式中用一个DNA链置换反应映射一个单分子形式反应的设计模块的示意图；
图3为本发明具体实施方式中针对一个有三种反应物的单分子反应网络的DNA设计结果；
图4为针对图3中的形式反应网络与DNA反应网络在设置特定的初始浓度和反应速率的情况下的ODE仿真结果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种用DNA链置换反应实现单分子形式化学反应网络的方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：用具有相同标记的DNA链表示一种形式化学反应物质，如图2所示，每种标记包括一个短链和一个长链，每种标记唯一确定一种形式反应物，凡是带有相同标记序列的DNA链，即使历史链“？”的序列不同，都表示同一种形式反应物；
S2：如图2所示，用一个DNA链置换反应映射一个不可逆单分子形式化学反应，用两个DNA链置换反应映射一个可逆单分子形式化学反应；形式化学反应即为抽象的用符号(例如字母)表示每种物质，并不具有特定化学含义的反应，多个形式化学反应组成的反应网络即为形式化学反应网络；带有标记的单链称为信号链，辅助链则都为双链；为了保证动力学特性尽可能的相似，要求辅助链的初始浓度Cmax远大于所有信号链的初始浓度；每个反应会生成杂质，但杂质的存在不影响信号链的动力学特性；
S3：根据形式化学反应的速率常数ki设定对应DNA反应的速率常数qi，满足形式化学反应的速率常数ki等于对应DNA链反应的速率常数qi乘以辅助链的初始浓度Cmax，即qi*Cmax＝ki；
S4：根据标记链中的短链与其互补链的匹配程度来调整链置换反应的速率qi，本次调整称为粗调，由于短链序列并不长，所以粗调的精度有限；粗调不能到达速率qi时，可以通过改变辅助链Cmax的浓度进行微调，使得Cmax乘以该粗调速率依旧等于ki即可；
S5：用设计的DNA网络的动力学特性模拟形式化学反应网络的动力学特性。
考虑如图3左边所示的这样一个形式化学反应网络，该网络中的反应均为反应物和生成物都只有一种的单分子反应，并且包含了可逆反应和不可逆反应。根据上述的设计方法，实现该网络的DNA反应网络如图3右边。每一个单分子反应需要一个DNA反应，而可逆反应因为是双向的，需要两个DNA反应。可以发现，输出相同的信号链时，标记序列是一样的，但是历史链会根据输入信号链的不同而改变，但这些链都被认为代表了同一种形式反应物，所以不影响整体的动力学特性。
本发明中用了确定性的化学反应网络模型来仿真，以证实设计方法的准确性。具体来说就是用常微分方程组(ODEs)进行仿真。反应网络设计完毕后，根据物质作用定律，列出相应的ODE方程，解出所有物质浓度随时间的变化。在反应网络设计完毕后，使用仿真软件CRN simulator，通过mathematica软件进行仿真。输入所有的反应和反应物初始浓度，就可以得到仿真图像，如图4。在该案例中，设置形式反应物M1的初始浓度为1nM，4个反应速率常数k1,k2,k3,k4分别为
100/hour,200/hour,300/hour,400/hour。在DNA网络中，设置Cmax为10-5M,所以q1,q2,q3,q4分别为0.01/nM/hour,0.02/nM/hour,0.03/nM/hour,0.04/nM/hour。从仿真图像可以看出，DNA网络的动力学特性与理想的动力学特性高度一致，进一步证实了此方法的可行性。

Claims (3)

1.一种用DNA链置换反应实现单分子形式化学反应网络的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：用具有相同标记的DNA链表示一种形式化学反应物质，每种标记包括一个短链和一个长链；
S2：用一个DNA链置换反应映射一个不可逆单分子形式化学反应，用两个DNA链置换反应映射一个可逆单分子形式化学反应，两种形式化学反应组成的反应网络为形式化学反应网络；
S3：根据形式化学反应的速率常数设定对应DNA反应的速率常数，所述形式化学反应的速率常数等于对应DNA链反应的速率常数乘以辅助链的初始浓度；
S4：根据标记链中的短链与其互补链的匹配程度来调整链置换反应的速率；
S5：用所有DNA链置换反应构成的DNA网络的动力学特性模拟形式化学反应网络的动力学特性。
2.根据权利要求1所述的用DNA链置换反应实现单分子形式化学反应网络的方法，其特征在于：所述步骤S2中，DNA链置换反应为信号链与辅助双链发生的不可逆置换反应，其中辅助链含有与信号链中的短链不完全匹配的互补短链；辅助链的初始浓度大于所有信号链的初始浓度。
3.根据权利要求1所述的用DNA链置换反应实现单分子形式化学反应网络的方法，其特征在于：所述步骤S4中，对于无法调整到的链置换反应的速率，通过改变辅助链初始浓度进行进一步调整。
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