CN111420718B - 一种求解最小集合覆盖问题的微流控芯片及其dna计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了生物计算机技术领域的一种求解最小集合覆盖问题的微流控芯片及其DNA计算方法，包括加样孔、加样通道、底物液池、反应池组、废液池、出液通道、毛细通道、第一微流体通道以及第二微流体通道，芯片结构简单，制作方便，不需要集成任何微阀微泵等元件；该方法利用离心力驱动芯片上溶液的流动，能在芯片上穷举所有可能的结果，并同一时刻验证结果是否满足条件，不需要在芯片上重复多次添加DNA序列，减少了人工的干预，克服了传统算法中串行计算量大、时间复杂度大的问题，实现了DNA计算的强大并行能力，利用芯片上的DNAzyme裂解RNA的反应来求解MSC问题，有效地提高了计算的可靠性。

Description

一种求解最小集合覆盖问题的微流控芯片及其DNA计算方法

技术领域

本发明涉及生物计算机技术领域，具体为一种求解最小集合覆盖问题的微流控芯片及其DNA计算方法。

背景技术

最小集合覆盖问题(minimum set covers,MSC)是一个重要的NP完全问题，在规划调度、订单配送、信息检索、网络设施选址、车辆路径优化等领域具有广泛的应用。迄今为止，研究人员提出了多种算法求解该问题，比如贪心算法、近似算法、遗传算法、人工蜂群算法等。但这些算法的时间复杂度大，时效性低，且不能并行计算。DNA计算作为一种新的分子计算模型，因其高度的并行计算能力，海量的存储能力，优秀的搜索策略以及超快的计算速度，可被用来解决各种NP问题。DNAzymes是一类人工合成的具有催化活性的DNA分子，可以在辅因子存在的情况下裂解特定的底物。因其具有良好的编程能力、稳定性和活性，且合成相对便宜，容易修饰和功能化，已被广泛应用于分析应用、生物传感器、化学生物学和纳米技术等领域。通常，这种DNAzyme由底物链和酶链组成。底物链包含一个单链RNA连接(rA)作为裂解位点，而酶链由一个催化核心和两个臂组成。在催化辅因子(可以是不同的金属离子和氨基酸)存在下，酶链将底物链裂解为两部分。根据DNAzyme的这一特点，将MSC问题转化成微流控芯片上的DNAzyme裂解反应，为DNAzyme在智能计算领域的应用提供了一个有前景的思路。

微流控芯片(Microfluidic chips)技术是样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析、检测、运算等全过程的技术。该技术的发展为解决传统生化反应中存在的操作过程复杂，所需容器多，样品消耗量大,反应效率低，污染严重等问题提供了有力的技术支撑和平台。为实现微流控芯片的运算或检测功能，驱动和控制芯片内液体的流动成为该技术的关键问题。传统的驱动方式是电渗驱动和压力驱动，前者需要高压电源设备，驱动系统复杂庞大；后者包括两种，一种是利用宏观泵或注射器与微流体管道耦合，这种方法简单、容易实现且成本较低，但不易小型化，另一种则采用微加工制作微泵来提供动力，工艺复杂且造价高。离心力驱动是微流控技术中一种独特的技术，它利用芯片在微电机带动下做圆周运动时所产生的离心力作为液体的驱动力。由于离心式微流控芯片具有加工方便、驱动简单、不需要额外的泵和阀的特点，能在一块芯片上实现复杂的生化反应过程，因此成为微流控芯片领域的研究与应用热点，将DNAzyme技术与微流控技术相结合用于解决MSC问题是目前重要的研究任务，基于此，本发明设计了一种求解最小集合覆盖问题的微流控芯片及其DNA计算方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种求解最小集合覆盖问题的微流控芯片及其DNA计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种求解最小集合覆盖问题的微流控芯片，包括加样孔、加样通道、底物液池、反应池组、废液池、出液通道、毛细通道、第一微流体通道以及第二微流体通道，所述加样通道连通加样孔和底物液池，所述第一微流体通道连通底物液池和反应池组，所述毛细通道连通反应池组和废液池，所述第二微流体通道连通废液池和出液通道。

进一步的，所述反应池组包含五个反应池，依次编号a～e。

求解最小集合覆盖问题的微流控芯片的DNA计算方法，包括如下步骤：

S1：建立求解最小集合问题与微流控芯片上的DNAzyme裂解反应过程的映射关系：用DNAzyme序列表示集合C_i(i＝1,2,....q)中的元素，用能被该DNAzyme裂解的mRNA序列表示集合S＝{1,2,...,p}中的元素，在反应池组中分别加入表示集合S中各元素的mRNA序列溶液以及反应所需的Na⁺；底物液池中按照C_1～C_q在不同组合中的取值，加入其所包含元素对应的DNAzyme序列溶液，将问题的求解过程转化为芯片上DNA酶裂解mRNA的反应，即最小集合覆盖问题的解是集合C中的元素集合，即集合S的多个相异的子集的组合，在微流控芯片上设计2^q个重复的单元，采用DNAzyme序列表示集C_i(i＝1,2,....q)中的元素，根据每个组合中C_i元素的取值，在每个重复单元的底物液池存放相应的DNAzyme序列溶液，通过这种设计，巧妙地将串行计算转换成并行计算，解决了传统算法计算量大、时间复杂度大的问题；

S2：通过离心力驱动各底物液池的DNAzyme序列溶液分别进入相应的反应池，当进入反应池的DNAzyme序列找到与其碱基互补的mRNA序列，就能够快速的特异性识别和切割RNA序列的特定位点(rA),荧光基团和淬灭基团将因mRNA的裂解游离在溶液中释放出荧光，即判断每一种组合I＝C₁∪C₂∪...∪C_i....∪C_q是否能覆盖集合S,即能包含集合S中的所有元素，如果能覆盖集合S,说明此组合是集合的一个覆盖，则它可能是问题的最终解，保留此可行解；否则一定不是问题的解，采用能被DNAzyme裂解的mRNA序列表示集合S＝{1,2,...,p}中的元素，在芯片的每个重复单元的p个反应池中存入相应的mRNA序列溶液和反应所需Na+；通过控制离心力大小驱动DNAzyme溶液进入芯片的反应池，使DNAzyme序列与mRNA序列发生裂解反应，根据反应产生的荧光结果来确定最小集合覆盖问题的可行解；

S3：记录结果：将反应池组中发出荧光的记录为1，不发出荧光的记录为0，统计每个重复单元的记录情况，全为1即为问题的可行解，统计可行解中对应的C_1～C_q中取值为1的个数，个数最少的即为最小集合覆盖问题的解，即在从集合S的所有覆盖中找出它的最小覆盖，将上述步骤S2得到的所有集合覆盖做好记录，统计这些组合中包含集合C_i元素的个数，所含集合C_i元素的个数最少的即为最小集合覆盖，本方法中由于在DNAzyme序列与mRNA序列的两端绑定了荧光基团和淬灭基团，问题的可能解可通过检测荧光得到，具体来说，反应池d(a～e)都发出荧光的单元所对应的组合即为问题的可能解，这些组合中包含集合C_i元素的个数最少的组合就是集合S的最小集合覆盖。

进一步的，该算法模型可通过扩展多块芯片来解决集合C中含有q(q＞0)个元素，集合S中含有n个(0＜n≤5)元素的最小集合覆盖问题，所需扩展芯片的个数为2^q-3。

进一步的，所述步骤S2中需采用离心机进行微液流驱动。

进一步的，所述步骤S3中需要用激光共聚焦显微镜观察芯片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将DNAzyme技术与微流控技术相结合，基于DNAzyme裂解RNA反应构建了求解最小集合覆盖问题的离心式微流控芯片的通用算法模型，该算法可通过扩展多块芯片来解决集合C中含有q(q＞0)个元素，集合S中含有n个(0＜n≤5)元素的最小集合覆盖问题，所需扩展芯片的个数为2^q-3，芯片结构简单，制作方便，不需要集成任何微阀微泵等元件；该方法利用离心力驱动芯片上溶液的流动，能在芯片上穷举所有可能的结果，并同一时刻验证结果是否满足条件，不需要在芯片上重复多次添加DNA序列，减少了人工的干预，克服了传统算法中串行计算量大、时间复杂度大的问题，实现了DNA计算的强大并行能力，利用芯片上的DNAzyme裂解RNA的反应来求解MSC问题，有效地提高了计算的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的微流控运算芯片的运算系统的结构示意图；

图2是本发明提供的DNAzyme裂解mRNA的原理图；

图3是本发明所用DNAzyme序列结构示意图；

图4为本发明芯片结构立体图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

加样孔1、加样通道2、底物液池3、反应池组4、废液池5、出液通道6、毛细通道7、第一微流体通道8、第二微流体通道9。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种求解最小集合覆盖问题的微流控芯片，包括加样孔1、加样通道2、底物液池3、反应池组4、废液池5、出液通道6、毛细通道7、第一微流体通道8以及第二微流体通道9，加样通道2连通加样孔1和底物液池3，第一微流体通道8连通底物液池3和反应池组4，毛细通道7连通反应池组4和废液池5，第二微流体通道9连通废液池5和出液通道6。

其中，反应池组4包含五个反应池，依次编号a～e。

图2展示了DNAzyme裂解mRNA的原理，其中，mRNA序列连接(rA)作为裂解位点，而DNAzyme序列由一个催化核心和两个臂组成，通过使用Watson-Crick碱基互补配对原则来设计结合臂，DNAzyme将被定向到特定的裂解位点；在催化辅因子存在下，DNAzyme将mRNA序列裂解为两部分，在mRNA序列的两端绑定荧光基团(如FAM)和淬灭基团(如IABkFQ)，mRNA的裂解反应很容易通过这些荧光信号来检测，且这些荧光信号可以用来反应许多问题的计算结果。

采用一种钠特异性DNAzyme(NaA43),表示S_i,相应的mRNA序列表示为

这种DNAzyme在Na+存在的情况下，能够特异性地、快速地识别和裂解mRNA序列的特点位点(rA)；为了得到可检测的运算信号，分别在DNAzyme链的3'端标记淬灭基团，在mRNA链的5'和3'端分别标记荧光基团和淬灭基团，如图3所示。

根据DNAzyme裂解mRNA的原理，将DNAzyme序列和mRNA序列进行编码，如表1所示，其中S_i表示DNAzyme序列，

表示相应的mRNA序列；每一个S_i的中间部分编码为NaA43的催化核心,相应

的中间部分编码为能被其特异性识别切割的TrAGGAA序列，为了区分各个S_i元素，两端的碱基序列可采用不同的序列，只要保证

与S_i碱基互补即可。

表1：RNA和DNAzyme编码

求解最小集合覆盖问题的微流控芯片的DNA计算方法，包括如下步骤：

S1：设计芯片并给芯片的每个重复单元进行编号:根据最小集合覆盖问题设计相应的离心式微流控芯片模型，由于集合C有q个元素，所以共有2^q种组合，而集合S有p个元素，因此，芯片共有2^q个独立重复单元，每个单元含有p个反应池，按顺序将2^q个单元按照C₁,C₂,...C_q在不同组合中的取值进行编号并做好标记，如编号0表示C₁＝C₂＝...＝C_q＝0，编号3表示C₁～C_q中C₁＝C₂＝1，其他元素均为0，具体如表2所示，每个独立重复单元的反应池d也编号为1～p；

表2：标记编号

S2：编码所需序列并初始化计算模板:根据算法原理设计编码订制所需的DNAzyme和RNA序列，向每个重复单元的反应池d(a～e)中按顺序分别加入表示集合S中各元素的mRNA序列溶液以及反应所需的Na+，并根据步骤S1中的编号,通过加样孔依次向2^q个重复单元的底物液池中按照C₁～C_q在不同组合中的取值，加入其所包含元素对应的DNAzyme序列溶液，规则是：若C_i取值为1,则加入C_i中含有的元素所对应的DNAzyme序列溶液，若C_i取值为0,则不加入相应DNAzyme序列，如向编号为0的底物液池不加任何试剂；向编号为1的底物液池只加入C₁中含有的元素所对应的DNAzyme序列溶液；向编号为2^q-1的底物液池加入C₁～C_q中含有的元素所对应的DNAzyme序列溶液；

S3：将芯片固定在离心机上，启动离心机，通过控制离心力大小来驱动各底物液池的DNAzyme序列溶液分别进入相应的反应池，进入反应池的DNAzyme序列如果能够找到与其碱基互补的mRNA序列，就能够快速的特异性识别和切割RNA序列的特定位点(rA),荧光基团和淬灭基团将因mRNA的裂解游离在溶液中释放出荧光；观察结果并记录可行解：用激光共聚焦显微镜观察芯片中每个重复单元的反应池d中的荧光情况并记录，记录规则是：将反应池d中发出荧光的记录为1，不发出荧光的记录为0；统计每个重复单元的记录情况，全为1即为问题的可行解，将其对应的单元编号记录下来；从可行解中选出最优解：统计可行解中对应的C₁～C_q中取值为1的个数，个数最少的作为最小集合覆盖问题的解。

本发明将DNAzyme技术与微流控技术相结合，提出了一种离心式微流控芯片模型用于解决MSC问题，并给出了芯片模型的具体结构和生物操作算法，该模型通过在离心式微流控芯片上设计多个重复单元的结构，利用芯片上的DNAzyme裂解mRNA的反应来求解MSC问题，解决了传统算法中时间复杂度大、串行计算量大的问题，实现DNA计算的强大并行能力；通过离心力来驱动芯片上溶液的流动，减少了人工干预，使得算法过程简单，不需要反复进行合并、分离、设置、清除以及试剂添加的操作；且得益于微加工技术的飞速发展，集成多个重复单元的芯片尺寸并不大，且结构简单，制作成本低，能有效地减少样品溶液的体积，减少反应时间，显著地提高计算可靠性，为求解最小集合覆盖问题提供了一种新的思路。

实施例

以S＝{S₁,S₂,S₃,S₄,S₅}，C＝{C₁,C₂,C₃,C₄}，C₁＝{S₁,S₃,S₄,S₅}，C₂＝{S₁,S₄}，C₃＝{S₂,S₅}，C₄＝{S₂,S₃,S₄}为例，由于集合C有4个元素，即需要16个重复的单元，可采用两片如图1所示的芯片来解决该MSC问题，具体过程如下：

(1)设计芯片并做好编号标记，设计如图4所示的芯片2片，按顺序将16个单元按照C₁,C₂,...C₄在不同组合中的取值进行编号并做好标记，如表3所示；

表3：单元编号

(2)编码合成所需的DNAzyme和RNA序列，如表4所示，向每个重复单元的反应池d(a～e)中按顺序分别加入表示集合S中各元素的mRNA序列溶液以及反应所需的Na+；再根据表3中的编号,依次在16个重复单元的底物液池c中按照C₁～C₄在不同组合中的取值，加入其所包含元素对应的DNAzyme序列溶液，加入情况如表5所示；

表4：本应用实例中DNAzyme和mRNA编码

表5：本应用实例中DNAzyme序列加入情况

(3)将芯片固定在离心机上，驱动各底物液池的DNAzyme序列溶液分别进入相应的反应池，观察结果并记录可行解如表6所示，图中有标记的为该最小集合覆盖问题的可行解，从可行解中选出最优解：统计可能解中对应的C₁～C₄取值为1的个数，个数最少的为最小结合覆盖问题的解，如表7所示；所以，最小结合覆盖问题的解{C₁,C₄}和{C₁,C₃}。

表6：计算结果

表7：最优解统计

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (1)

1.一种求解最小集合覆盖问题的微流控芯片的DNA计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：建立求解最小集合问题与微流控芯片上的DNAzyme裂解反应过程的映射关系：用DNAzyme序列表示集合C_i(i＝1,2,....q)中的元素，用能被该DNAzyme裂解的mRNA序列表示集合S＝{1,2,...,p}中的元素，在反应池组中分别加入表示集合S中各元素的mRNA序列溶液以及反应所需的Na⁺；底物液池中按照C_1～C_q在不同组合中的取值，加入其所包含元素对应的DNAzyme序列溶液，将问题的求解过程转化为芯片上DNA酶裂解mRNA的反应；

S2：通过离心力驱动各底物液池的DNAzyme序列溶液分别进入相应的反应池，当进入反应池的DNAzyme序列找到与其碱基互补的mRNA序列，就能够快速的特异性识别和切割RNA序列的特定位点(rA),荧光基团和淬灭基团将因mRNA的裂解游离在溶液中释放出荧光；

S3：记录结果：将反应池组中发出荧光的记录为1，不发出荧光的记录为0，统计每个重复单元的记录情况，全为1即为问题的可行解，统计可行解中对应的C_1～C_q中取值为1的个数，个数最少的即为最小集合覆盖问题的解；

该方法可通过扩展多块芯片来解决集合C中含有q(q＞0)个元素，集合S中含有n个(0＜n≤5)元素的最小集合覆盖问题，所需扩展芯片的个数为2^q-3；

所述步骤S2中需采用离心机进行微液流驱动；

所述步骤S3中需要用激光共聚焦显微镜观察芯片；

该方法使用一种求解最小集合覆盖问题的微流控芯片，其特征在于：包括加样孔(1)、加样通道(2)、底物液池(3)、反应池组(4)、废液池(5)、出液通道(6)、毛细通道(7)、第一微流体通道(8)以及第二微流体通道(9)，所述加样通道(2)连通加样孔(1)和底物液池(3)，所述第一微流体通道(8)连通底物液池(3)和反应池组(4)，所述毛细通道(7)连通反应池组(4)和废液池(5)，所述第二微流体通道(9)连通废液池(5)和出液通道(6)；

所述反应池组(4)包含五个反应池，依次编号a～e。

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