CN111598242B

CN111598242B - 一种基于dna分子链的逻辑电路和装置

Info

Publication number: CN111598242B
Application number: CN202010327437.1A
Authority: CN
Inventors: 石晓龙; 张新建
Original assignee: Guangzhou University
Current assignee: Guangzhou University
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2040-04-23
Also published as: CN111598242A

Abstract

本申请公开了一种基于DNA分子链的逻辑电路和装置。该逻辑电路包括第一输入门，用于获取第一输入单链和第二输入单链，所述第一输入单链包括第一支点域和第一信号域，所述第二输入单链包括第二支点域和第二信号域；第二输入门，用于获取第三输入单链、第四输入单链和第五输入单链；第一禁门，包括第一底物单链；输出门，用于根据包括所述第一信号域和/或所述第二信号域的单链输出数字信号。本申请实施例中，简化了DNA计算中逻辑电路的构成，所提供的逻辑电路可拓展性强，功能较多，使用该方案可提高基于DNA分子链所构成逻辑电路的搭建效率。本申请可广泛应用于DNA信息技术领域内。

Description

一种基于DNA分子链的逻辑电路和装置

技术领域

本申请涉及DNA信息技术领域，尤其是一种基于DNA分子链的逻辑电路和装置。

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分子链技术是实现DNA计算的一种重要手段。DNA分子链技术是一种等温、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分子链已用于第二代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。由于DNA作为天然材料，是一种很好的应用工具目前，利用DNA分子链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分子链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，但是这些逻辑门往往比较繁琐冗余，无法组装成为具有一定规模的电路系统。例如现有技术中的禁门电路，完全抑制了输入信号，限制了电路的可拓展性。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分子链的逻辑电路，该逻辑电路的结构简单，可拓展性强。

本申请实施例的另一个目的在于提供一种基于DNA分子链的逻辑装置。

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分子链的逻辑电路，包括：

第一输入门，用于获取第一输入单链和第二输入单链，所述第一输入单链包括第一支点域和第一信号域，所述第二输入单链包括第二支点域和第二信号域；

第二输入门，用于获取第三输入单链、第四输入单链和第五输入单链，所述第三输入单链包括第三支点域和第一信号域，所述第四输入单链包括第四支点域和第二信号域，所述第五输入单链包括第一信号域、第五支点域和第二信号域；

第一禁门，包括第一底物单链，所述第一底物单链包括第三支点结合域、第一信号结合域、第五支点结合域、第二信号结合域和第四支点结合域；

输出门，用于根据包括所述第一信号域和/或所述第二信号域的单链输出数字信号；

其中，所述第三支点域和所述第三支点结合域可形成双螺旋结构，所述第一信号域和所述第一信号结合域可形成双螺旋结构，所述第五支点域和所述第五支点结合域可形成双螺旋结构，所述第二信号域和所述第二信号结合域可形成双螺旋结构，所述第四支点域和所述第四支点结合域可形成双螺旋结构。

另外，根据本申请上述实施例的基于DNA分子链的逻辑电路，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，所述输出门根据所述第一输入单链和/或所述第二输入单链输出数字信号。

进一步地，在本申请的一个实施例中，所述逻辑电路还包括：

和门，包括第二底物，所述第二底物包括第一输出单链和第二底物单链，所述第一输出单链包括第一信号域、第六支点域和第二信号域，所述第二底物单链包括第一支点结合域、第一信号结合域、第二信号结合域和第二支点结合域；

其中，所述第一支点域和第一支点结合域可形成双螺旋结构，所述第二支点域和所述第二支点结合域可形成双螺旋结构。

进一步地，在本申请的一个实施例中，所述输出门根据所述第一输出单链输出0-1数字信号。

或门，包括第三底物，所述第三底物包括第二输出单链、第三输出单链和第三底物单链，所述第二输出单链包括第一信号域和第七支点域，所述第三输出单链包括第二信号域和第八支点域，所述第三底物单链包括第一支点结合域、第一信号结合域、第二信号结合域和第二支点结合域；

进一步地，在本申请的一个实施例中，所述输出门根据所述第二输出单链和所述第三输出单链输出0-1数字信号。

第二禁门，包括第四底物单链，所述第四底物单链包括第二信号结合域、第二支点结合域、第一信号结合域、第一支点结合域；

进一步地，在本申请的一个实施例中，所述输出门根据所述第一输入单链和/或所述第二输入单链输出数字0-1信号。

第二方面，本申请实施例提出了一种基于DNA分子链的逻辑装置，包括所述的基于DNA分子链的逻辑电路。

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：

本申请实施例中提供的电路包括第一输入门、第二输入门、第一禁门和输出门，能够基于简单的DNA分子链的置换原理形成逻辑电路，提高了电路的可扩展性，简化了现有的复杂DNA逻辑电路结构。

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分子链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基于DNA分子链的逻辑电路第一输入门、第二输入门的示意图；

图3为根据本申请实施例提供的一种基于DNA分子链的逻辑电路第一禁门、第二禁门的示意图；

图4为根据本申请实施例提供的一种基于DNA分子链的逻辑电路与门、或门的示意图。

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。

参照图1，本申请实施例中提供的一种基于DNA分子链的逻辑电路示意图，其中，该逻辑电路主要包括：

第一输入门110，参照图2，所述第一输入门110用于获取第一输入单链X1和第二输入单链X2，其中，所述第一输入单链X1包括第一支点域t1和第一信号域a，所述第二输入单链X2包括第二支点域t2和第二信号域b；

第二输入门120，参照图2，所述第二输入门120用于获取第三输入单链X3、第四输入单链X4和第五输入单链X5，所述第三输入单链X3包括第三支点域t3和第一信号域a，所述第四输入单链X4包括第四支点域t4和第二信号域b，所述第五输入单链X5包括第一信号域a、第五支点域t5和第二信号域b；

本申请实施例中，所述第一输入门110和所述第二输入门120可以分别搭配不同的使用情况，其中，所述第一输入门110可以用于下述的和门、或门和第二禁门；所述第一输入门110和所述第二输入门120可以共同用于下述的第一禁门，以实现不同的逻辑电路功能。下面结合具体的第一禁门、和门、或门和第二禁门说明其逻辑电路的工作原理。

第一禁门130，参照图3，包括第一底物单链S1，所述第一底物单链S1包括第三支点结合域t3*、第一信号结合域a*、第五支点结合域t5*、第二信号结合域b*和第四支点结合域t4*；

其中，所述第三支点域t3和所述第三支点结合域t3*可形成双螺旋结构，所述第一信号域a和所述第一信号结合域a*可形成双螺旋结构，所述第五支点域t5和所述第五支点结合域t5*可形成双螺旋结构，所述第二信号域b和所述第二信号结合域b*可形成双螺旋结构，所述第四支点域t4和所述第四支点结合域t4*可形成双螺旋结构。具体地，本申请实施例中，对于DNA分子链来说，只要完全处于单链状态，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，即DNA分子反应过程中，趋向于结合尽可能多的链形成双链结构，以所述第一信号域a和所述第一信号结合域a*为例，二者是通过相匹配的碱基对形成氢键，从而得到双螺旋结构的形式。

本申请实施例的所述第一禁门130在使用时，可以搭配第一输入门110和第二输出门120，具体地，首先仅使用第一输入门110和第一禁门130相连，因为第一输入门110的输入为第一输入单链X1和第二输入单链X2，而第一输入单链X1的第一信号域a可以与第一底物单链S1的第一信号结合域a*结合，所以当控制第一输入单链X1的浓度小于第一底物单链S1时，此时第一禁门130发挥的是使得输入信号“湮灭”的作用，即有输入信号，但没有输出信号，可以认为此时的输出门140根据所述第一输入单链反应后的浓度为0，输出数字信号0。同理，第二输入单链X2的第二信号域b也可以与第一底物单链S1的第二信号结合域b*结合，其所起到的作用是和前述一样的，即第一输入门110和第一禁门130可以形成一个禁门逻辑电路，无论有无输入，输出的数字信号都为0。当然，这里要求第一禁门130中第一底物单链S1的浓度大于第一输入单链X1和第二输入单链X2，具体地，例如可以设置第一底物单链S1的浓度为0.9纳摩尔每升，第一输入单链X1和第二输入单链X2浓度均为0.4纳摩尔每升。

上述的第一禁门130虽然能够吸收结合第一输入门110的第一输入单链X1、第二输入单链X2，但是由于第一输入单链X1和第二输入单链X2仅仅是信号域和第一禁门130的第一底物单链S1结合了，支点域仍处于未结合的状态，所以这种结构的稳定性一般，仍可以与第二输入门120反应。具体地，第二输入门120的输入包括三种：第三输入单链X3、第四输入单链X4和第五输入单链X5，其用于第一输入门110和第一禁门130反应后再通入，可以起到一个多路解复用器的功能。当第一输入门110和第一禁门130反应后，以第一输入门110的输入为第一输入单链X1和第二输入单链X2为例，第二输入门120可以单独输入第三输入单链X3，因为第三输入单链X3与第一底物单链S1更容易结合形成稳定的双螺旋结构，则第三输入单链X3的第三支点域t3和第一信号域a将与第一底物单链S1的第三支点结合域t3*和第一信号结合域a*结合，从而将第一输入单链X1置换出来；同理，如果单独输出第五输入单链X5，则会将第二输入单链X2置换出来；如果单独输入第四输入单链X4，则会同时置换出第一输入单链X1和第二输入单链X2。因此，相当于此时电路的逻辑功能为一个多路解复用器，通过一个输入(即第二输入门120)的改变，输出三种不同的结果：只含第一输入单链X1、只含第二输入单链X2、第一输入单链X1和第二输入单链X2两者均存在，故而输出门可以通过检测所述第一输入单链和/或所述第二输入单链的浓度情况来输出三种不同的数字信号。当然，所述第二输入门120还可以用来检测所述第一输入门110的输入，第一输入门110和第一禁门130反应后，通过第二输入门120输入第四输入单链X4即可检测出第一输入门110的输入，具体的原理和上述相同，在此不再赘述。

作为一种可选的实施方式，本申请实施例中的逻辑电路还可以包括：

参照图4，和门150，包括第二底物，所述第二底物为DNA双链结构，该双链结构包括第一输出单链Y1和第二底物单链S2，所述第一输出单链Y1包括第一信号域a、第六支点域t6和第二信号域b，所述第二底物单链S2包括第一支点结合域t1*、第一信号结合域a*、第二信号结合域b*和第二支点结合域t2*。其中，第二底物的第一信号域a和第一信号结合域a*中的碱基对对应匹配，形成氢键结合，第二底物的第二信号域b和第二信号结合域b*中的碱基对对应匹配，形成氢键结合，而所述第一支点域t1和第一支点结合域t1*可以形成双螺旋结构，所述第二支点域t2和所述第二支点结合域t2*可形成双螺旋结构。

和门150可以和第一输入门110搭配使用：和门150一端连接第一输入门110，另一端连接输出门140，当第一输入门110没有输入时，即第一输入单链X1和第二输入单链X2的浓度均为0，和门150没有输出；当第一输入门110仅有一种输入时，例如输入为单独的第一输入单链X1，由于第一输入单链X1只能和第二底物中第二底物单链S2的第一支点结合域t1*、第一信号结合域a*形成氢键结合，因此无法将第一输出单链Y1完全置换出来，所以输出门140仍然没有输出(此时的输出视第一输出单链Y1而定)，当仅有单独的第二输入单链X2输入时，与上同理，输出门140仍然没有输出；当第一输入门110有两种输入时，即输入为第一输入单链X1和第二输入单链X2，第一输入单链X1可以和第二底物单链S2的第一支点结合域t1*、第一信号结合域a*形成氢键结合，第二输入单链X2可以和第二底物单链S2的第二支点结合域t2*、第二信号结合域b*形成氢键结合，因此最终将把第一输出单链Y1完全置换出来，所以输出门140此时有输出信号，输出为1。可以看出，将第一输入门110的第一输入单链X1和第二输入单链X2输入的有无视为1和0，则该逻辑电路的输入输出逻辑为：输入全是1，输出为1，输入含有0，输出为0，可见，这是一个和门逻辑电路。应当说明的是，本申请实施例中的第二底物单链S2的第二支点结合域t2*、第二信号结合域b*之间可以是其他任意与第六支点域t6不结合形成双螺旋的DNA分子域，也可以是第二支点结合域t2*和第二信号结合域b*相连。

或门160，包括第三底物，所述第三底物也为DNA双链结构，该双链结构包括包括第二输出单链Y2、第三输出单链Y3和第三底物单链S3，所述第二输出单链Y2包括第一信号域a和第七支点域t7，所述第三输出单链Y3包括第二信号域b和第八支点域t8，所述第三底物单链S3包括第一支点结合域t1*、第一信号结合域a*、第二信号结合域b*和第二支点结合域t2*。其中，第三底物第二输出单链Y2的第一信号域a和第三底物单链S3的第一信号结合域a*中的碱基对对应匹配，形成氢键结合，第三输出单链Y3的第二信号域b和第三底物单链S3的第二信号结合域b*中的碱基对对应匹配，形成氢键结合。所述或门160可以一端连接第一输入门110，另一端连接输出门140，在这种结构下：当第一输入门110没有输入时，输出门140没有输出；当第一输入门110仅有一种输入时，例如输入为单独的第一输入单链X1，由于第一输入单链X1可以和第三底物的第一支点结合域t1*、第一信号结合域a*形成氢键结合，因此可以将第二输出单链Y2完全置换出来，所以输出门140此时有输出，当仅有单独的第二输入单链X2输入时，与上同理，可以将第三输出单链Y3完全置换出来，输出门140仍有输出。当第一输入门110有两种输入时，即输入的为第一输入单链X1和第二输入单链X2，则第一输入单链X1可以和第三底物的第一支点结合域t1*、第一信号结合域a*形成氢键结合，第二输入单链X2可以和第三底物的第二支点结合域t2*、第二信号结合域b*形成氢键结合，因此最终将把第二输出单链Y2、第三输出单链Y3完全置换出来，所以此时也有输出信号。综上，将第一输入门110的第一输入单链X1和第二输入单链X2输入的有无视为1和0，则该电路输入输出的逻辑为：输入含1，则输出为1；输入不含有1，则输出为0，可见，这是一个或门逻辑电路。本申请实施例中，输出门140根据所述第二输出单链Y2和所述第三输出单链Y3输出0-1数字信号，只要含有第二输出单链Y2和所述第三输出单链Y3中的任一者，输出门140输出1信号，否则输出0信号。

第二禁门170，包括第四底物单链S4，所述第四底物单链S4包括第二信号结合域b*、第二支点结合域t2*、第一信号结合域a*、第一支点结合域t1*；

其中，所述第一支点域t1和第一支点结合域t1*可形成双螺旋结构，所述第二支点域t2和所述第二支点结合域t2*可形成双螺旋结构。

本申请实施例中，还提供一种传统的禁门结构，在该电路结构中，包括第一输入门110、第二禁门170和输出门140，第一输入门110连接第二禁门170，第二禁门170连接输出门140。因为第一输入门110的输入为第一输入单链X1和第二输入单链X2，而第一输入单链X1的第一信号域a可以与第四底物单链S4的第一信号结合域a*结合，所以当控制第一输入单链X1的浓度小于第四底物单链S4时，此时第二禁门170发挥的是使得输入信号“湮灭”的作用，即有输入信号，但没有输出信号，可以认为此时的输出门140根据所述第一输入单链X1反应后的浓度为0，输出数字信号0。同理，第二输入单链X2的第二信号域b也可以与第四底物单链S4的第二信号结合域b*结合，其所起到的作用是和前述一样的，即第一输入门110和第二禁门170可以形成一个禁门逻辑电路，无论有无输入，输出的数字信号都为0。当然，这里要求第二禁门170中第四底物单链S4的浓度大于第一输入单链X1和第二输入单链X2，具体地，例如可以设置第四底物单链S4的浓度为0.9纳摩尔每升，第一输入单链X1和第二输入单链X2浓度均为0.4纳摩尔每升。

本申请实施例还提供了一种基于DNA分子链的逻辑装置，包括所述的基于DNA分子链的逻辑电路。

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

1.一种基于DNA分子链的逻辑电路，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于DNA分子链的逻辑电路，其特征在于：

所述输出门根据所述第一输入单链和/或所述第二输入单链输出数字信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于DNA分子链的逻辑电路，其特征在于，还包括：

4.根据权利要求3所述的一种基于DNA分子链的逻辑电路，其特征在于：

所述输出门根据所述第一输出单链输出0-1数字信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于DNA分子链的逻辑电路，其特征在于，还包括：

6.根据权利要求5所述的一种基于DNA分子链的逻辑电路，其特征在于：

所述输出门根据所述第二输出单链和所述第三输出单链输出0-1数字信号。

7.根据权利要求1所述的一种基于DNA分子链的逻辑电路，其特征在于，还包括：

8.根据权利要求7所述的一种基于DNA分子链的逻辑电路，其特征在于：

所述输出门根据所述第一输入单链和/或所述第二输入单链输出0-1数字信号。

9.一种基于DNA分子链的逻辑装置，其特征在于：包括如权利要求1-8中任一项所述的基于DNA分子链的逻辑电路。