CN112331258B - 基于dna笼状结构的人工神经元计算模型构建方法 - Google Patents

基于dna笼状结构的人工神经元计算模型构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DNA笼状结构的人工神经元计算模型构建方法,包括:构造带有rA修饰的笼状结构、将笼状结构作为人工神经元模型的输入层,采用E6 DNAzyme作为神经元的权重;构建归一化模块,利用E6 DNAzyme Z1、Z2、Z3作为神经元的权重;利用E6 DNAzyme酶切带rA修饰的笼状结构构造归一化模块,酶切反应产生的不同输出作为归一化反应的输入,通过归一化反应实现加权和过程;通过链置换的可逆反应和链置换的反应速率构造线性阈值处理模块,即神经元的阈值函数;连接归一化模块和阈值处理模块,使归一化输出优先与“Threshold门”反应,反应完之后再与“Output门”反应,最终产生真正的输出,即最后连接各个模块构成人工神经元模型。

Description

基于DNA笼状结构的人工神经元计算模型构建方法
技术领域
本发明涉及属于生物计算领域,尤其涉及一种基于DNA笼状结构的人工神经元计算模型构建方法。
背景技术
迄今为止,DNA计算在理论、设计以及应用等方面都取得了很大的进展,在信息处理、分子智能、分子加密、纳米机器等多个领域已经得到深入的研究。目前大多数基于DNA分子的生物计算动态操作均依赖于DNA网络中DNA序列的链置换反应。DNA链置换的计算原理是DNA分子会始终向最稳定的状态迁移,在反应体系中,最稳定的互补DNA链会结合,其他的DNA链则会被置换。其具备反应速度快、灵敏度高、且高度并行等优点,也因此被广泛应用到DNA分子逻辑计算模型的研究中。
2011年,Winfree研究组以DNA链置换为核心技术构建了迄今为止最复杂的数字逻辑计算电路,涉及到的独立的DNA链达到130个,可以计算4位二进制数的开平方计算。这虽然在现代计算机上早就不是新鲜事,但在分子计算领域却是不可思议的突破。至今还没有人用其他的分子计算技术可以突破这一壮举。又设计了跷跷板门(seesaw gate),以此为核心搭建了会“猜心术”的4神经元霍普菲尔德神经网络计算模型,展示了DNA计算在分子智能领域的更多可能性。
早在2010年,Johann Elbaz等利用核酶能够特异性切割底物的特性,通过调控核酶的结构,编程核酶对底物的切割,构建了一系列逻辑门(YES、AND、INHIBIT、XOR),并且将它们级联组成更加复杂的DNA逻辑电路。
尽管L.L.Qian等已经实现了DNA神经网络模型的构建,但都是基于基本的链置换反应进行的,所涉及到的DNA链数量极多,实现所有的反应过程就比较繁琐复杂,极易产生泄漏。
发明内容
根据现有技术存在的问题,本发明公开了一种基于DNA笼状结构的人工神经元计算模型构建方法,具体包括如下步骤:
构造带有rA修饰的笼状结构、将笼状结构作为人工神经元模型的输入层,采用E6DNAzyme作为神经元的权重;
构建归一化模块,利用E6DNAzyme Z1、Z2、Z3作为神经元的权重;
利用E6DNAzyme酶切带rA修饰的笼状结构构造归一化模块,酶切反应产生的不同输出作为归一化反应的输入,通过归一化反应实现加权和过程;
通过链置换的可逆反应和链置换的反应速率构造线性阈值处理模块,即神经元的阈值函数;
连接归一化模块和阈值处理模块,使归一化输出优先与Threshold门反应,反应完之后再与Output门反应,最终产生真正的输出,最后连接各个模块构成人工神经元模型。
进一步的,构造带有rA修饰的笼状结构从而满足E6DNAzyme识别并切割带rA修饰的单链的特性、同时隐藏后续反应的toehold区域。
进一步的,将E6DNAzyme设置为不被消耗和反复使用状态、将其作为权重使酶切反应高效进行。
进一步的,将酶切反应产生的不同输出通过归一化模块实现加权和过程、使输出归一化。
进一步的,在阈值处理模块中Output门比Threshold门多N个区域。
进一步的,该神经元模型的各个模块相互连接自顶向下独立运行。
由于采用了上述技术方案,本发明提供的一种基于DNA笼状结构的人工神经元计算模型构建方法,该方法首先通过E6DNAzyme特异水解DNA的特性,酶切带rA修饰的笼状结构(cage structure);构造带权重的归一化模块;进而利用链置换的可逆反应和链置换的反应速率,实现线性阈值处理模块;最终实现模块的连接,构造人工神经元模型。该模型具有结构稳定、可定制、地泄漏、抗干扰等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中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申请中记载的一些实施例,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E6DNAzyme切割DNA笼状结构过程示意图;
图2为归一化模块示构造方法意图;
图3为阈值函数模块构造方法示意图;
图4为人工神经元模型构造方法示意图;
图5为酶切反应凝胶电泳图;
图6为部分归一化模块凝胶电泳图;
图7为阈值函数模块凝胶电泳图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚,下面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的描述:
一种基于DNA笼状结构的人工神经元计算模型包括,包括输入层、加权和、阈值函数(激活函数)、输出层。
带有rA修饰的“鼓泡”DNA双链结构,即笼状结构SL1、SL2、SL3,作为神经元模型的输入层;
E6DNAzyme Z1、Z2、Z3作为神经元的权重且E6DNAzyme可重复利用;
酶切反应产生的不同输出作为归一化模块的输入,通过归一化模块实现加权和过程,使输出归一化。
通过链置换的可逆反应和链置换的反应速率,实现了线性阈值处理过程,即神经元的阈值函数。使归一化输出优先与“Threshold门”反应,反应完之后再与“Output门”反应,最终产生真正的输出。
首先,输入SL1、SL2、SL3,统一概括为SL链添加后会与权重Z1、Z2、Z3分别发生酶切反应,产生中间产物链CL1、CL2、CL3(统一概括为CL链)此过程输入与权重一一对应,不会发生串扰,如图1。其中输入链SL1、SL2、SL3笼状部分含有rA修饰以及E6DNAzyme的识别域,并且L链的3’端含有下一级归一化反应的toehold,此区域为A区域,这样的双链输入既满足与E6DNAzyme发生酶切反应,又隐藏了下一级反应的toehold。
其次,E6DNAzyme与SL链结合发生酶切反应,将SL链切割,切割后的片段CL链脱落,作为下一级归一化反应的输入,如图2。当存在多个输入SL链,对应的E6DNAzyme将输入切割后产生不同的输出CL链,CL链又分别对应于各自的“One”门(由MTQ链和CL*链复合而成),即归一化处理层,不同的CL链与对应的归一化“One”门发生链置换反应,产生具有相同功能的中间产物链M1TQ、M2TQ、M3TQ(统一概括为MTQ链)。复合物One1门、One2门、One3门的区别在于CL*链的toehold区域不同,这样保证了CL链与CL*链的toehold区域一一对应结合,防止产生串扰;以及MTQ链的M区域不同,分别为M1、M2、M3,这样也是为了防止CL链与其它的One门产生串扰。
然后,中间产物链MTQ又作为下一级阈值函数模块的输入,如图3。所述的阈值函数模块包含复合物“Thre”门和“Outp”门,二者拥有相同的toehold区域(含有5个碱基),区别在于“Outp”门比“Thre”门多出N区域,这样就致使中间产物链MTQ优先与“Threshold”门反应,反应完之后再与“Output”门反应,最终产生真正的输出。
最后,连接各个独立运行的模块,构造人工神经元模型,如图4所示。
一种基于DNA笼状结构的人工神经元计算模型及其构建方法,包括如下步骤:
1)将L链与S链按1:1的摩尔比在缓冲液中混合,并退火,使其结合为双链复合物SL链,其余的双链复合物One门、Thre门、Outp门均按照1:1摩尔的配比在缓冲溶液中混合,并退火;
2)将权重Z、One门、Thre门、Outp门根据实验需求,调节各部分浓度比,放入试管中;
3)按实验需求依次加入输入链SL,放置在25度环境中,使其反应12小时,观察结果;
4)步骤2)和步骤3)可根据实验需求设置多组实验对照;
5)步骤1)中的所述缓冲液为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。
本发明采用带rA修饰的“鼓泡”双链结构,既满足了E6DNAzyme识别并切割单链的特性,又很好的隐藏了下一级反应toehold,保证各个输入与后续反应产生较低的泄漏。另外本方法通过链置换的可逆反应和链置换的反应速率,巧妙的使“Outp”门比“Thre”门多出N区域,实现了线性阈值处理过程,即神经元的阈值函数。
实施例:实例中用的材料、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链均购自上海生工,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。
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。
表1 实施中用到的DNA序列
实施例1:归一化模块
(1)将带rA修饰的L1链(64个碱基)与小短链S1(39个碱基)以1:1的比例在1×TAE/Mg2+缓冲液里面混合,并从90℃退火至室温,形成带rA修饰的“鼓泡”的双链结构,其余的两个双链SL2、SL3也是如此;归一化门One1、One2、One3分别把MTQ链与CL*链按1:1的比例在1×TAE/Mg2+缓冲液里面混合,并从90℃退火至室温,形成One门复合物;
(2)将输入链SL1、SL2、SL3,E6DNAzyme Z1、Z2、Z3以及各个One门都放入同一试管中,浓度为0.6uM,放于25℃环境下,反应约12小时;
(3)图6是图2中对应产物的凝胶电泳图(归一化模块的部分反应图),泳道1是One1门,泳道3是CL1链,泳道4是CL1和One1的反应道,泳道5是泳道4产物链M1TQ的对比道,由此可以看出,CL1和One1的反应产生了M1TQ,而且是可以完全反应的。
实施例2:阈值函数模块
(1)将Q链与Q*T*M_*链按1:1的比例在1×TAE/Mg2+缓冲液里面混合,并从90℃退火至室温,形成Thre阈值门复合物;同样地,将YQN链与N*Q*T*链按1:1的比例在1×TAE/Mg2+缓冲液里面混合,并从90℃退火至室温,形成Outp门复合物;
(2)将MTQ链与阈值门Thre门、MTQ链与Outp门按1:1的比例分别放置于试管4和试管5中,浓度为0.6uM;将MTQ链与阈值门Thre门、Outp门分别按1:1:1和2:1:1的比例放置于试管9和试管10中,浓度分别为0.6uM,放于25℃环境下,反应约12小时;
(3)图7是图3中对应产物的凝胶电泳图(阈值函数模块的部分反应图),泳道4是M1TQ和Thre的反应道,泳道6 Thre*链、泳道7Q链是其对比道;泳道4是M1TQ和Outp的反应道,泳道8 YQN链是其对比道;泳道9和泳道10分别是M1TQ和Thre、Outp 1:1:1和2:1:1的比例下的反应道,泳道6 Thre*链、泳道7Q链、泳道8 YQN链是其对比道;由此可以看出,M1TQ优先于Thre阈值门反应,反应完之后,再与Outp门反应,产生真正的输出YQN链。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于DNA笼状结构的人工神经元计算模型构建方法,其特征在于包括:
构造带有rA修饰的笼状结构、将笼状结构作为人工神经元模型的输入层,采用E6DNAzyme作为神经元的权重;
构建归一化模块,利用E6 DNAzyme Z1、Z2、Z3作为神经元的权重;
利用E6 DNAzyme酶切带rA修饰的笼状结构构造归一化模块,酶切反应产生的不同输出作为归一化反应的输入,通过归一化反应实现加权和过程;
通过链置换的可逆反应和链置换的反应速率构造线性阈值处理模块,即神经元的阈值函数;
连接归一化模块和阈值处理模块,使归一化输出优先与Threshold门反应,反应完之后再与Output门反应,最终产生真正的输出,最后连接各个模块构成人工神经元模型。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:构造带有rA修饰的笼状结构从而满足E6DNAzyme识别并切割带rA修饰的单链的特性、同时隐藏后续反应的toehold区域。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:将E6 DNAzyme设置为不被消耗和反复使用状态、将其作为权重使酶切反应高效进行。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:将酶切反应产生的不同输出通过归一化模块实现加权和过程、使输出归一化。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在阈值处理模块中Output门比Threshold门多N个区域。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:该神经元模型的各个模块相互连接自顶向下独立运行。
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