CN112768004B - 一种基于酶促反应的生化反应逻辑门 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于酶促反应的生化反应逻辑门，该生化反应逻辑门的输入和输出信号为反应体系中物质和酶的浓度或活性。生化反应逻辑门的逻辑实现和逻辑门的级联基于多个酶促反应，当代表输入信号的物质的浓度或活性发生变化就会引起该酶促反应的底物和生成物的浓度变化，再进而引起其他物质的浓度变化。本发明与其他基于DNA、蛋白质转录等介质的生化逻辑门相比，具有可重复使用、可级联、低延时、低功耗的特点。本发明提供的生化反应逻辑门，是计算机逻辑构成的基本组件，可用于构建生化反应中央处理器和生化反应计算机。
Description
技术领域
本发明涉及生物计算机技术领域，具体涉及一种基于酶促反应的生化反应逻辑门。
背景技术
仿照生物的大脑，尤其是人类的大脑来构建低功耗高性能的生物计算机在当前是极具潜力的一门学科，构建生物计算机所需的基本单位逻辑门由具有某种生化活性的物质实现，目前已提出的生化反应逻辑门一般基于DNA的替换反应、基于活细胞转录翻译体系、基于氢键配对的蛋白质二聚体反应。基于DNA替换反应和基于活细胞转录翻译体系的生化反应逻辑门都基于碱基对配对原理，因此反应速率慢，导致上述生化反应逻辑门的延迟通常在数小时到数天不等；基于氢键配对的蛋白质二聚体反应实质上是由于不同氢键配对的强弱不同发生的氢键断开并重新组合的反应，因此一旦全部氢键完成重新组合使体系到达能量最低的稳定状态后基于该原理的生化反应逻辑门就不再能使用，不具有可重复使用性，同时由于发生了氢键的重新组合原本作为输入信号的物质将被修改，导致输入信号受损。综上现有的生化逻辑门有级联性差，门延迟长，不可重复使用，信号输入受损等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有生化逻辑门的延迟大，不可级联等缺陷，提供一种基于酶促反应的生化反应逻辑门，以物质的浓度和酶活性作为输入输出，通过酶活性的变化驱动其他物质和酶的浓度和活性变化，从而实现逻辑计算和门的级联。因为酶促反应在酶的催化下能快速完成反应，而其他生化逻辑门技术基于的DNA转录，翻译的过程缓慢，导致现有的生化逻辑门延时在数小时到数天，而本发明提供的逻辑门能够达到毫秒至皮秒级别的延迟，能很好地解决高延时的缺陷。而与其他基于蛋白质的生化逻辑门相比，由于本发明提供的酶促反应具有可逆性和可级联性，因此能够循环使用和多级级联。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于酶促反应的生化反应逻辑门，该生化反应逻辑门基于多个酶促反应，以物质和酶的浓度或活性作为逻辑门的输入和输出信号，通过的酶的活性变化引起对应的底物和生成物的浓度变化，实现逻辑门的逻辑和级联。
生化反应逻辑门中，物质或酶的浓度或活性作为输出信号时受其他酶的活性影响。酶的活性可以作为输入信号，当酶的活性发生变化时对应酶促反应的底物和生成物的浓度作为输出信号就会发生变化。酶的浓度作为生化反应逻辑门的输入信号可以被电信号实时地影响并控制。物质浓度作为生化反应逻辑门的输出信号可以被实时检测并转化为电信号。
优选地，酶促反应的底物或生成物也能作为酶催化其他反应。一方面底物和生成物被酶的活性影响，充当输出信号；另一方面，底物和生成物可以催化其他反应从而影响其他反应，充当下一个门输入信号，因此该生化反应逻辑门具有可级联的性质。
优选地，生化反应逻辑门中的酶促反应都有其对应的另一个逆反应，该逆反应满足消耗该酶促反应的生成物，生成该酶促反应的底物。因此当酶的活性升高时，酶促反应速率增大，底物浓度下降，生成物浓度上升；而酶的活性下降时，酶促反应速率下降，而逆反应同时进行，因此底物浓度升高，生成物浓度下降。因此可以通过改变酶的活性驱动底物和生成物浓度的变化来实现门逻辑，同时由于逆反应能重复利用酶促反应的生成物所以本发明提供的生化反应逻辑门具有可重复使用的性质。
优选地，一种物质的浓度或活性能被多种酶的浓度或活性同时地直接或间接地影响，从而一种物质的浓度或活性同时被多种物质的浓度或活性控制，从而实现了生化反应逻辑门，受控制的物质的浓度或活性是生化反应逻辑门的输出信号，直接或间接控制输出信号的多个物质的浓度或活性是生化反应逻辑门的多个输入信号，多个输入信号同时影响输入信号从而实现生化反应逻辑门的逻辑运算。该生化反应逻辑门是使用酶的浓度或活性作为输入信号来控制输出信号，而酶在在酶促反应时浓度或活性不会受到影响，本发明提供的生化反应逻辑门具有输入信号前馈传递、保持输入信号不受损的特点。本发明提供的生化反应逻辑门具有可重复使用，可级联，信号前馈传递，输入不受损的技术优点，与传统半导体逻辑门一样满足了所有构建组合逻辑和时序逻辑电路的要求，可用于构建生化反应中央处理器和生化反应计算机。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明提出的一种基于酶促反应的生化反应逻辑门，由于生化反应逻辑门的输入输出都是酶或底物的浓度，因此可以方便地级联组成复杂逻辑；
(2)本发明提出的一种基于酶促反应的生化反应逻辑门，由于酶促反应的反应速度快，因此门延迟可以低至毫秒至皮秒实现快速运算；
(3)本发明提出的一种基于酶促反应的生化反应逻辑门，由于酶在反应前后质量不会损失，参与反应的物质也可以重复利用，因此逻辑门也能重复利用，并实现信号的前馈传递，克服了现有生化逻辑门的缺点，满足了构建生化计算机的要求。
附图说明
图1是本发明实施例中公开的一种生化反应逻辑门-或门示意图；
图2是本发明实施例中公开的一种生化反应逻辑门-与门示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例实现了一种生化反应逻辑门-或门。实现或门，需要有三组磷酸化反应，其中，E1是催化第一个反应的磷酸化酶，S1是第一个反应的底物，S1’是第一个反应的产物；E2是催化第二个反应的磷酸化酶，S2是第一个反应的底物，S2’是第二个反应的产物；E3是催化第三个反应的磷酸化酶，S3是第三个反应的底物，S3’是第三个反应的产物，PP3是催化第三个反应的逆反应的去磷酸化酶。磷酸化酶E1使底物S1的磷酸化并失活，磷酸化酶E2使底物S2的磷酸化并失活，磷酸化酶E3使S3的磷酸化并失活。而去磷酸化酶PP3可以除去被E3磷酸化失活的底物的磷酸基团使其恢复活性。
使用这三组反应进行激酶编辑构建酶反应网络并构造或门：将S1与E3共价结合，其结合产物记为S1-E3；将S2与E3共价结合，其结合产物记为S2-E3；将S1-E3、S2-E3、S3、PP3同一溶液混合后，生成物S3-P含量受到S1-E3和S2-E3含量控制，PP3的含量在运算时保持恒定，S3-P含量是门的输出，S1-E3和S2-E3是门的输入，而门的或与逻辑由PP3的含量的高低决定。
如图1所示：当PP3含量低时，去磷酸化程度低，S3’分解速率低，只需要少量激酶的催化就可以生成大量产物，因此只需要输入S1-E3或S2-E3其中一种的含量高时就能使产物含量高(输出逻辑1)，当且仅当输入都为低时产物含量才为低(输出逻辑0)，这实现了或门的逻辑。
实施例二
本实施例实现了一种生化反应逻辑门-与门。实现与门，需要有三组磷酸化反应，其中，E1是催化第一个反应的磷酸化酶，S1是第一个反应的底物，S1’是第一个反应的产物；E2是催化第二个反应的磷酸化酶，S2是第一个反应的底物，S2’是第二个反应的产物；E3是催化第三个反应的磷酸化酶，S3是第三个反应的底物，S3’是第三个反应的产物，PP3是催化第三个反应的逆反应的去磷酸化酶。磷酸化酶E1使底物S1的磷酸化并失活，磷酸化酶E2使底物S2的磷酸化并失活，磷酸化酶E3使S3的磷酸化并失活。而去磷酸化酶PP3可以除去被E3磷酸化失活的底物的磷酸基团使其恢复活性。
使用这三组反应进行激酶编辑构建酶反应网络并构造与门：将S1与E3共价结合得到S1-E3，将S2与E3共价结合得到S2-E3，将S1-E3、S2-E3、S3、PP3同一溶液混合后，生成物S3’含量受到S1-E3和S2-E3含量控制，PP3的含量在运算时保持恒定，S3’含量是门的输出，S1-E3和S2-E3是门的输入，而门的或与逻辑由PP3的含量的高低决定。
如图2所示：当PP3含量高时，去磷酸化程度高，S3’分解速率高，需要大量激酶的催化才能生成大量产物，因此必须当输入S1-E3和S2-E3两种物质的含量同时为高时才能使产物含量变高(输出逻辑1)，而只要当其中一种输入都低时产物含量就为低(输出逻辑0)，这实现了与门的逻辑。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于酶促反应的生化反应逻辑门，其特征在于，所述的生化反应逻辑门基于在同一个溶液中进行的多个酶促反应；生化反应逻辑门的输入信号为物质和酶的浓度或活性；生化反应逻辑门的输出信号为物质和酶的浓度或活性；同时，所述的生化反应逻辑门的逻辑和级联通过酶的活性变化引起对应的底物和生成物的浓度变化实现；所述的生化反应逻辑门的输入信号的物质的浓度或活性通过电信号实时地改变和控制；所述的生化反应逻辑门的输出信号的物质的浓度或活性能被实时检测并转化为电信号；物质的浓度或活性变化受一个或多个酶的浓度或活性的影响；酶促反应所在的溶液中存在另一个反应能消耗该酶促反应的生成物，生成该酶促反应的底物；当酶的活性发生变化时，酶促反应的底物和生成物的浓度也随之变化；
所述生化反应逻辑门是或门，包括三组磷酸化反应，其中，E1是催化第一个反应的磷酸化酶，S1是第一个反应的底物，S1’是第一个反应的产物；E2是催化第二个反应的磷酸化酶，S2是第一个反应的底物，S2’是第二个反应的产物；E3是催化第三个反应的磷酸化酶，S3是第三个反应的底物，S3’是第三个反应的产物，PP3是催化第三个反应的逆反应的去磷酸化酶，用于除去被E3磷酸化失活的底物的磷酸基团使底物恢复活性；使用这三组磷酸化反应进行激酶编辑构建酶反应网络并构造或门：将S1与E3共价结合，结合产物记为S1-E3；将S2与E3共价结合，结合产物记为S2-E3；将S1-E3、S2-E3、S3、PP3同一溶液混合后，生成物S3-P含量受到S1-E3和S2-E3含量控制，PP3的含量在运算时保持恒定，S3-P含量是门的输出，S1-E3和S2-E3是门的输入，而门的或与逻辑由PP3的含量的高低决定。
2.根据权利要求1所述的一种基于酶促反应的生化反应逻辑门，其特征在于，酶促反应的底物和生成物作为酶催化其他酶促反应。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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