CN111428877B - 一种基于dna链置换的逻辑电路和装置 - Google Patents

一种基于dna链置换的逻辑电路和装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于DNA链置换的逻辑电路和装置。该电路包括输入模块，用于获取第一浓度的输入信号单链；阶跃模块，设有对应的预设阈值和预设增益比例，用于在所述输入信号单链的总浓度高于所述预设阈值时，反应生成所述预设增益比例的浓度的输出信号单链；输出模块，用于根据所述输出信号单链的总浓度输出0‑1数字信号。该装置包括所述电路。本申请实施例中，通过在所述逻辑电路设置阶跃模块，基于其对应的预设阈值和预设增益比例与输入信号单链反应，调整输出信号单链的浓度，并最终输出数字信号，能够提高电路的突变灵敏度和准确度，可提高基于DNA链所构成电路的工作效率。本申请可广泛应用于DNA信息技术领域内。

Description

一种基于DNA链置换的逻辑电路和装置
技术领域
本申请涉及DNA信息技术领域，尤其是一种基于DNA链置换的逻辑电路和装置。
背景技术
生物分子计算是指利用生物分子在分子规模上执行计算的一系列方法，包括分子计算、膜计算、基于细菌视紫红质的信息存储等。近年来，可编程的DNA计算逐渐成为一项热门研究方向，其中DNA链置换技术是实现DNA计算的一种重要手段。DNA链置换技术是一种等温、无酶的体外DNA扩增技术，该技术对序列的识别具有高度的选择性，在DNA纳米技术的帮助下，DNA链置换已用于第二代DNA探针系统的基因信号检测，并有潜力作为体内智能分子系统用于DNA信号的检测和处理。目前，利用DNA链置换技术已经开发出了一些生物分子信号处理系统，如无酶核酸逻辑电路，遗传编程和可进化分子机器，可执行自动联想记忆计算的Hopfield网络等。基于DNA链置换设计的电路可以分为数字电路和模拟电路两种，DNA数字电路中，一项重要任务是构建稳定且可扩展的逻辑门，自Adleman展示DNA计算以来，很多学者都独立地提出了不同DNA逻辑门的结构和实验操作，但是这些逻辑门无法组装成为具有一定规模的电路系统。
现有技术中，存在一种基于支点(toehold)交换机制的“跷跷板”DNA门结构，这种DNA计算结构可扩展性、模块化性较好，并且具有较高的鲁棒性。在这种结构中，每个逻辑门被抽象为表示支点交换的一个跷跷板节点，输入链与逻辑门的反应在直觉上类似于一个跷跷板，在燃料链的作用下，正向反应将向跷跷板门的一侧移动，由此产生输出链。因为输入链与逻辑门的反应是可逆反应，而输入链与阈值链的是不可逆反应，所以输入更链倾向于与阈值链结合，这样阈值链将在输入链与逻辑门反应之前吸收期望浓度的输入链。但是，目前的跷跷板门还至少存在以下问题：跷跷板门本质上是一个单位阶跃函数，在阈值附近的敏感度较低，突变较平缓。目前，现有技术中还缺少一种技术方案，以用于解决以上问题。
发明内容
本申请的目的在于至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本申请实施例的一个目的在于提供一种基于DNA链置换的逻辑电路，通过设置阶跃模块使得逻辑电路的输出信号具有较高的突变灵敏度和准确度。
本申请实施例的另一个目的在于提供一种基于DNA链置换的逻辑装置。
为了达到上述技术目的，本申请实施例所采取的技术方案包括：
第一方面，本申请实施例提供了一种基于DNA链置换的逻辑电路，包括：
输入模块，用于获取第一浓度的输入信号单链；
阶跃模块，设有对应的预设阈值和预设增益比例，用于在所述输入信号单链的总浓度高于所述预设阈值时，反应生成所述预设增益比例的浓度的输出信号单链；所述输入信号单链的总浓度等于至少一个所述第一浓度之和；
输出模块，用于根据所述输出信号单链的总浓度输出0-1数字信号。
另外，根据本申请上述实施例的基于DNA链置换的逻辑电路，还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述阶跃模块具体包括：
阈值子模块，包括第二浓度的湮灭信号单链，所述湮灭信号单链用于与所述输入信号单链反应生成湮灭信号双链；
增益子模块，包括第三浓度的增益信号链，所述增益信号链用于与所述输入信号单链反应生成第四浓度的输出信号单链；所述第四浓度为预设增益比例的浓度。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述阈值子模块还包括第一辅助信号双链，所述第一辅助信号双链用于与所述湮灭信号单链和所述输入信号单链反应，生成湮灭信号双链。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述增益子模块还包括第二辅助信号双链，所述第二辅助信号双链用于与所述增益信号链和所述输入信号单链反应，生成输出信号单链。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述输入信号单链采用四域信号链作为DNA编码形式。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述逻辑电路包括或门电路、与门电路中的至少一种。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述或门电路包括第一输入模块、第二输入模块、第一阶跃模块和第一输出模块；所述第一阶跃模块设有对应的第一预设阈值和第一预设增益比例；
所述第一输入模块和所述第二输入模块连接于所述第一阶跃模块，所述第一阶跃模块连接于所述第一输出模块；
所述第一预设阈值小于所述第一浓度；
所述第一输出模块在所述输出信号单链的总浓度小于所述第一预设增益比例时输出数字0信号，所述第一输出模块在所述输出信号单链的总浓度达到所述第一预设增益比例时输出数字1信号。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述与门电路包括第三输入模块、第四输入模块、第二阶跃模块和第二输出模块；所述第二阶跃模块设有对应的第二预设阈值和第二预设增益比例；
所述第三输入模块和所述第四输入模块连接于所述第二阶跃模块，所述第二阶跃模块连接于所述第二输出模块；
所述第二预设阈值大于所述第一浓度；
所述第二输出模块在所述输出信号单链的总浓度小于所述第二预设增益比例时输出数字0信号，所述第二输出模块在所述输出信号单链的总浓度达到所述第二预设增益比例时输出数字1信号。
第二方面，本申请实施例提出了一种基于DNA链置换的逻辑装置，包括所述的基于DNA链置换的逻辑电路。
本申请的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到：
本申请实施例中的电路包括输入模块，用于获取第一浓度的输入信号单链；阶跃模块，设有对应的预设阈值和预设增益比例，用于在所述输入信号单链的总浓度高于所述预设阈值时，反应生成所述预设增益比例的浓度的输出信号单链；输出模块，用于根据所述输出信号单链的总浓度输出0-1数字信号；本申请实施例中，通过在所述逻辑电路设置阶跃模块，基于其对应的预设阈值和预设增益比例与输入信号单链反应，调整输出信号单链的浓度，并最终输出数字信号，能够提高电路的突变灵敏度和准确度，可提高基于DNA链所构成电路的工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本申请实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本申请的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员来说，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1为根据本申请实施例提供的一种基于DNA链置换的逻辑电路的结构示意图；
图2为根据本申请实施例提供的一种四域信号链的DNA编码形式；
图3为根据本申请实施例提供的一种基于DNA链置换的逻辑电路中阈值子模块的反应示意图；
图4为根据本申请实施例提供的一种基于DNA链置换的逻辑电路中增益子模块的反应示意图；
图5为根据本申请实施例提供的一种基于DNA链置换的逻辑电路的工作原理示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解,“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
下面参照附图详细描述根据本申请实施例提出的基于DNA链置换的逻辑电路和装置，首先将参照附图描述根据本申请实施例提出的基于DNA链置换的逻辑电路。
参照图1，本申请实施例中提供的基于DNA链置换的逻辑电路，主要包括：
输入模块110，所述输入模块110用于获取第一浓度的输入信号单链；
阶跃模块120，所述阶跃模块120设有对应的预设阈值和预设增益比例，用于在所述输入信号单链的总浓度高于所述预设阈值时，反应生成所述预设增益比例的浓度的输出信号单链；所述输入信号单链的总浓度等于至少一个所述第一浓度之和；
输出模块130，用于根据所述输出信号单链的总浓度输出0-1数字信号。
本申请实施例中，所述输入信号单链、输出信号单链均指的是DNA分子链。具体地，作为一种可选的实施方式，本申请实施例中采用四域信号链作为DNA编码形式，参照图2，一个四域信号链X由4个部分组成：历史域Xh、识别域Xb，以及环绕识别域左右的2个支点域Xa和Xc，其中，历史域仅用来表明产生该链信号的反应，并不作为区分信号链的标识。假设是一个信号链由多个反应产生，虽然其历史域可能不同，但只要其识别域相同，就认为这些链属于同一种链信号。对于DNA分子链来说，只要信号链完全处于单链状态，就可以将其视作激活状态，可以与其他的双链或者单链分子发生反应，置换出单链分析或者形成双链分子。
可选地，本申请实施例中，所述阶跃模块120具体包括：
阈值子模块1201，所述阈值子模块1201内包括第二浓度的湮灭信号单链，所述湮灭信号单链用于与所述输入信号单链反应生成湮灭信号双链；本申请实施例中，所述湮灭信号单链可以直接设置为与所述输入信号单链互补的补链，从而使得所述输入信号单链输入后便与湮灭信号单链结合车固定的双螺旋DNA分子双链，不再参与后续的反应，实现输入信号湮灭的功能。而湮灭的输入信号单链显然和湮灭信号单链的浓度有关，湮灭信号单链的浓度越大，剩余的输入信号单链就越少，输入信号就越微弱。
进一步作为优选的实施方式，所述阈值子模块1201还包括第一辅助信号双链，所述第一辅助信号双链用于与所述湮灭信号单链和所述输入信号单链反应，生成湮灭信号双链。
参照图3，本申请实施例中，还提供了一种阈值子模块1201的设置方式，图中，DNA双链A1和A2为第一辅助信号双链，T为湮灭信号单链，X为输入信号单链，B和I1为反应的中间产物，
Figure BDA0002445252190000051
代表无信号链产出。第一辅助信号双链A1和A2可以间接激发湮灭信号单链T和输入信号单链X的反应，该反应的过程如下：
Figure BDA0002445252190000052
通过调整第一辅助信号双链A1和A2、湮灭信号单链T的浓度关系，即可使一定浓度的输入信号单链X被消耗。
增益子模块1202，所述增益子模块1202包括第三浓度的增益信号链，所述增益信号链用于与所述输入信号单链反应生成第四浓度的输出信号单链；所述第四浓度为预设增益比例的浓度。
进一步作为优选的实施方式，所述增益子模块1202还包括第二辅助信号双链，所述第二辅助信号双链用于与所述增益信号链和所述输入信号单链反应，生成输出信号单链。
参照图4，本申请实施例的增益子模块1202中，通过4个反应产出输出信号单链。图中，X是输入信号单链，Y是输出信号单链，G是增益信号链，S1、S2和S3是增益子模块1202的第二辅助信号双链，I1、I2和B均为反应过程的中间产物，
Figure BDA0002445252190000053
代表无信号链产出。其中输入信号单链X作为输入信号决定了阶跃信号的有无，增益信号链G作为增益信号决定了阶跃的增益幅值。也就是说，输出信号单链Y的稳态浓度完全由增益信号链G的初始浓度[G]_0和输入信号单链X决定。只要输入信号单链X的初始浓度大于0，输出信号单链Y的稳态浓度就是[G]_0，因此增益信号链G的初始浓度[G]_0即为预设增益比例的浓度。具体地，增益子模块1202反应方程如下：
Figure BDA0002445252190000054
X+I1→I2、S3+I2→X+Y。
可选地，本申请实施例中，在所述阶跃模块120内，通过支点互补程度控制所述输入信号单链与所述阈值子模块1201、所述增益子模块1202的反应顺序。即通过支点互补度控制输入信号单链与两个子模块之间的反应速率，从而使得输入信号单链首先和阈值子模块1201反应，如果初始浓度高于湮灭信号单链的第二浓度，才会和增益子模块1202反应，催化释放出预设增益比例的浓度的输出信号单链。
基于以上的各个模块，本申请中的逻辑电路可以设置为各种形式。具体地，以下以或门电路、与门电路、非门电路为例阐述本申请的逻辑电路具体结构，应当理解的是，以下实施例并不对本申请构成限制，可选地，该逻辑电路也可以被配置为其他的结构。
本申请实施例中，对于或门电路来说，其包括第一输入模块、第二输入模块、第一阶跃模块和第一输出模块；所述第一阶跃模块设有对应的第一预设阈值和第一预设增益比例；
所述第一输入模块和所述第二输入模块连接于所述第一阶跃模块，所述第一阶跃模块连接于所述第一输出模块；
所述第一预设阈值小于所述第一浓度；
所述第一输出模块在所述输出信号单链的总浓度小于所述第一预设增益比例时输出数字0信号，所述第一输出模块在所述输出信号单链的总浓度达到所述第一预设增益比例时输出数字1信号。
上述或门的工作原理是：输入信号单链X1和X2是第一输入模块、第二输入模块的输入，本申请实施例中，在构建的或门还可以将通过单分子反应将输出信号单链X1和X2都转化为更小的可识别的单链T1和T2(X1可以转换为T1和T2，X2也可以转换为T1和T2)。即一旦产生T1或者T2信号单链，说明逻辑电路接收到输入信号。一般来说，可以只设置T2的支路，即第一输入模块的输入X1和第二输入模块的输入X2都连接于一个第一阶跃模块，这个第一阶跃模块的第一预设阈值小于所述第一浓度，从而使得只要有一个输入模块，无论是第一输入模块还是第二输入模块有输入，第一阶跃模块都会产生输出，而输出信号单链的总浓度只要达到所述第一预设增益比例，就输出数字信号1，说明只要两个输入模块中有任意输入，输出就是1；而假设两个输入模块都没有输入，则输出信号单链的浓度为0，低于所述第一预设阈值，所以第一阶跃模块不会产生输出，输出信号单链的总浓度为0，小于第一预设增益比例，因此输出的数字信号也是0，此时逻辑电路达到了或门的效果：输入中含1，输出为1，输入均是0，输出为0。
具体地，本申请实施例中，结合图5和具体的浓度数据来说明或门逻辑电路的工作原理：本申请实施例中，下述浓度数据的单位为纳摩尔每升。其中，输入的输入信号单链X1和X2浓度为0.9，且输入信号单链X1和输入信号单链X2均可以分别产生浓度为0.9的T1和T2分子，假设该逻辑电路中的分子T1还通过预设阈值为0、预设增益比例为0.1的阶跃模块连接到输出模块，则该条支路有输入便会产生0.1浓度的输出信号单链Y；在构建或门的结构中，T2分子经过预设阈值为0.4、预设增益比例为0.8的阶跃模块连接到输出模块，当只有输入信号单链X1为逻辑“1”时，说明输入浓度为0.9，则T2的浓度为0.9，大于0.4，因此最终产生0.8浓度的输出信号单链Y，加上前述的0.1浓度的输出信号单链Y，已经达到了预设增益比例的0.8浓度，因此输出为数字信号“1”；同样，当只有输入信号单链X2为逻辑“1”或者输入信号单链X1、X2都为逻辑“1”时，都会产出0.9浓度的输出信号单链Y使得输出为数字信号“1”。构建逻辑与门的逻辑原理与上面相同，只需要将预设阈值改到1.2即可，此时，预设阈值1.2大于第一浓度0.9，因此需要输入信号单链X1、X2均为逻辑“1”时，即说明总的输入浓度为1.8，大于预设阈值1.2，阶跃模块才会有输出，最终产生0.8浓度的输出信号单链Y，加上前述的0.1浓度的输出信号单链Y，同样已经达到了预设增益比例的0.8浓度，因此输出为数字信号“1”，而输入信号单链X1、X2只有一个为逻辑“1”时，总的输入浓度为0.9，小于预设阈值1.2，阶跃模块不会有输出，此时起到的是与门的作用。
综合上述实施例，可以发现，本申请实施例中，所采用的基于DNA链置换的逻辑电路通过设置阈值子模块和增益子模块，能够灵活、快速地实现数字逻辑电路的与门、或门功能，并且增益子模块的输出预设增益比例可调，突变更迅速，反应更加灵敏，逻辑反应更准确。
本申请实施例还提供了一种基于DNA链置换的逻辑装置，包括所述的基于DNA链置换的逻辑电路。
上述的电路实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述的电路实施例相同，并且达到的有益效果与上述的电路实施例所达到的有益效果也相同。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本申请的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本申请，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个装置和/或模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的装置或模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本申请是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现本申请的技术方案。
应当理解，本申请用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。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方式或示例。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方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本申请的较佳实施进行了具体说明，但本申请并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种基于DNA链置换的逻辑电路，其特征在于，包括：
输入模块，用于获取第一浓度的输入信号单链；
阶跃模块，设有对应的预设阈值和预设增益比例，用于在所述输入信号单链的总浓度高于所述预设阈值时，反应生成所述预设增益比例的浓度的输出信号单链；所述输入信号单链的总浓度等于至少一个所述第一浓度之和；
输出模块，用于根据所述输出信号单链的总浓度输出0-1数字信号；
所述阶跃模块具体包括：
阈值子模块，包括第二浓度的湮灭信号单链，所述湮灭信号单链用于与所述输入信号单链反应生成湮灭信号双链；
增益子模块，包括第三浓度的增益信号链，所述增益信号链用于与所述输入信号单链反应生成第四浓度的输出信号单链；所述第四浓度为预设增益比例的浓度；
所述逻辑电路包括或门电路、与门电路中的至少一种；
所述或门电路包括第一输入模块、第二输入模块、第一阶跃模块和第一输出模块；所述第一阶跃模块设有对应的第一预设阈值和第一预设增益比例；
所述第一输入模块和所述第二输入模块连接于所述第一阶跃模块，所述第一阶跃模块连接于所述第一输出模块；
所述第一预设阈值小于所述第一浓度；
所述第一输出模块在所述输出信号单链的总浓度小于所述第一预设增益比例时输出数字0信号，所述第一输出模块在所述输出信号单链的总浓度达到所述第一预设增益比例时输出数字1信号；
所述与门电路包括第三输入模块、第四输入模块、第二阶跃模块和第二输出模块；所述第二阶跃模块设有对应的第二预设阈值和第二预设增益比例；
所述第三输入模块和所述第四输入模块连接于所述第二阶跃模块，所述第二阶跃模块连接于所述第二输出模块；
所述第二预设阈值大于所述第一浓度；
所述第二输出模块在所述输出信号单链的总浓度小于所述第二预设增益比例时输出数字0信号，所述第二输出模块在所述输出信号单链的总浓度达到所述第二预设增益比例时输出数字1信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于DNA链置换的逻辑电路，其特征在于：所述阈值子模块还包括第一辅助信号双链，所述第一辅助信号双链用于与所述湮灭信号单链和所述输入信号单链反应，生成湮灭信号双链。
3.根据权利要求1所述的一种基于DNA链置换的逻辑电路，其特征在于：所述增益子模块还包括第二辅助信号双链，所述第二辅助信号双链用于与所述增益信号链和所述输入信号单链反应，生成输出信号单链。
4.根据权利要求1所述的一种基于DNA链置换的逻辑电路，其特征在于：所述输入信号单链采用四域信号链作为DNA编码形式。
5.根据权利要求1所述的一种基于DNA链置换的逻辑电路，其特征在于：在所述阶跃模块内，通过支点互补程度控制所述输入信号单链与所述阈值子模块、所述增益子模块的反应顺序。
6.一种基于DNA链置换的逻辑装置，其特征在于：包括如权利要求1-5中任一项所述的基于DNA链置换的逻辑电路。
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CN107395196A (zh) * 2017-08-23 2017-11-24 郑州轻工业学院 基于dna复合链置换的矩阵向量乘双轨逻辑电路及其方法
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