RU2756476C2 - Molecular computing device based on essentially non-complementary single-stranded nucleic acids with low affinity to each other (options) - Google Patents

Molecular computing device based on essentially non-complementary single-stranded nucleic acids with low affinity to each other (options) Download PDF

Info

Publication number
RU2756476C2
RU2756476C2 RU2019145384A RU2019145384A RU2756476C2 RU 2756476 C2 RU2756476 C2 RU 2756476C2 RU 2019145384 A RU2019145384 A RU 2019145384A RU 2019145384 A RU2019145384 A RU 2019145384A RU 2756476 C2 RU2756476 C2 RU 2756476C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
oligonucleotide
input
output
computing device
oligonucleotides
Prior art date
Application number
RU2019145384A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2019145384A3 (en
RU2019145384A (en
Inventor
Максим Петрович Никитин
Original Assignee
Максим Петрович Никитин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Максим Петрович Никитин filed Critical Максим Петрович Никитин
Priority to RU2019145384A priority Critical patent/RU2756476C2/en
Priority to PCT/RU2020/050402 priority patent/WO2021137740A2/en
Publication of RU2019145384A3 publication Critical patent/RU2019145384A3/ru
Publication of RU2019145384A publication Critical patent/RU2019145384A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2756476C2 publication Critical patent/RU2756476C2/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813Hybridisation assays
    • C12Q1/6816Hybridisation assays characterised by the detection means
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/11DNA or RNA fragments; Modified forms thereof; Non-coding nucleic acids having a biological activity
    • C12N15/113Non-coding nucleic acids modulating the expression of genes, e.g. antisense oligonucleotides; Antisense DNA or RNA; Triplex- forming oligonucleotides; Catalytic nucleic acids, e.g. ribozymes; Nucleic acids used in co-suppression or gene silencing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/002Biomolecular computers, i.e. using biomolecules, proteins, cells
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/12Computing arrangements based on biological models using genetic models
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/12Computing arrangements based on biological models using genetic models
    • G06N3/123DNA computing
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/701Organic molecular electronic devices
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/761Biomolecules or bio-macromolecules, e.g. proteins, chlorophyl, lipids or enzymes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Computational Linguistics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Evolutionary Biology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plant Pathology (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

FIELD: molecular computing.
SUBSTANCE: group of inventions relates to the field of molecular computing devices. A molecular computing device (options), a method for performing calculations using a device, a pharmaceutical formulation containing devices, as well as the use of a pharmaceutical formulation for regulating gene expression are proposed. The molecular computing device includes a set of single-stranded nucleic acids, wherein the numerical measure of input signals are measures related to input molecules, the numerical measure of output signals are measures related to output molecules, input signals are transformed into output signals as a result of interactions between input molecules and output molecules. In the first option, single-stranded nucleic acids have low affinity of interaction with each other. In the second option, the total concentration of each single-stranded nucleic acid exceeds a value of the dissociation constant of complexes formed by single-stranded nucleic acid and other single-stranded nucleic acids of a set of complexes by no more than 100,000 times. In the third option, interactions between single-stranded nucleic acids are reversible binding of not completely complementary between single-stranded nucleic acids, wherein such acids are used that for any two single-stranded nucleic acids, the length of the longest connected section of their mutual complementarity does not exceed 10 bases.
EFFECT: inventions provide fast calculation, solving a wide range of problems, as well as operating with oligonucleotides of various lengths.
49 cl, 2 tbl, 23 ex, 13 dwg

Description

Описание изобретенияDescription of the invention

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates

Изобретение относится к области молекулярных вычислительных устройств, а именно систем, способных обрабатывать и трансформировать сигналы, представленные в виде различных количественных характеристик наборов (сетов) молекул, согласно различным математическим, алгебраическим, или логическим законам. Индексы рубрики действующей редакции Международной патентной классификации (МПК), к которой относится изобретение: C12Q 1/68, G01N 33/50, H01L 51/00.The invention relates to the field of molecular computing devices, namely systems capable of processing and transforming signals presented in the form of various quantitative characteristics of sets (sets) of molecules, according to various mathematical, algebraic, or logical laws. Indexes of the heading of the current edition of the International Patent Classification (IPC) to which the invention belongs: C12Q 1/68, G01N 33/50, H01L 51/00.

Уровень техникиState of the art

Молекулярные вычислительные устройства (МВУ) могут быть использованы как для вычислительных целей, так и для различных биомедицинских применений: диагностики и терапии заболеваний, а также для реализации интерфейса мозг-компьютер. Например, эти системы могут быть использованы для сложного многофакторного контроля за экспрессии генов (например, системы ДНК-компьютинга) с точки зрения коррекции различных генетических заболеваний, направленной доставки лекарств к клеткам мишеням и т.п.Molecular computing devices (MVDs) can be used both for computational purposes and for various biomedical applications: diagnostics and therapy of diseases, as well as for the implementation of the brain-computer interface. For example, these systems can be used for complex multifactorial control over gene expression (for example, DNA computing systems) in terms of correcting various genetic diseases, targeted drug delivery to target cells, and the like.

На данный момент вычислительные системы на основе биомолекул только начинают развиваться. В других областях, таких как медицина, требуются вычислительные системы иного рода. Например, были бы чрезвычайно полезны системы, состоящие из вычислительного модуля, который бы регистрировал присутствие или отсутствие различных сигналов от окружающей среды, а также из действующего модуля, который, в зависимости от результата работы вычислительного модуля мог бы совершать то или иное биологически-осмысленное воздействие, например, убивать раковую клетку в организме. Такие системы требуют передачи информации между вычислительным и действующим модулями. Понятно, что чем больше спектр возможных сигналов вычислительной системы и больше спектр воздействий действующего модуля, тем лучше. Такие воздействия необязательно должны быть обусловлены присутствием каких-либо молекул - это может быть электромагнитное излучение (в т.ч. свет и низкочастотное поле), изменение рН, температура и т.д.At the moment, computing systems based on biomolecules are just beginning to develop. Other fields, such as medicine, require different kinds of computing systems. For example, systems would be extremely useful, consisting of a computing module that would register the presence or absence of various signals from the environment, as well as an operating module, which, depending on the result of the computing module's operation, could perform one or another biologically meaningful effect. , for example, kill a cancer cell in the body. Such systems require the transfer of information between the computing and operating modules. It is clear that the larger the spectrum of possible signals of the computing system and the larger the spectrum of the effects of the operating module, the better. Such effects do not have to be due to the presence of any molecules - it can be electromagnetic radiation (including light and low-frequency field), a change in pH, temperature, etc.

Известен способ (заявка на патент WO 2011116151 (А2) от 22 сентября 2011 г.), в котором используют набор ферментов для проведения биокатализируемой реакции, представляющей собой логическую булеву функцию от полученных «входных» сигналов биомаркеров. При этом генерируется бинарный выходной сигнал, причем сигнал, равный единице означает наличие заболевания или травмы.The known method (patent application WO 2011116151 (A2) dated September 22, 2011), in which a set of enzymes is used to carry out a biocatalyzed reaction, which is a logical Boolean function from the obtained "input" signals of biomarkers. In this case, a binary output signal is generated, and a signal equal to one means the presence of a disease or injury.

Недостатки этого известного способа состоят в том, что:The disadvantages of this known method are that:

1) В качестве входных сигналов могут быть использованы только субстраты, кофакторы или продукты действия используемых ферментов. При этом количество комбинаций при использовании ферментов сильно ограничено.1) Only substrates, cofactors or products of action of the enzymes used can be used as input signals. At the same time, the number of combinations when using enzymes is very limited.

2) В качестве основы логического элемента используют ферменты, множество которых весьма ограниченно.2) Enzymes are used as the basis of the logical element, the variety of which is very limited.

Известен способ (Патент США 7,745,594 В2, выдан 29 июня 2010 г.), в котором логический элемент представляет собой набор олигонуклеотидов, в котором логические операции совершаются над входными олигонуклеотидами за счет миграции ветви (branch migration) ДНК в составе логического элемента. С помощью различных комбинаций олигонуклеотидов различного строения реализуются различные логические функции.The known method (US Patent 7,745,594 B2, issued June 29, 2010), in which the logical element is a set of oligonucleotides, in which logical operations are performed on the input oligonucleotides due to branch migration of DNA as part of the logical element. Different combinations of oligonucleotides of different structures are used to implement various logical functions.

Недостатки этого известного способа состоят в том, что:The disadvantages of this known method are that:

1) Время передачи сигнала чрезвычайно велико за счет низкой скорости вытеснения одним олигонуклеотидом другого по механизму strand displacement (вытеснения цепи), при котором вытесняющий олигонуклеотид (олиг) 1 связывается со свободным концом (toehold) дуплекса ДНК, образованного олигом 2 и олигом 3, за счет своего участка комплементарного олигу 1, постепенно вытесняя олиг 3 из связи с олигом 2.1) The signal transmission time is extremely long due to the low rate of displacement by one oligonucleotide of another by the strand displacement mechanism, in which the displacing oligonucleotide (olig) 1 binds to the free end (toehold) of the DNA duplex formed by olig 2 and olig 3 for due to its site complementary to olig 1, gradually displacing olig 3 from the bond with olig 2.

2) Совместимы с методом вычислений нуклеотидами могут быть только достаточно длинные олигонуклеотиды, как правило, более 15 оснований.2) Only sufficiently long oligonucleotides, usually more than 15 bases, can be compatible with the method of calculations.

3) Применимость способа для решения задач исключительно булевой алгебры.3) Applicability of the method for solving problems of exclusively Boolean algebra.

Таким образом, требуемый технический результат состоит в создании молекулярного вычислительного устройства, способного производить быстрые вычисления (в течение нескольких минут, а предпочтительнее быстрее 1 минуты); решать больший спектр задач, включающий в себя не только проблемы булевой (цифровой) алгебры, но и различные «аналоговые» алгебраические задачи с непрерывно меняющимся значением переменных, а также оперировать с олигонуклеотидами различной длины, в том числе с короткими олигонуклеотидами менее 10 оснований.Thus, the required technical result consists in creating a molecular computing device capable of performing fast calculations (within a few minutes, and preferably in less than 1 minute); solve a wider range of problems, including not only Boolean (digital) algebra problems, but also various "analog" algebraic problems with continuously changing values of variables, as well as operate with oligonucleotides of various lengths, including short oligonucleotides less than 10 bases.

Краткое описание изобретенияBrief description of the invention

Для достижения указанного технического результата предложен молекулярное вычислительное устройство, основанное на неожиданно обнаруженном нами новом механизме хранения информации в нуклеиновых кислотах (ДНК/РНК).To achieve the specified technical result, a molecular computing device based on the unexpectedly discovered by us new mechanism for storing information in nucleic acids (DNA / RNA) has been proposed.

После великого открытия строения надежнейшего из биологических хранилищ информации, ДНК - сложно представить себе какое-то другое более надежное хранилище биомолекулярной информации. За счет высокой специфичности, селективности и аффинности двух комплементарных цепей ДНК, информация упакована надежно с встроенным бэкапом, что позволяет сохранять, считывать и копировать информацию с фантастической точностью недопущения ошибок.After the great discovery of the structure of the most reliable biological storage of information, DNA, it is difficult to imagine any other more reliable storage of biomolecular information. Due to the high specificity, selectivity and affinity of two complementary DNA strands, the information is packed securely with a built-in backup, which allows you to save, read and copy information with fantastic accuracy to avoid errors.

Это надежно упакованная, точно считываемая и копируемая информация, основанная на строгом соответствии (комплементарности) двух цепей ДНК за счет АТГЦ base-pairing и кодонах. Этому посвящено множество исследований - найдены различные системы репарации, отслеживания ошибок и т.п. Настоящее изобретение основывается на открытом нами другом способе хранения информации в ДНК и других молекулах, который с равной эффективностью может реализовываться не на ДНК/РНК, но и на абсолютно любых иных молекулах, т.к. основывается на низкоспецифичных и низкоаффинных взаимодействиях.It is securely packed, precisely readable and copied information based on strict correspondence (complementarity) of two DNA strands due to ATHC base-pairing and codons. A lot of studies have been devoted to this - various repair systems, error tracking, etc. have been found. The present invention is based on another method of storing information in DNA and other molecules discovered by us, which can be implemented with equal efficiency not on DNA / RNA, but on absolutely any other molecules, since based on low specific and low affinity interactions.

А именно, предложено молекулярное вычислительное устройство, включающее в себя, по крайней мере, набор одноцепочечных нуклеиновых кислот, и для которого: численной мерой входных сигналов являются меры, связанные с входными молекулами, численной мерой выходных сигналов являются меры, связанные с выходными молекулами, входные сигналы трансформируются в выходные сигналы в результате взаимодействий между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, и выходными молекулами, отличающееся тем, что упомянутые одноцепочечные нуклеиновые кислоты упомянутого набора имеют низкую аффинность взаимодействия между собой такую, что не менее 0.1% количества каждой из них существует в свободной молекулярной форме, а не входит в состав комплексов с другими молекулами.Namely, a molecular computing device is proposed that includes at least a set of single-stranded nucleic acids, and for which: the numerical measure of the input signals are the measures associated with the input molecules; signals are transformed into output signals as a result of interactions between the input molecules, said single-stranded nucleic acids of said set, and output molecules, characterized in that said single-stranded nucleic acids of said set have a low affinity of interaction with each other such that at least 0.1% of the amount of each of them exists in free molecular form, and does not enter into complexes with other molecules.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, включающее в себя, по крайней мере, набор одноцепочечных нуклеиновых кислот, и для которого: численной мерой входных сигналов являются меры, связанные с входными молекулами, численной мерой выходных сигналов являются меры, связанные с выходными молекулами, входные сигналы трансформируются в выходные сигналы в результате взаимодействий между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, и выходными молекулами, причем, комплексы, образуемые одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора находятся в равновесии (или приходят в равновесие) со свободной молекулярной формой упомянутых одноцепочечных нуклеиновых кислот так, что не менее 0.1% от тотальной концентрации каждой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутого набора находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device that includes at least a set of single-stranded nucleic acids, and for which: the numerical measure of the input signals are the measures associated with the input molecules, the numerical measure of the output signals are the measures associated with the output molecules, the input signals are transformed into output signals as a result of interactions between the input molecules, said single-stranded nucleic acids of said set, and output molecules, and the complexes formed by single-stranded nucleic acids of said set are in equilibrium (or come into equilibrium) with the free molecular form of said single-stranded nucleic acids so that is not less than 0.1% of the total concentration of each single-stranded nucleic acid of the above set is in free molecular form.

Кроме того, предложено молекулярное вычислительное устройство, включающее в себя, по крайней мере, набор одноцепочечных нуклеиновых кислот, и для которого: численной мерой входных сигналов являются меры, связанные с входными молекулами, численной мерой выходных сигналов являются меры, связанные с выходными молекулами, входные сигналы трансформируются в выходные сигналы в результате взаимодействий между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, и выходными молекулами, причем, тотальная концентрация каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты превышает значение константы диссоциации комплексов, образованных данной одноцепочечной нуклеиновой кислотой и другими одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора не более, чем в 100000 раз.In addition, a molecular computing device is proposed that includes at least a set of single-stranded nucleic acids, and for which: the numerical measure of the input signals are the measures associated with the input molecules; signals are transformed into output signals as a result of interactions between input molecules, said single-stranded nucleic acids of said set, and output molecules, and the total concentration of each said single-stranded nucleic acid exceeds the value of the dissociation constant of the complexes formed by this single-stranded nucleic acid and other single-stranded nucleic acids of said set no more than 100,000 times.

Кроме того, предложено молекулярное вычислительное устройство, включающее в себя, по крайней мере, набор одноцепочечных нуклеиновых кислот, и для которого численной мерой входных сигналов являются меры, связанные с входными молекулами, численной мерой выходных сигналов являются меры, связанные с выходными молекулами, входные сигналы трансформируются в выходные сигналы в результате взаимодействий между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, и выходными молекулами, отличающееся тем, что упомянутые взаимодействия между одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора являются обратимым связыванием не полностью комплементарных между одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, причем таких, что для любых двух одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора, длина наиболее протяженного связного участка их взаимной комплементарности не превышает 10 оснований.In addition, a molecular computing device is proposed that includes at least a set of single-stranded nucleic acids, and for which the numerical measure of the input signals are the measures associated with the input molecules, the numerical measure of the output signals are the measures associated with the output molecules, the input signals are transformed into output signals as a result of interactions between input molecules, said single-stranded nucleic acids of said set, and output molecules, characterized in that said interactions between single-stranded nucleic acids of said set are reversible binding of incompletely complementary ones between single-stranded nucleic acids of said set, and such, that for any two single-stranded nucleic acids of the aforementioned set, the length of the most extended connected region of their mutual complementarity does not exceed 10 bases.

Кроме того, способ проведения вычислений с помощью вышеописанных молекулярных вычислительного устройств.In addition, a method for performing computations using the above described molecular computing devices.

Кроме того, способ проведения вычислений с помощью вышеописанных молекулярных вычислительного устройств, включающий в себя следующие шаги: выбор упомянутого набора одноцепочечных нуклеиновых кислот, смешение упомянутого набора с упомянутыми входными молекулами и упомянутыми выходными молекулами, если они не являются частью упомянутого набора, инкубация смеси для обеспечения взаимодействий между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора и упомянутыми выходными молекулами и трансформации входных сигналов в выходные в результате упомянутых взаимодействий, регистрация упомянутого выходного сигнала.In addition, a method of performing computations using the above-described molecular computing devices, including the following steps: selecting said set of single-stranded nucleic acids, mixing said set with said input molecules and said output molecules if they are not part of said set, incubating the mixture to ensure interactions between input molecules, said single-stranded nucleic acids of said set and said output molecules, and transformation of input signals into outputs as a result of said interactions, registration of said output signal.

Кроме того, предложены фармацевтические формуляции, включающие в себя описанные МВУ для регуляции экспрессии генов.In addition, the proposed pharmaceutical formulations, including the described VLMs for the regulation of gene expression.

СловарьDictionary

Для облегчения понимания сути данного изобретения, здесь (ранее и далее в этом тексте) используются следующие термины:To facilitate understanding of the essence of this invention, here (earlier and later in this text) the following terms are used:

Свободная молекулярная форма - состояние молекулы, в котором она не связана (не образует комплекса/не ассоциирована) с другими молекулами. Данное понятие может рассматриваться в статистическом контексте, т.е. наблюдается за ансамблем идентичных молекул данного типа, например, все олигонуклеотиды ACTGTAC. Понятно, что эти молекулы находятся в равновесном процессе образования-распада комплекса с другими олигонуклеотидами. При этом, если есть второй взаимодействующий с первым олигонуклеотид, то, скорее всего, каждая молекула ACTGTAC время от времени периодически будет состоять в комплексе со вторым нуклеотидом. В этом смысле в свободной форме понимается процент молекул ACTGTAC, находящихся в несвязанном состоянии.Free molecular form is a state of a molecule in which it is not bound (does not form a complex / is not associated) with other molecules. This concept can be viewed in a statistical context, i.e. observed behind an ensemble of identical molecules of a given type, for example, all ACTGTAC oligonucleotides. It is clear that these molecules are in an equilibrium process of formation-decomposition of a complex with other oligonucleotides. Moreover, if there is a second oligonucleotide interacting with the first, then, most likely, each ACTGTAC molecule from time to time will periodically be complexed with the second nucleotide. In this sense, free form refers to the percentage of ACTGTAC molecules in an unbound state.

Слабая (низкая) аффинность - такая взаимная аффинность двух молекул, при которой молекулы находятся в такой концентрации, что существенная часть этих молекул находится в свободной молекулярной форме (в нашем случае, не менее 0.01% молекул, предпочтительнее 0.02%, предпочтительнее 0.05%, предпочтительнее 0.1%, предпочтительнее 0.2%, предпочтительнее 0.5%, предпочтительнее 1%, предпочтительнее 2%, предпочтительнее 5%, предпочтительнее 10%, предпочтительнее 20%). Как показано далее, количество молекул в свободной молекулярной форме взаимосвязано с концентрациями молекул и константами аффинности с другими молекулами согласно закону действующих масс. Чтобы пояснить общую связь константы аффинности двух молекул А, В и частью этих молекул в свободной молекулярной форме, приведем следующие рассуждения. Согласно закону действующих масс в равновесии:Weak (low) affinity is such a mutual affinity of two molecules at which the molecules are in such a concentration that a significant part of these molecules is in free molecular form (in our case, at least 0.01% of molecules, preferably 0.02%, preferably 0.05%, preferably 0.1%, more preferably 0.2%, more preferably 0.5%, more preferably 1%, more preferably 2%, more preferably 5%, more preferably 10%, more preferably 20%). As shown below, the number of molecules in free molecular form is correlated with the concentrations of molecules and the constants of affinity for other molecules according to the law of mass action. To clarify the general connection between the affinity constant of two molecules A, B and some of these molecules in free molecular form, we present the following reasoning. According to the law of mass action in equilibrium:

Figure 00000001
Figure 00000001

При этом, допустим для простоты, что тотальная (или начальная концентрация молекул А и В при смешивании) одинакова и равна [А]0. Обозначим равновесную концентрацию комплекса АВ как [AB]eq. Тогда равновесная концентрация [A]eq=[B]eq=:[A]0-[AB]eq. Решая уравнения, получим, что в молекулярной свободной форме будет следующая часть А:In this case, let us assume for simplicity that the total (or the initial concentration of molecules A and B upon mixing) is the same and equal to [A] 0. Let us designate the equilibrium concentration of the AB complex as [AB] eq. Then the equilibrium concentration [A] eq = [B] eq = : [A] 0- [AB] eq. Solving the equations, we get that the following part A will be in free molecular form:

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Обратим внимание, что олигонуклеотиды часто образуют димеры и многочисленные ассоциаты сами с собой. Поэтому перевод значения [А в комплексе, %] (которые, например, приведены в Примерах реализации изобретения) в константу диссоциации должен учитывать и такие многомеры, образованные только молекулами А или только молекулами В. Однако в первом приближении (для определения порядка константы), можно пользоваться и приведенной формулой и таблицей.Note that oligonucleotides often form dimers and numerous associates with themselves. Therefore, the translation of the value of [A in the complex,%] (which, for example, are given in the Examples of implementation of the invention) into the dissociation constant should also take into account such multidimensions formed only by molecules A or only by molecules B. However, in the first approximation (to determine the order of the constant), you can use the above formula and table.

Как видно, из Фиг. 1, даже самые неаффинные полиА-полиТ олигонуклеотиды длиной 20 оснований, в случае комплементарности достигают Kd около 10-16 М. Соответственно при стандартных концентрациях, используемых в области ДНК-вычислений (10-8-10-6 М), отношение Kd[А]0=10-8-10-10, соответственно менее 0.001-0.01% молекул будет присутствовать в свободной молекулярной форме. Более аффинные комплементарные варианты той же длины, например, полиG-полиС -достигают Kd около 10-28М. Соответственно, чтобы хотя бы 0.001% молекул оставалось в свободной молекулярной форме, концентрация молекул [А]0 должна быть менее 10-18 М, т.е. 6000 молекул на миллилитр. Удивительно, но даже при такой концентрации, в 1 миллилитре раствора в молекулярной форме не останется ни одной молекулы (6000*0.001%=0.06)!As seen in FIG. 1, even the most non-affinity polyA-polyT oligonucleotides with a length of 20 bases, in the case of complementarity, reach a Kd of about 10-16 M. Accordingly, at standard concentrations used in the field of DNA calculations (10 -8 -10 -6 M), the ratio Kd [A ] 0 = 10 -8 -10 -10 , respectively, less than 0.001-0.01% of the molecules will be present in free molecular form. More affinity complementary variants of the same length, for example, polyG-polyC-reach Kd of about 10 -28 M. Accordingly, in order for at least 0.001% of molecules to remain in free molecular form, the concentration of molecules [A] 0 must be less than 10 -18 M, those. 6,000 molecules per milliliter. Surprisingly, even at such a concentration, not a single molecule will remain in molecular form in 1 milliliter of solution (6000 * 0.001% = 0.06)!

Паразитная аффинность - такая взаимная аффинность двух молекул, при которой молекулы находятся в такой концентрации, что малая часть этих молекул находится в свободной молекулярной форме (в нашем случае, не более 20%, предпочтительнее 10%, предпочтительнее 5%, предпочтительнее 2%, предпочтительнее 1%, предпочтительнее 0.5%, предпочтительнее 0.2%, предпочтительнее 0.1%, предпочтительнее 0.05%, предпочтительнее 0.02%, предпочтительнее 0.01%, предпочтительнее 0.005%, предпочтительнее 0.002%, предпочтительнее 0.001%). Понятно, что концентрация молекул в свободной молекулярной форме может быть пересчитана в отношение констант диссоциации комплексов молекулы с другими молекулами системы согласно закону действующих масс как показано выше.Parasitic affinity is such a mutual affinity of two molecules in which the molecules are in such a concentration that a small part of these molecules is in free molecular form (in our case, not more than 20%, preferably 10%, preferably 5%, preferably 2%, preferably 1%, more preferably 0.5%, more preferably 0.2%, more preferably 0.1%, more preferably 0.05%, more preferably 0.02%, more preferably 0.01%, more preferably 0.005%, more preferably 0.002%, more preferably 0.001%). It is clear that the concentration of molecules in a free molecular form can be recalculated in the ratio of the dissociation constants of complexes of a molecule with other molecules of the system according to the law of mass action as shown above.

Невзаимодействие молекул - в данном случае, подразумевается, что данные молекулы обладают паразитной аффинностью друг к другу.Non-interaction of molecules - in this case, it is understood that these molecules have a parasitic affinity for each other.

Существенно-некомплементарные: под существенной-некомплементарностью двух нуклеиновых кислот подразумевается хаотическое (спорадическое и т.п.) несоответствие (с точки зрения комплементарности) нуклеотидов на протяжении их последовательностей. Причем, процент таких некомплементарных оснований существенен по отношению к общей длине нуклеиновой кислоты - 2%, предпочтительнее 5%, предпочтительнее 10% и более. Причем, чем длиннее олигонуклеотиды, тем процент должен быть выше. Понятно, что это существенно отличается от частичной некоплементарности в системах основанных на феномене strand displacement, в которых используются липкие концы (dangling ends) показанные на Фиг. 1, т.е. когда длительная комплементарная последовательность фланкируется длительной некомплементарной последовательностью. Так же, в силу большого процента некомплементарных оснований, это существенно отличается от традиционных однонуклеотидных полиморфизмов SNP (single nucleotide polymorphism).Substantially non-complementary: under the essential non-complementarity of two nucleic acids is meant a chaotic (sporadic, etc.) mismatch (in terms of complementarity) of nucleotides throughout their sequences. Moreover, the percentage of such non-complementary bases is significant in relation to the total length of the nucleic acid - 2%, preferably 5%, more preferably 10% or more. Moreover, the longer the oligonucleotides, the higher the percentage should be. It is understood that this is significantly different from the partial non-complementarity in strand displacement systems using the dangling ends shown in FIG. 1, i.e. when a long complementary sequence is flanked by a long non-complementary sequence. Also, due to the large percentage of non-complementary bases, this is significantly different from traditional single nucleotide polymorphisms SNP (single nucleotide polymorphism).

Пороговое значение выходного сигнала - это такое значение сигнала, которое соответствует границе между значением выхода =1 и значением выхода =0. Оно используется для перевода аналогового сигнала в бинарный цифровой. Так как молекулярные системы являются аналоговыми устройствами (то есть сигнал может непрерывно меняться от малого до большого значения), то для классификации выходного сигнала в качестве булевой Правда или Лжи, и используют пороговое значение (threshold). Для различных применений в качестве такого порогового значения могут использоваться различные стратегии. В качестве порогового значения во всех приведенных примерах, используется среднее значение между максимальным и минимальным выходными сигналами среди всех достигаемых входными комбинациями.The output threshold is the signal value that corresponds to the boundary between the output value = 1 and the output value = 0. It is used to convert an analog signal to binary digital. Since molecular systems are analog devices (that is, the signal can continuously change from small to large), a threshold is used to classify the output signal as a Boolean True or False. For different applications, different strategies can be used as such a threshold value. As the threshold value in all the examples given, the average value between the maximum and minimum output signals among all the input combinations achieved is used.

Под формуляциями могут пониматься как вещества, субстанции, молекулы, надмолекулярные агенты, наночастицы, микрочастицы, наноагенты, микроагенты, формуляции, лекарственные формы, и т.п., которые используются как для терапии, так и диагностики различных заболеваний или состояний организма или пациента, в т.ч. включают в себя метки, контрастные агенты, компоненты с контролируемым высвобождением, парамагнитные и магнитные агенты, цитотоксические агенты, и т.п.Formulations can be understood as substances, substances, molecules, supramolecular agents, nanoparticles, microparticles, nanoagents, microagents, formulations, dosage forms, etc., which are used both for therapy and diagnosis of various diseases or conditions of the body or patient, incl. include labels, contrast agents, controlled release components, paramagnetic and magnetic agents, cytotoxic agents, and the like.

«Мера» - под «мерой, связанной с какой-то молекулой», подразумевают какое-либо числовое или иное значение, которое может считаться входом вычислительного устройство, связанное с самой молекулой или ее параметрами. Такое числовое значение входа может непосредственно равнять численному значению параметра (например, концентрации), либо соотносится с ним согласно определенному правилу - например, при превышении определенного порогового значения концентрации, вход считается =1, в противном случае вход =0. В качестве таких параметров может выступать последовательность нуклеиновой кислоты, ее длина, концентрация, масса, параметры ее комплексов с другими молекулами и т.п."Measure" - by "measure associated with a molecule" means any numerical or other value that can be considered the input of a computing device associated with the molecule itself or its parameters. Such a numerical value of the input can directly equal the numerical value of a parameter (for example, concentration), or correlate with it according to a certain rule - for example, when a certain threshold value of concentration is exceeded, the input is considered = 1, otherwise the input = 0. Such parameters can be the nucleic acid sequence, its length, concentration, mass, parameters of its complexes with other molecules, etc.

Равновесие со свободной молекулярной формой - имеется в виду равновесие в термодинамическом смысле.Equilibrium with free molecular form means equilibrium in the thermodynamic sense.

Используемый здесь термин «фармацевтический» относится к композиции, которая полезна при лечении заболевания или симптома заболевания.As used herein, the term "pharmaceutical" refers to a composition that is useful in treating a disease or symptom of a disease.

Термин «лечение» или «терапия» (treating, treatment, therapy) относятся к любым признакам успеха при лечении или улучшении заболевания, травм, патологии или состояния, включая любые объективные или субъективные параметры, такие как уменьшение; ремиссия; уменьшение симптомов или замедление ухудшения состояния больного, патологии или состояния пациента; замедление темпов дегенерации; что делает финальную стадию заболевания менее мучительной; улучшение физического или психического благополучия пациента. Лечение или улучшение симптомов могут основываться на объективных или субъективных параметрах; включая результаты физического обследования, нейропсихиатрических экзаменов и/или психиатрической оценки. Например, определенные методы, представленные здесь, могут успешно лечить рак, уменьшая заболеваемость раком и вызывая ремиссию рака. Термин «лечение» и его продолжения включают профилактику травмы, патологии, состояния или заболевания.The term "treatment" or "therapy" (treating, treatment, therapy) refers to any indication of success in the treatment or improvement of a disease, injury, pathology or condition, including any objective or subjective parameters such as reduction; remission; reducing symptoms or slowing down the deterioration of the patient's condition, pathology or patient's condition; slowing down the rate of degeneration; what makes the final stage of the disease less painful; improving the physical or mental well-being of the patient. Treatment or improvement of symptoms can be based on objective or subjective parameters; including results of physical examination, neuropsychiatric examinations, and / or psychiatric evaluation. For example, certain methods presented here can successfully treat cancer by reducing the incidence of cancer and inducing cancer remission. The term "treatment" and its continuation includes the prevention of injury, pathology, condition or disease.

«Болезнь» или «состояние» относятся к состоянию здоровья пациента или субъекта, подлежащему лечению различными лекарственными средствами, дисперсиями, или другими методами представленными в настоящем документе."Disease" or "condition" refers to the state of health of a patient or subject to be treated with various drugs, dispersions, or other methods provided herein.

«Пациент» или «нуждающийся в этом субъект» относится к живому организму, страдающему или (возможно) склонному к заболеванию или состоянию, которое можно лечить путем введения лекарства, фармацевтической композиции или агента, как указано в настоящем документе. Неограничивающие примеры включают людей, других млекопитающих, быков, крыс, мышей, собак, обезьян, коз, овец, коров, оленей и других животных, не относящихся к млекопитающим. В частности, пациент может быть человеком."Patient" or "subject in need thereof" refers to a living organism suffering from or (possibly) prone to a disease or condition that can be treated by administering a drug, pharmaceutical composition, or agent as defined herein. Non-limiting examples include humans, other mammals, bulls, rats, mice, dogs, monkeys, goats, sheep, cows, deer, and other non-mammalian animals. In particular, the patient can be human.

Необходимо отметить, что приведенные константы взаимодействия различных олигонуклеотидов в рамках Описания и Примеров рассчитаны для взаимодействий при температуре 25 градусов Цельсия.It should be noted that the given constants of interaction of various oligonucleotides within the framework of the Description and Examples are calculated for interactions at a temperature of 25 degrees Celsius.

Следует отметить, что во всей заявке альтернативы записаны в группах Маркуша, например, каждое положение терапевтического агента, может содержать более одного возможного терапевтического агента. В частности, предполагается, что каждый член группы Маркуша следует рассматривать отдельно, тем самым, содержащий другой вариант осуществления, и группа Маркуша не должна читаться как единое целое.It should be noted that throughout the application, alternatives are written in Markush groups, for example, each position of a therapeutic agent may contain more than one candidate therapeutic agent. In particular, it is assumed that each member of the Markush group should be considered separately, thus containing a different embodiment, and the Markush group should not be read as a whole.

Осуществление изобретения. Подробное описание воплощений изобретения.Implementation of the invention. Detailed description of the embodiments of the invention.

Характеристики и преимущества молекулярного вычислительного устройства согласно данному изобретению будут далее проиллюстрированы в следующем подробном описании. Хотя изготовление и использование различных вариантов настоящего изобретения подробно обсуждается ниже, следует понимать, что настоящее изобретение обеспечивает множество применимых изобретательских концепций, которые могут быть воплощены в широком спектре конкретных контекстов. Конкретные варианты осуществления, обсуждаемые здесь, просто иллюстрируют различные способы создания и использования изобретения и не ограничивают объем изобретения. Все содержание приведенных здесь (ранее и далее) включено в настоящее описание посредством ссылки во всей их полноте для всех целей.The characteristics and advantages of the molecular computing device according to the present invention will be further illustrated in the following detailed description. While the manufacture and use of various embodiments of the present invention are discussed in detail below, it should be understood that the present invention provides many applicable inventive concepts that may be embodied in a wide variety of specific contexts. The specific embodiments discussed herein merely illustrate various ways of making and using the invention and do not limit the scope of the invention. All content provided herein (earlier and later) is incorporated herein by reference in its entirety for all purposes.

Открытие двухцепочечного строения ДНК и генетического кода перевернуло представление биологов о хранении наследственной информации. Высокая специфичность и аффинность взаимодействия двух цепей ДНК друг с другом - удивительный механизм, придуманный природой для передачи данных от одного организма другому. Кодирование генетической информации с помощью линейной последовательности букв АТГЦ в двух цепях, в которых букве А на одной цепи строго соответствует Т на другой, а букве Г - буква Ц, - крайне удобный механизм, предоставляющий возможность крайне эффективно копировать информацию, а также и надежно ее хранить, исправляя случайные ошибки за счет двух версий одной и той же информации в едином неразрывном биомолекулярном комплексе.The discovery of the double-stranded structure of DNA and the genetic code turned biologists' understanding of the storage of hereditary information upside down. The high specificity and affinity of the interaction of two DNA strands with each other is an amazing mechanism invented by nature to transfer data from one organism to another. Encoding genetic information using a linear sequence of ATGC letters in two chains, in which the letter A on one chain strictly corresponds to T on the other, and the letter G to the letter C, is an extremely convenient mechanism that makes it possible to copy information extremely efficiently, as well as reliably. store, correcting random errors at the expense of two versions of the same information in a single indissoluble biomolecular complex.

Тем не менее, смотря на все загадки ДНК (например, наличие некодирующей ДНК/РНК, в т.ч. малых некодирующих олигонуклеотидов, неожиданная апрегуляция генов малыми РНК) возникает вопрос - при всей мощи ДНК - а не хранит ли ДНК/РНК информацию как либо еще - по какому-то механизму, который пока не известен и не обнаружен, для которого и были бы нужны все эти непонятные нам сущности?Nevertheless, looking at all the mysteries of DNA (for example, the presence of non-coding DNA / RNA, including small non-coding oligonucleotides, an unexpected upregulation of genes by small RNAs), the question arises - with all the power of DNA - and does not DNA / RNA store information as or else - by some mechanism, which is not yet known and not discovered, for which all these incomprehensible entities would be needed?

Эта загадка воодушевляет различных исследователей искать альтернативные пути хранения информации в нуклеиновых кислотах и ее обработки. Так, были предложены различные системы, основанные на феноменах вымещения цепи (strand displacement), DNAzymes и т.п. Кроме того, активно идет поиск и ненуклеиновых молекулярных вычислительных систем работы с информацией.This mystery encourages various researchers to look for alternative ways of storing and processing information in nucleic acids. Thus, various systems have been proposed based on the phenomena of strand displacement, DNAzymes, etc. In addition, there is an active search for non-nucleic molecular computing systems for working with information.

Однако существующие методы рассматривают передачу информации от между молекулами в внутри Парадигмы высокоспецифичных взаимодействий, в рамках которой живые системы представляют как набор молекул, передающих полезную информацию с помощью высокоселективных взаимодействий. В частности, упомянутые системы ДНК компьютинга также базируются на комплементарности двух цепей ДНК - для обеспечения stand displacement реакций и специфичности ДНКзимов (как показано на Фиг. 1 снизу). Более того, выделяют так называемые молекулярные пути (molecular pathways), по которым распространяется сигнал от одной молекулы к другой.However, existing methods consider the transfer of information from between molecules to within the Paradigm of highly specific interactions, within which living systems are presented as a set of molecules that transmit useful information through highly selective interactions. In particular, the aforementioned DNA computing systems are also based on the complementarity of two DNA strands to ensure stand displacement reactions and specificity of DNAzymes (as shown in Fig. 1 below). Moreover, the so-called molecular pathways are distinguished, along which the signal propagates from one molecule to another.

Мы обнаружили принципиально иной и крайне эффективный механизм хранения и обработки информации в молекулярных системах. В обнаруженном механизме молекулы передают информацию наоборот, с помощью слабых аффинных взаимодействий друг с другом.We discovered a fundamentally different and extremely efficient mechanism for storing and processing information in molecular systems. In the discovered mechanism, molecules transmit information in reverse, using weak affine interactions with each other.

В принципе, данный механизм обработки информацией может быть реализован любыми молекулами, но он особенно эффективен при реализации с помощью нуклеиновых кислот.In principle, this information processing mechanism can be implemented by any molecule, but it is especially effective when implemented using nucleic acids.

Мы заметили уникальную особенность ДНК/РНК, красота которой долго оставалась незамеченной в тени двойной спирали ДНК. Возьмем одноцепочечный олигонуклеотид X. Обычно, комплементарный ему олигонуклеотид имеет максимальную аффинность среди всех других цепей такой же длины. Но если взять все возможные олигонуклеотиды (с такой же как у X длиной) и отсортировать их по аффинности к X, то мы получим плотно упакованный «континуум аффинностей» (affinity continuum).We noticed a unique DNA / RNA feature, the beauty of which went unnoticed for a long time in the shadow of the DNA double helix. Take the single-stranded oligonucleotide X. Typically, the complementary oligonucleotide has the highest affinity of all other strands of the same length. But if we take all possible oligonucleotides (with the same length as for X) and sort them by their affinity for X, then we get a tightly packed “affinity continuum”.

Фиг. 2 показывает плотность этого континуума для ДНК длиной 10 оснований, рассчитанную с помощью алгоритма вычисления аффинности двух цепей ДНК NUPACK (unpack.org). Оказывается, что даже для таких коротких ДНК, для любого выбранного значения константы аффинности К можно подобрать олигонуклеотид, который будет иметь константу аффинности к X равную K+- 10% (за исключением 25 минимальных/максимальных значений аффинности).FIG. 2 shows the density of this continuum for 10 base DNA, calculated using the NUPACK DNA double strand affinity calculation algorithm (unpack.org). It turns out that even for such short DNAs, for any chosen value of the affinity constant K, you can choose an oligonucleotide that will have an affinity constant for X equal to K + - 10% (with the exception of 25 minimum / maximum affinity values).

Более того, Фиг. 3 показывает, что столь же плотную упаковку олигонуклеотидов по аффинностям имеет распределение по отношению сразу к двум олигонуклеотидам - X и комплементарному ему X, либо же к X и произвольному Y. Видно, что аффинности образуют «многомерный континуум», среди которого может быть выбран олигонуклеотид с желаемой аффинностью сразу ко многим олигонуклеотидам.Moreover, FIG. 3 shows that an equally dense packing of oligonucleotides by affinities has a distribution with respect to two oligonucleotides at once - X and its complementary X , or to X and arbitrary Y. with the desired affinity for multiple oligonucleotides at once.

Данная особенность ДНК/РНК является ключом к обнаруженному нами новому механизму хранения информации в молекулярных системах.This feature of DNA / RNA is the key to our discovered new mechanism for storing information in molecular systems.

Посмотрим на то, что происходит в смеси коротких одноцепочечных молекул ДНК, если специально убрать оттуда все комплементарные цепи (т.е. удалить из рассмотрения вообще все «специфичные» взаимодействия - т.е. для каждого рецептора не использовать «специфичный» для него лиганд). В смеси при этом останутся олигонуклеотиды слабоаффинно и обратимо связывающиеся друг с другом согласно закону действующих масс. При этом одновременно будут сосуществовать различных комплексы одной цепи со всеми другими, причем их возможно будет меньше, чем свободных молекул. Такие взаимодействия можно легко встретить на белках переносчиках типа БСА и малых молекул, которые конкурируют за связывание с гидрофобным карманом белка.Let's look at what happens in a mixture of short single-stranded DNA molecules, if we deliberately remove all complementary strands from there (that is, remove from consideration in general all “specific” interactions - that is, do not use a “specific” ligand for each receptor ). In this case, oligonucleotides will remain in the mixture with weak affinity and reversibly binding to each other according to the law of mass action. At the same time, various complexes of one chain with all the others will coexist simultaneously, and there will probably be fewer of them than free molecules. Such interactions can easily be found on carrier proteins such as BSA and small molecules that compete for binding to the hydrophobic pocket of the protein.

Отличие такой системы от традиционной парадигмы хранения информации в специфичных (комплементарных) взаимодействиях показано на Фиг. 4 (ср. с Фиг. 1)The difference of such a system from the traditional paradigm of storing information in specific (complementary) interactions is shown in Fig. 4 (compare with Fig. 1)

Математически такая система будет описываться системой уравнений взаимодействия молекул ансамбля. В самом простом случае предполагающем, что могут образовываться лишь двухкомпонентные ассоциаты, а также рассматривая термодинамически равновесные системы, мы получим систему уравнений, показанную на Фиг. 4.Mathematically, such a system will be described by a system of equations for the interaction of molecules of the ensemble. In the simplest case, assuming that only two-component associates can be formed, and considering thermodynamically equilibrium systems, we obtain the system of equations shown in Fig. 4.

Настоящее изобретение показывает возможность создания молекулярных вычислительных устройств (МВУ), функционирующих на основе этой нелинейной системы уравнений. Данные МВУ хранят и обрабатывают информацию вне стандартной парадигмы высокоспецифичных взаимодействий.The present invention demonstrates the possibility of creating molecular computing devices (MVDs) operating on the basis of this non-linear system of equations. IDL data store and process information outside the standard paradigm of highly specific interactions.

В настоящем изобретении предложенные молекулярные вычислительные устройства хранят, обрабатывают информацию с помощью ансамбля молекул, между которыми существует множество слабых низкоаффинных и слабоспецифичных (неспецифичных) взаимодействий, а передача сигнала от входных молекул к выходным передается за счет изменения концентраций (равновесных или неравновесных) свободных компонент ансамбля и их комплексов.In the present invention, the proposed molecular computing devices store, process information using an ensemble of molecules, between which there are many weak low-affinity and weakly specific (nonspecific) interactions, and signal transmission from input molecules to output molecules is transmitted due to changes in the concentrations (equilibrium or nonequilibrium) of free components of the ensemble and their complexes.

МВУ, реализующие булеву алгебруMVPs that implement Boolean algebra

Согласно данному изобретению, создание МВУ, имплементирующих компоненты для решения задач булевой алгебры (которая является основой функционирования электронных компьютеров), строится по следующим правилам.According to this invention, the creation of IDLs that implement components for solving problems of Boolean algebra (which is the basis for the functioning of electronic computers) is based on the following rules.

1) Логический вентиль ДА (YES logic gate). Схема реализации показана на Фиг. 5 и экспериментально показана в Примерах 1-6. МВУ состоит из входного олигонуклеотида I, выходного олигонуклеотида S, и единственного олигонуклеотида Q, обрабатывающего передачу сигнала между входом и выходом. Будем считать мерой выхода, количество S в свободной молекулярной форме (т.е. не в состоянии комплекса с другими олигонуклеотидами). Значение входа =1, если I добавляют в систему, и входа =0, если не добавляют.1) YES logic gate. An implementation diagram is shown in FIG. 5 and experimentally shown in Examples 1-6. The MVL consists of an input oligonucleotide I, an output oligonucleotide S, and a single oligonucleotide Q that handles signal transmission between input and output. We will consider the amount of S in a free molecular form (i.e., not in a state of complex with other oligonucleotides) as a measure of the yield. Input value = 1 if I is added to the system, and input = 0 if not added.

Для создания МВУ выбирают олигонуклеотиды I,S,Q так, чтобы Q имел слабую аффинность по отношению к I и Q; a S и I взаимодействовали (см. уточнение этого термина в словаре) друг с другом.To create an IDL, oligonucleotides I, S, Q are selected so that Q has weak affinity for I and Q; a S and I interacted (see the definition of this term in the dictionary) with each other.

Согласно изобретению, выбирают концентрации I, Q, S в районе констант их взаимодействия (чтобы обеспечить необходимые уровни комплексообразования).According to the invention, the concentrations of I, Q, S are selected in the region of their interaction constants (to provide the required levels of complexation).

При этом система функционирует следующим образом. Для примера, пусть олиги S и Q взаимодействуют таким образом, чтобы в отсутствии других олиг 90% олиги S было связано с Q. Тогда если мы добавим в их систему I, то он начнет оттягивать на себя часть Q, что в свою очередь увеличит количество свободного S (высвободит из комплекса с Q). При этом, если константы приблизительно одинаковы, то существенного оттягивания можно добиться при превышении концентрации I над S. Другими словами, эффективность перераспределения Q - можно менять выбором констант, а также взаимоотношением концентраций олигонуклеотидов.In this case, the system operates as follows. For example, let oligos S and Q interact in such a way that, in the absence of other oligos, 90% of oligos S would be connected with Q. Then if we add I to their system, it will begin to pull off part of Q, which in turn will increase the number free S (will release from the complex with Q). In this case, if the constants are approximately the same, then a significant delay can be achieved when the concentration of I exceeds S. In other words, the efficiency of redistribution of Q - can be changed by the choice of constants, as well as by the relationship between the concentrations of oligonucleotides.

2) Логический вентиль НЕТ (NOT logic gate). Схема реализации показана на Фиг. 6 и экспериментально показана в Примере 7. МВУ состоит из входного олигонуклеотида I, выходного олигонуклеотида S, и двух олигонуклеотидов Q и М, обрабатывающих передачу сигнала между входом и выходом. Будем считать мерой выхода, количество S в свободной молекулярной форме (т.е. не в состоянии комплекса с другими олигонуклеотидами). Значение входа =1, если I добавляют в систему, и входа =0, если не добавляют.2) Logic gate NO (NOT logic gate). An implementation diagram is shown in FIG. 6 and experimentally shown in Example 7. The MVL consists of an input oligonucleotide I, an output oligonucleotide S, and two oligonucleotides Q and M, which process signal transmission between input and output. We will consider the amount of S in a free molecular form (i.e., not in a state of complex with other oligonucleotides) as a measure of the yield. Input value = 1 if I is added to the system, and input = 0 if not added.

Для создания МВУ выбирают олигонуклеотиды I, S, Q, M так, чтобы Q имел слабую аффинность по отношению к I и к Q; М - слабую аффинность к Q и к I; а другие пары не взаимодействовали (см. уточнение этого термина в словаре) друг с другом.To create an IDL, oligonucleotides I, S, Q, M are selected so that Q has weak affinity for I and for Q; M - weak affinity for Q and I; and the other couples did not interact (see the definition of this term in the dictionary) with each other.

Согласно изобретению, выбирают концентрации I, M, Q, S в районе констант их взаимодействия (чтобы обеспечить необходимые уровни комплексообразования).According to the invention, the concentrations of I, M, Q, S are selected in the region of their interaction constants (to provide the required levels of complexation).

При этом система функционирует подобно описанному выше. Без I, Q связан больше с М, чем с S. Когда добавляют в их систему I, то он начнет оттягивать на себя часть М, что в свою очередь увеличивает доступность Q для связывания с S. Эффективность перераспределения Q - можно менять выбором констант, а также взаимоотношением концентраций олигонуклеотидов.In this case, the system functions similarly to that described above. Without I, Q is associated more with M than with S. When I is added to their system, it will begin to draw back a part of M, which in turn increases the availability of Q for binding to S. The efficiency of Q redistribution can be changed by choosing constants, as well as the relationship between the concentrations of oligonucleotides.

3) Логический вентиль ИЛИ (OR logic gate). Схема реализации показана на Фиг. 7 и экспериментально показана в Примере 8. МВУ состоит из входных олигонуклеотидов In (n=1, 2, 3…), выходного олигонуклеотида S, и единственного олигонуклеотида Q, обрабатывающего передачу сигнала между входом и выходом. Будем считать мерой выхода, количество S в свободной молекулярной форме (т.е. не в состоянии комплекса с другими олигонуклеотидами). Значение входа In=1, если In добавляют в систему, и входа =0, если не добавляют.3) OR logic gate. An implementation diagram is shown in FIG. 7 and experimentally shown in Example 8. The MVL consists of input oligonucleotides In (n = 1, 2, 3 ...), output oligonucleotide S, and a single oligonucleotide Q, which handles signal transmission between input and output. We will consider the amount of S in a free molecular form (i.e., not in a state of complex with other oligonucleotides) as a measure of the yield. Input value In = 1 if In is added to the system, and input = 0 if not added.

Для создания МВУ выбирают олигонуклеотиды I, S, Q так, чтобы Q имел слабую аффинность по отношению к In и к Q; a S и I не взаимодействовали (см. уточнение этого термина в словаре) друг с другом.To create an IDL, choose oligonucleotides I, S, Q so that Q has weak affinity for In and for Q; a S and I did not interact (see the definition of this term in the dictionary) with each other.

Согласно изобретению, выбирают концентрации I, Q, S в районе констант их взаимодействия (чтобы обеспечить необходимые уровни комплексообразования).According to the invention, the concentrations of I, Q, S are selected in the region of their interaction constants (to provide the required levels of complexation).

При этом система функционирует следующим образом. Тогда если мы добавим систему любой из In, то он начнет оттягивать на себя часть Q, что в свою очередь увеличит количество свободного S (высвободит из комплекса с Q). Эффективность перераспределения Q - можно менять выбором констант, а также взаимоотношением концентраций олигонуклеотидов.In this case, the system operates as follows. Then if we add a system of any of In, then it will begin to pull off a part of Q, which in turn will increase the amount of free S (release it from the complex with Q). The efficiency of Q redistribution - can be changed by the choice of constants, as well as by the relationship between the concentrations of oligonucleotides.

4) Логический вентиль И (AND logic gate). Схема реализации показана на рис. 8 и экспериментально показана в Примере 9. МВУ состоит из входных олигонуклеотидов In (n=1, 2, 3…), выходного олигонуклеотида S, и олигонуклеотидов Qn, обрабатывающего передачу сигнала между входом и выходом. Будем считать мерой выхода, количество S в свободной молекулярной форме (т.е. не в состоянии комплекса с другими олигонуклеотидами). Значение входа In=1, если In добавляют в систему, и входа =0, если не добавляют.4) AND logic gate. The implementation diagram is shown in Fig. 8 and experimentally shown in Example 9. The MVL consists of input oligonucleotides In (n = 1, 2, 3 ...), output oligonucleotide S, and oligonucleotides Qn, which processes signal transmission between input and output. We will consider the amount of S in a free molecular form (i.e., not in a state of complex with other oligonucleotides) as a measure of the yield. Input value In = 1 if In is added to the system, and input = 0 if not added.

Для создания МВУ выбирают олигонуклеотиды In, S, Qn так, чтобы каждый Qn имел слабую аффинность по отношению к In и к Q; а другие пары взаимодействовали (см. уточнение этого термина в словаре) друг с другом.For the creation of IDM, the oligonucleotides In, S, Qn are selected so that each Qn has a weak affinity for In and for Q; and other couples interacted (see the definition of this term in the dictionary) with each other.

Согласно изобретению, выбирают концентрации In, Qn, S в районе констант их взаимодействия (чтобы обеспечить необходимые уровни комплексообразования).According to the invention, the concentrations of In, Qn, S are selected in the region of their interaction constants (to provide the required levels of complexation).

При этом система функционирует следующим образом. Для высвобождения S из комплексов со всеми Qn необходимо добавить все In (иначе Qx, для которых нет Ix свяжутся с S). Эффективность перераспределения можно менять выбором констант, а также взаимоотношением концентраций олигонуклеотидов.In this case, the system operates as follows. To release S from complexes with all Qn, it is necessary to add all In (otherwise, Qx, for which no Ix will bind to S). The efficiency of redistribution can be changed by the choice of constants, as well as by the relationship between the concentrations of oligonucleotides.

Комбинация принципов построения этих гейтов представляет собой функционально полный набор логических функций (т.е. полный базис). Т.е. с помощью него можно имплементировать сложные булевы функции.The combination of principles for constructing these gates constitutes a functionally complete set of logic functions (i.e., a complete basis). Those. it can be used to implement complex boolean functions.

Имплементация сложных систем, построенных на основе булевой алгебрыImplementation of complex systems based on Boolean algebra

Ячейка памяти и вычисления квадратного корня:Memory cell and square root calculation:

Примеры 10-11 демонстрируют системы, реализующие ячейку памяти (с возможностью хранения, и запуска считывания) и вычисление корня из 4-битного двоичного числа. Фиг. 9. приводит схему построения соответствующих МВУ, реализующих сложную булеву алгебру.Examples 10-11 demonstrate systems that implement a memory location (with the ability to store and start reading) and calculating the root of a 4-bit binary number. FIG. 9. gives a scheme for constructing the corresponding MVEs that implement complex Boolean algebra.

Необходимо подчеркнуть, что Пример 11 показывает преимущества настоящего изобретения над ранее известными системами молекулярных вычислений. А именно, в 2010 г. Qian и Winfree реализовали МВУ, способное решать ту же задачу (вычислять корень из 4-битного числа), но для передачи/обработки сигнала между входами и выходами по принципу strand displacement им потребовалось использовать 137 олигонуклеотидов, а вычисления заняли более 10 часов. Затем, добились уменьшения числа олигонуклеотидов в системе до 37 олигонуклеотидов и вычисления за 1 час за счет добавления в систему фермента.It should be emphasized that Example 11 demonstrates the advantages of the present invention over previously known molecular computing systems. Namely, in 2010, Qian and Winfree implemented an IDL capable of solving the same problem (calculating the root of a 4-bit number), but they needed to use 137 oligonucleotides to transmit / process a signal between inputs and outputs according to the strand displacement principle, and the calculations took over 10 hours. Then, we achieved a decrease in the number of oligonucleotides in the system to 37 oligonucleotides and calculations in 1 hour by adding an enzyme to the system.

МВУ согласно данному изобретению позволяет вычислить корень за 5 минут и используя только 17 олигонуклеотидов (4 из которых - входы).The MVL according to the present invention makes it possible to calculate the root in 5 minutes and using only 17 oligonucleotides (4 of which are inputs).

Управление экспрессией генов, выходящее за рамки традиционной парадигмы ДНК-взаимодействий:Gene expression control beyond the traditional paradigm of DNA interactions:

Данное изобретение позволяет создать МВУ, способное влиять на экспрессию генов. Более того, позволяет создать такие МВУ, функционирование которых выходят за рамки традиционной (стандартной, обычной) парадигмы ДНК-взаимодействий, и вообще за рамки современных представлений о влиянии малых нуклеиновых кислот на экспрессию генов.This invention allows you to create an MVP capable of influencing gene expression. Moreover, it makes it possible to create such MVLs, the functioning of which go beyond the traditional (standard, usual) paradigm of DNA interactions, and in general beyond the modern concepts of the effect of small nucleic acids on gene expression.

В настоящее время известно большое количество механизмов влияние малых нуклеиновых кислот на экспрессию генов. Например, известен механизм antisense нуклеиновых кислот, которые могут связываться, например с матричной РНК и за счет такого конкурентного связывания понижать экспрессию данного гена. Кроме того, известны silencing РНК, которые задействуют сложный ферментативный каскад для деградации матричной РНК. Однако, известно, что в определенных случаях попытка подавить экспрессию какого-то определенного гена приводит к подавлению и других, так называемых off-target genes. Предсказать подобные побочные эффекты пытаются за счет сравнения последовательности малой нуклеиновой кислоты (которая должна произвести подавление нужного гена) и других последовательностей в геноме, обладающих достаточным сродством к данной малый нуклеиновой кислоте.Currently, a large number of mechanisms are known for the influence of small nucleic acids on gene expression. For example, the antisense mechanism of nucleic acids is known, which can bind, for example, to messenger RNA and, through such competitive binding, reduce the expression of this gene. In addition, silencing RNAs are known, which involve a complex enzymatic cascade for the degradation of messenger RNA. However, it is known that, in certain cases, an attempt to suppress the expression of a particular gene leads to suppression of other so-called off-target genes. It is attempted to predict such side effects by comparing the sequence of a small nucleic acid (which should produce suppression of the desired gene) and other sequences in the genome that have sufficient affinity for this small nucleic acid.

Мы показываем, что с помощью данного изобретения, возможно создать МВУ, которое позволяет определенной малой нуклеиновой кислоте влиять на таргетную последовательность определенного гена, имея с ней:We show that with the help of this invention it is possible to create an MVL that allows a particular small nucleic acid to influence the target sequence of a particular gene, having with it:

1) ни одного комплементарного основания без учета сдвигов (т.е. абсолютной некомплементарности)1) not a single complementary base without taking into account shifts (i.e. absolute non-complementarity)

2) непревышающий максимум комплементарности при учете всех возможных относительных сдвигов:2) non-exceeding maximum of complementarity, taking into account all possible relative shifts:

1 вариант сдвига: 1 тетраплет AGGC; 2 варианта сдвига: 1 дуплет GC; 2 вариант сдвига: 1 дуплет CU.1 shift option: 1 AGGC tetraplet; 2 shift options: 1 GC doublet; 2 shift option: 1 doublet CU.

Такое поведение полностью выходит из традиционной парадигмы хранения информации в ДНК, и вообще рассматриваемых ныне ДНК взаимодействий в живых системах.This behavior completely leaves the traditional paradigm of storing information in DNA, and in general the interactions in living systems that are currently being considered by DNA.

Пример 19 показывает пример такого экспериментально созданного молекулярного вычислительного устройства, которое реализует логическую функцию ДА, для увеличения экспрессии гена (выход) при появлении входного нуклеотида для следующих последовательностей:Example 19 shows an example of such an experimentally designed molecular computing device that implements the logical DA function to increase gene expression (output) upon the appearance of an input nucleotide for the following sequences:

5'-AGGCGCCCUGAC-3' - таргетная последовательность в мРНК GFP:5'-AGGCGCCCUGAC-3 '- target sequence in GFP mRNA:

3'-AGUCGUCCGAGU-5' (5'-UGAGCCUGCUGA-3') - Входной олигонуклеотид.3'-AGUCGUCCGAGU-5 '(5'-UGAGCCUGCUGA-3') - Input oligonucleotide.

Видно, что в виду отсутствующей комплементарности, данный входной олигонуклеотид не может регулировать экспрессию гена напрямую ни по одному известному в рамках традиционной парадигмы взаимодействий нуклеиновых кислот -ни по механизму антисмысловой регуляции (antisense), ни по механизму siRNA (в т.ч. в силу своей малой длины), и т.п.It can be seen that, in view of the lack of complementarity, this input oligonucleotide cannot directly regulate gene expression according to none of the nucleic acid interactions known within the traditional paradigm - neither by the antisense regulation mechanism (antisense), nor by the siRNA mechanism (including by virtue of its short length), etc.

Тем не менее, Пример 19 показывает эффективную ап-регуляцию (upregulation) экспрессию гена при добавление в систему данного входного олига. Это объясняется тем, что в системе Примера 19, входной олигонуклеотид действует не на сам таргетный участок гена, а на другую короткую РНК, которую он оттягивает от мРНК по механизму логического вентиля ДА, продемонстрированного в Примере 6. Данное изобретение впервые раскрывает механизм апрегуляции экспрессии гена малыми РНК. Причем, видно, что это легко достигается при наличии в системе нескольких малых РНК со слабой взаимной комплементарностью, а также комплементарностью некоторых из них к мРНК. Очевидно, что все МВУ по данному изобретению возможно применить к регуляции экспрессии генов, просто за счет использования в качестве сигнального олигонуклеотида не флуоресцентно меченный модельный, а непосредственно мРНК. Таким образом, очевидно, что данные МВУ могут использоваться для терапии и диагностики заболеваний, т.к. представляют совершенно новый и крайне многофункциональный инструмент регуляции генетической информации.However, Example 19 shows efficient upregulation of gene expression when this input olig is added to the system. This is due to the fact that in the system of Example 19, the input oligonucleotide acts not on the target region of the gene itself, but on another short RNA, which it pulls from the mRNA by the mechanism of the DA logic gate, demonstrated in Example 6. This invention for the first time discloses the mechanism of upregulation of gene expression small RNA. Moreover, it can be seen that this is easily achieved in the presence in the system of several small RNAs with weak mutual complementarity, as well as the complementarity of some of them to mRNA. It is obvious that all the VLMs according to this invention can be applied to the regulation of gene expression, simply by using mRNA, not a fluorescently labeled model, but directly as a signal oligonucleotide. Thus, it is obvious that IDL data can be used for therapy and diagnosis of diseases, since represent a completely new and extremely multifunctional tool for the regulation of genetic information.

Кроме того, подобный механизм может реализовываться и если входной молекулой будет являться (комплекс входных молекул будет состоять из) мРНК.In addition, a similar mechanism can be realized if the input molecule is (the complex of input molecules will consist of) mRNA.

500-битный Логический вентиль И (500-bit Logic AND gate)500-bit Logic AND gate

Данное изобретение позволяет добиться молекулярных вычислительных устройств, которые способны:This invention enables molecular computing devices that are capable of:

1) быть более эффективными в хранении и обработке информации, чем традиционное представление о хранение информации в первичной последовательности ДНК,1) be more efficient in storing and processing information than the traditional concept of storing information in the primary DNA sequence,

2) конкурировать и даже превосходить электронные устройства.2) compete and even surpass electronic devices.

Пусть дана следующая задача. Есть определенный ген, имеющий определенную последовательность из 20 оснований, на которую можно каким-либо образом повлиять с помощью одноцепочечных олигонуклеотидов того же размера (например упомянутые выше antisense олигонуклеотиды, silencing РНК, и т.п.).Let the following problem be given. There is a specific gene that has a specific sequence of 20 bases, which can be influenced in some way by using single-stranded oligonucleotides of the same size (for example, the antisense oligonucleotides mentioned above, silencing RNA, etc.).

Тогда, в рамках парадигмы комплементарности ДНК, это последовательность длиной в 20 оснований позволяет в полном максимуме 420≈1012 возможностей чтобы на нее повлиять, т.е. существует 1012 олигонуклеотидов, которые могут либо связаться, либо не связаться с заданной последовательностью (и подавить/или не подавить экспрессию гена - как описано выше). Пример X показывает МВУ, которое способно реализовать 2608≈10183 возможностей влияния на такой ген в той же самой постановке. Это существенно больше, чем количество элементарных частиц в видимой вселенной по любой опубликованной на данный момент оценке.Then, within the framework of the DNA complementarity paradigm, this sequence of 20 bases in length allows 4 20 ≈10 12 opportunities to influence it, i.e. there are 10 12 oligonucleotides that can either bind or not bind to a given sequence (and suppress / or not suppress gene expression - as described above). Example X shows the IDP is able to realize ≈10 2 608 183 opportunities to influence the gene in the same formulation. This is significantly more than the number of elementary particles in the visible universe according to any currently published estimate.

А именно, Пример 12 показывает МФУ, реализующее 500-битный логический вентиль И (500-bit AND logic gate). При этом в случае использования в качестве олигонуклеотида S таргетной последовательности определенного гена, выход данного логического вентиля, а именно, количество свободного от комплексов олигонуклеотида S и будет характеризовать экспрессию гена (как описано выше).Namely, Example 12 shows an MFP that implements a 500-bit AND logic gate. In this case, in the case of using a target sequence of a certain gene as an oligonucleotide S, the output of this logical gate, namely, the amount of oligonucleotide S free from complexes, will characterize the expression of the gene (as described above).

Необходимо отметить, что Фигура 11 (снизу) доказывает возможность создания 608-битного логического вентиля И. Действительно, если рассмотреть работу 100-, 200-, 300, и 500-битного вентилей, видно, что экстраполяция максимальных значений выхода для входов типа «единичный вход=0» и пороговых значений (среднее между входами «все входы=0», «все входы=1») достигается при 608-битном вентиле И.It should be noted that Figure 11 (below) proves the possibility of creating a 608-bit logic gate I. Indeed, if we consider the operation of 100-, 200-, 300, and 500-bit gates, it can be seen that the extrapolation of the maximum output values for inputs of the type "single input = 0 "and threshold values (average between inputs" all inputs = 0 "," all inputs = 1 ") is achieved with a 608-bit AND gate.

Необходимо отметить, что на данный момент не реализованы электронные компьютеры с подобной битностью, что говорит о колоссальных вычислительных возможностях предложенного принципа построения МВУ и вообще данного неизвестного ранее феномена/принципа хранения информации в нуклеиновых кислотах.It should be noted that, at the moment, electronic computers with such a bit rate have not been implemented, which indicates the colossal computational capabilities of the proposed principle of constructing IDLs and, in general, this previously unknown phenomenon / principle of storing information in nucleic acids.

Элементарная алгебраElementary algebra

Данное изобретение позволяет создавать МВУ, способное обрабатывать данные и для решения различных алгебраических уравнений для непрерывно меняющихся значений переменной. Данное изобретение является первым и на данный момент единственным вариантом создания МВУ, способных решать подобные математические задачи.This invention allows you to create an IDP capable of processing data and for solving various algebraic equations for continuously changing values of a variable. This invention is the first and currently the only option for creating an IDP capable of solving such mathematical problems.

Примеры 13-18 показывают различные МВУ, решающие математические уравнения с ошибкой не превышающей 2%.Examples 13-18 show various MVPs solving mathematical equations with an error of less than 2%.

Различные аспекты изобретенияVarious aspects of the invention

Необходимо отметить, что обнаруженные феномены и данные изобретения основаны на фундаментальном законе действующих масс, определяющим прохождение различных обратимых реакций, и никак не ограниченно нуклеиновыми кислотами (ДНК/РНК).It should be noted that the discovered phenomena and these inventions are based on the fundamental law of mass action, which determines the passage of various reversible reactions, and is in no way limited to nucleic acids (DNA / RNA).

Мы продемонстрировали реализацию такого процессинга информации на примере нуклеиновых кислот. Однако, мы не пользоваться никакими «особыми» свойствами ДНК (DNA-specific properties), кроме того, что это единственный тип молекул, между которыми на данный момент достаточно точно предсказывается аффинность двухкомпонентных систем (на основании первичной структуры), а также доступен синтез большого количества веществ и это не представляется проблемой. Реализация таких систем на других молекулах - математически будет столь же работоспособной.We have demonstrated the implementation of such information processing using nucleic acids as an example. However, we do not use any "special" properties of DNA (DNA-specific properties), except that this is the only type of molecules between which at the moment the affinity of two-component systems is predicted quite accurately (based on the primary structure), and synthesis of a large the amount of substances and this does not seem to be a problem. The implementation of such systems on other molecules will mathematically be just as efficient.

В принципе, данный механизм обработки/передачи информации может быть реализован любыми молекулами, но в случае его реализации с помощью ДНК, процессинг может использовать возможность олига связываться не только с ему комплементарным (ну или с его вариантами содержащими одноосновные полиморфизмы SNP - single nucleotide polymorphisms), а с возможностью слабо ассоциировать с многими другими олигами с последовательностью лишь отдаленно напоминающей комплементарную (см. Фиг. 4).In principle, this information processing / transmission mechanism can be implemented by any molecules, but if it is implemented with the help of DNA, processing can use the ability of olig to bind not only with its complementary (well, or with its variants containing monobasic SNP polymorphisms - single nucleotide polymorphisms) , but with the ability to weakly associate with many other olig with a sequence only vaguely reminiscent of the complementary (see Fig. 4).

В то время как современная биология увлеченно осваивает высокоаффинные взаимодействия, наше изобретение реализует и показывает мощь слабоаффинных (низкоаффинных) взаимодействий. Данное изобретение является абсолютно новой концепцией биомолекулярных вычислений, и превосходит по скорости и мощности все известные на настоящий момент.While modern biology is enthusiastically mastering high-affinity interactions, our invention realizes and demonstrates the power of low-affinity (low-affinity) interactions. This invention is a completely new concept in biomolecular computation, and surpasses all currently known in speed and power.

Данное изобретение может быть использовано для совмещения электронных систем с биологическими. Кроме того, т.к. показанный механизм, в основе которого лежат самые основные и базовые законы химических реакций, может быть задействован природой, причем у нее были миллионы лет на оттачивание данного механизма. Поэтому возможность совмещения МВУ с природными системами на том же механизме дает неоспоримые преимущества данным МВУ.This invention can be used to combine electronic systems with biological ones. In addition, since the shown mechanism, which is based on the most basic and basic laws of chemical reactions, can be used by nature, and she had millions of years to perfect this mechanism. Therefore, the possibility of combining IDLs with natural systems on the same mechanism gives undeniable advantages to these IDLs.

Хранение информации возможно не только в концентрациях свободных олигонуклеотидов (или иных молекул) и/или комплексов. Но также возможно использовать а) скорость изменения концентраций, особенно, если надо оперировать быстро - типа памяти и т.п., б) мы работали в двоичной системе, но также можно создать МВУ, работающие 1) аналогово, 2) реагирующие на самые малые изменения и 3) хранящие (обрабатывающие) информацию с помощью сложных функциональных зависимостей, которые будут способны хранить сверхбольшие массивы данных.Information storage is possible not only in the concentrations of free oligonucleotides (or other molecules) and / or complexes. But it is also possible to use a) the rate of concentration change, especially if you need to operate quickly - such as memory, etc., b) we worked in a binary system, but you can also create MVDs that work 1) analog, 2) react to the smallest changes and 3) storing (processing) information using complex functional dependencies that will be able to store very large amounts of data.

В приведенных примерах хранение и обработка данных осуществлялась с помощью популярных комплексов или свободных олигонуклеотидов. Помимо этого хранение информации возможно в скоростях изменения концентраций, что позволяет достичь еще большей скорости обработки данных. Кроме того, в приведенных примерах с булевой алгеброй, приведено трактование выходов как правда или ложь (0 или 1), Однако, данные примеры можно рассматривать не как цифровой вариант обработки данных, но и как аналоговый. Точно также Природа использует и непрерывные аналоговые процессы и пороговые процессы (threshold-based ones), например, работа нейронов (neuron firing).In the above examples, data storage and processing was carried out using popular complexes or free oligonucleotides. In addition, the storage of information is possible at the rate of concentration change, which makes it possible to achieve an even higher rate of data processing. In addition, in the above examples with Boolean algebra, the interpretation of the outputs as true or false (0 or 1) is given. However, these examples can be considered not as a digital version of data processing, but also as analog. Likewise, Nature uses continuous analog processes and threshold-based ones, for example, neuron firing.

По сравнению с другими молекулярными вычислительными методами, которые позволяют проводить сложные вычисления (т.е. не ограничены несколькими булевыми функциями и способны решать не одну конкретную задачу), уникальное преимущество нашего изобретения в практически полном отсутствии каких-либо ограничений на типы и свойства молекул которые совместимы с нашим подходом. Нет никаких ограничений на отношение входных, выходных и обрабатывающих веществ. В случае ДНК или РНК, это могут быть олигонуклеотиды различных размеров (например, в отличие от концепций, основанных на ДНКзимах), они могут быть очень короткими (например, в отличие от концепции вытеснения цепей - strand displacement), они могут быть вообще не нуклеиновыми кислотами (например, в отличие от концепций, основанных на ДНК-зимах).Compared to other molecular computational methods that allow complex calculations (i.e., they are not limited to several Boolean functions and are able to solve more than one specific problem), the unique advantage of our invention is the almost complete absence of any restrictions on the types and properties of molecules that compatible with our approach. There are no restrictions on the ratio of input, output and processing substances. In the case of DNA or RNA, these can be oligonucleotides of different sizes (for example, in contrast to the concepts based on DNAzymes), they can be very short (for example, in contrast to the concept of strand displacement), they may not be nucleic acid at all acids (for example, as opposed to concepts based on DNA winters).

Кроме того, как показывает пример с решением математических задач элементарной алгебры, видно, что выбор олигонуклеотидов может быть легко подстроен под практически любые входные и выходные олигонуклеотиды. Данное изобретение дает широкую свободу в подборе как входных, так выходных, так и обрабатывающих олигонуклеотидов. Более того, любое МВУ можно организовать практически для любого наборы входных и выходных олигонуклеотидов за счет широкой тонко подстраиваемой системы обрабатывающих олигонуклеотидов, как это показано в примере с задачами элементарной алгебры.In addition, as the example with the solution of mathematical problems of elementary algebra shows, it can be seen that the choice of oligonucleotides can be easily adjusted for almost any input and output oligonucleotides. This invention provides wide freedom in the selection of both input and output and processing oligonucleotides. Moreover, any IDL can be organized for almost any set of input and output oligonucleotides due to a wide, finely tuned system of processing oligonucleotides, as shown in the example with problems of elementary algebra.

Особые применения МВУSpecial uses of IDPs

Уже сейчас понятно, что малые РНК/ДНК - это важный природный инструмент, для малого количества которых нашли смысл (например, siRNA). Есть различные одноцепочечные олигонуклеотиды, которые выполняют различные функции: от регуляции внутриклеточных процессов, до обеспечения межклеточного общения с помощью экзосом.It is already clear that small RNA / DNA is an important natural tool, for a small number of which they have found meaning (for example, siRNA). There are various single-stranded oligonucleotides that perform different functions: from the regulation of intracellular processes to the provision of intercellular communication using exosomes.

Наше изобретение полностью меняет ракурс для их анализа. Мы показываем, что недостаточно биоинформатически выявлять комплементарные последовательности, важно и необходимо смотреть на все потенциальные взаимодействия малых (а в идеале, еще и больших) нуклеиновых кислот. Т.к. «первый рубеж» комплементарных олигонуклеотидов, может быть подвластен контролю существенно большему количеству РНК как в продемонстрированных МВУ.Our invention completely changes the perspective for their analysis. We show that it is not enough to bioinformatically identify complementary sequences; it is important and necessary to look at all potential interactions of small (and ideally also large) nucleic acids. Because The “first frontier” of complementary oligonucleotides can be controlled by a significantly larger amount of RNA, as in the demonstrated VLFs.

Биомедицинское значение данного феномена может оказаться крайне важным для диагностики и лечения большого количества заболеваний. Этот феномен (и наше изобретение) необходимо и возможно учитывать и использовать при генной терапии (в т.ч. короткими РНК). Кроме того, изобретение возможно использовать для тонкой многофакторной настройки такой терапии. Его использование обеспечит дополнительный контроль над специфичностью и эффективностью терапии, а также позволит минимизировать риски off-target модификаций в геноме.The biomedical significance of this phenomenon can be extremely important for the diagnosis and treatment of a large number of diseases. This phenomenon (and our invention) must and can be taken into account and used in gene therapy (including short RNAs). In addition, the invention can be used for fine multifactorial adjustment of such a therapy. Its use will provide additional control over the specificity and effectiveness of therapy, as well as minimize the risks of off-target modifications in the genome.

Обнаруженным нами механизм хранения информации в ДНК и в более общем случае для любых низкоаффинных взаимодействиях между молекулами, и изобретенные на его основе МВУ могут использовать и применяться в различных быстропротекающих процессах (например, кратковременной памяти), или длительных процессах (например, старения или эволюционных систем).We discovered a mechanism for storing information in DNA and, in a more general case, for any low-affinity interactions between molecules, and IDLs invented on its basis can be used and applied in various fast processes (for example, short-term memory), or long-term processes (for example, aging or evolutionary systems ).

Существование данного феномена существенно усложняет анализ интерактома, т.е. множества межмолекулярных взаимодействий, которые в традиционной парадигме рассматриваются как молекулярные пути взаимодействий (pathways), основанные на высокоаффинных и специфичных взаимодействиях. Хотя, в данном случае, возможно стоит говорить об отдельном понятии «аффинома» (affinome), который рассматривает, наоборот, множество низкоаффинных взаимодействий, влияющих на различные процессы в живых системах. Анализ такого «аффинома» может потребоваться для понимания полной картины и может приоткрыть тайны многих заболеваний, которые ранее были недоступны и не могли быть адресованы в парадигме высокоаффинных и высокоспецифичных лекарств и анализов.The existence of this phenomenon significantly complicates the analysis of the interactome, i.e. many intermolecular interactions, which in the traditional paradigm are considered as molecular pathways based on high-affinity and specific interactions. Although, in this case, it may be worth talking about a separate concept of "affinome", which considers, on the contrary, a lot of low-affinity interactions that affect various processes in living systems. The analysis of such an "affinoma" may be required to understand the full picture and may reveal the secrets of many diseases that were previously inaccessible and could not be addressed in the paradigm of high-affinity and highly specific drugs and analyzes.

Различные аспекты воплощения изобретенияVarious aspects of the embodiment of the invention

Таким образом, в настоящем изобретении предложено молекулярное вычислительное устройство (МВУ) (а также способы проведения вычислений с помощью описанных МВУ), включающее в себя, по крайней мере, набор одноцепочечных нуклеиновых кислот, и для которого: численной мерой входных сигналов являются меры, связанные с входными молекулами (в т.ч. входными олигонуклеотидами, входными белками, мРНК и т.п., в т.ч. входящими либо не входящими в упомянутый набор), численной мерой выходных сигналов являются меры, связанные с выходными молекулами (в т.ч. выходными олигонуклеотидами, выходными белками, мРНК и т.п., в т.ч. входящими либо не входящими в упомянутый набор), входные сигналы трансформируются в выходные сигналы в результате взаимодействий между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, и выходными молекулами, отличающееся тем, что упомянутые одноцепочечные нуклеиновые кислоты упомянутого набора имеют низкую аффинность взаимодействия между собой такую, что не менее 0.1% количества каждой из них существует в свободной молекулярной форме, а не входит в состав комплексов с другими молекулами.Thus, the present invention provides a molecular computing device (MVD) (as well as methods for performing calculations using the described MVD), including at least a set of single-stranded nucleic acids, and for which: the numerical measure of the input signals are measures related with input molecules (including input oligonucleotides, input proteins, mRNA, etc., including those included or not included in the mentioned set), the numerical measure of output signals is the measures associated with output molecules (including including output oligonucleotides, output proteins, mRNA, etc., including those included or not included in the said set), the input signals are transformed into output signals as a result of interactions between the input molecules, the mentioned single-stranded nucleic acids of the said set, and output molecules, characterized in that said single-stranded nucleic acids of said set have a low affinity of interaction between oh such that at least 0.1% of the amount of each of them exists in free molecular form, and is not included in complexes with other molecules.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, включающее в себя, по крайней мере, набор одноцепочечных нуклеиновых кислот, и для которого: численной мерой входных сигналов являются меры, связанные с входными молекулами, численной мерой выходных сигналов являются меры, связанные с выходными молекулами, входные сигналы трансформируются в выходные сигналы в результате взаимодействий между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, и выходными молекулами.In addition, a molecular computing device that includes at least a set of single-stranded nucleic acids, and for which: the numerical measure of the input signals are the measures associated with the input molecules, the numerical measure of the output signals are the measures associated with the output molecules, the input signals are transformed into output signals as a result of interactions between the input molecules, said single-stranded nucleic acids of said set, and the output molecules.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, отличающееся тем, что упомянутые одноцепочечные нуклеиновые кислоты упомянутого набора имеют низкую аффинность взаимодействия между собой такую, что не менее 0.001% (предпочтительнее 0.003%, предпочтительнее 0.01%, предпочтительнее 0.03%, предпочтительнее 0.1%, предпочтительнее 0.3%, предпочтительнее 0.5%, предпочтительнее 1%, предпочтительнее 2%, предпочтительнее 3%, предпочтительнее 5%, предпочтительнее 10%, предпочтительнее 15%, предпочтительнее 20%, предпочтительнее 30%, предпочтительнее 50%) количества (концентрации, массы) каждой из них существует в свободной молекулярной форме, а не входит в состав комплексов с другими молекулами.In addition, a molecular computing device, characterized in that said single-stranded nucleic acids of said set have a low affinity of interaction with each other such that not less than 0.001% (preferably 0.003%, preferably 0.01%, preferably 0.03%, preferably 0.1%, preferably 0.3% , more preferably 0.5%, more preferably 1%, more preferably 2%, more preferably 3%, more preferably 5%, more preferably 10%, more preferably 15%, more preferably 20%, more preferably 30%, more preferably 50%) the amount (concentration, weight) of each of them exists in free molecular form, and does not enter into complexes with other molecules.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, отличающееся тем, что упомянутые одноцепочечные нуклеиновые кислоты упомянутого набора имеют низкую аффинность взаимодействия между собой такую, что не менее 0.1% количества каждой из них существует в свободной молекулярной форме, а не входит в состав комплексов с другими молекулами.In addition, a molecular computing device, characterized in that the said single-stranded nucleic acids of the said set have a low affinity of interaction with each other, such that at least 0.1% of the amount of each of them exists in free molecular form, and is not included in complexes with other molecules.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором комплексы, образуемые одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора находятся в равновесии (термодинамическом) со свободной молекулярной формой упомянутых одноцепочечных нуклеиновых кислот так, что не менее 0.1% от тотальной (полной) концентрации каждой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутого набора находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device in which the complexes formed by single-stranded nucleic acids of said set are in equilibrium (thermodynamic) with the free molecular form of said single-stranded nucleic acids so that not less than 0.1% of the total (total) concentration of each single-stranded nucleic acid of said set is in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, отличающееся тем, что для каждой пары упомянутых одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора их взаимная аффинность столь низка, что в отсутствии других одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора, не менее 0.1% от полной концентрации каждой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутой пары находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device, characterized in that for each pair of said single-stranded nucleic acids of said set, their mutual affinity is so low that in the absence of other single-stranded nucleic acids of said set, at least 0.1% of the total concentration of each single-stranded nucleic acid of said pair is in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, отличающееся тем, что упомянутые одноцепочечные нуклеиновые кислоты упомянутого набора столь низкоаффинны между собой, что не менее 0.1% количества каждой из них существует в свободной молекулярной форме, а не входит в состав комплексов с другими молекулами.In addition, a molecular computing device, characterized in that the mentioned single-stranded nucleic acids of the mentioned set are so low-affinity to each other that at least 0.1% of the amount of each of them exists in free molecular form, and is not included in complexes with other molecules.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, отличающееся тем, что упомянутые одноцепочечные нуклеиновые кислоты упомянутого набора имеют низкую аффинность взаимодействия между собой такую, что не менее 0.1% количества каждой из них существует в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device, characterized in that the said single-stranded nucleic acids of the said set have a low affinity of interaction with each other, such that at least 0.1% of the amount of each of them exists in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, отличающееся тем, что упомянутые одноцепочечные нуклеиновые кислоты упомянутого набора имеют такую низкую аффинность взаимодействия между собой, что не менее 0.1% количества каждой из них существует в свободной молекулярной форме, а не в составе комплексов с другими молекулами.In addition, a molecular computing device, characterized in that the mentioned single-stranded nucleic acids of the said set have such a low affinity of interaction with each other that at least 0.1% of the amount of each of them exists in free molecular form, and not in complexes with other molecules.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, отличающееся тем, что упомянутые одноцепочечные нуклеиновые кислоты упомянутого набора имеют такую низкую попарную аффинность взаимодействия, что не менее 0.1% количества каждой из них существует в свободной молекулярной форме, а не в составе комплексов с другими молекулами.In addition, a molecular computing device, characterized in that the said single-stranded nucleic acids of the said set have such a low pairwise affinity of interaction that at least 0.1% of the amount of each of them exists in free molecular form, and not in complexes with other molecules.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, отличающееся тем, что для каждой пары упомянутых одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора их взаимная аффинность столь низка, что в отсутствии других одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора, не менее 0.1% от полной концентрации каждой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутой пары находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device, characterized in that for each pair of said single-stranded nucleic acids of said set, their mutual affinity is so low that in the absence of other single-stranded nucleic acids of said set, at least 0.1% of the total concentration of each single-stranded nucleic acid of said pair is in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, включающее в себя, по крайней мере, набор одноцепочечных нуклеиновых кислот, и которое способно: принимать входные сигналы, численной мерой которых являются меры, связанные с добавляемыми к упомянутому устройству входными молекулами, генерировать выходные сигналы, численной мерой которых являются меры, связанные с выходными молекулами, трансформировать входные сигналы в выходные сигналы в результате взаимодействий между выходными молекулами, если они не являются частью упомянутого набора, входными молекулами, и упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора.In addition, a molecular computing device that includes at least a set of single-stranded nucleic acids, and which is capable of: accepting input signals, the numerical measure of which are the measures associated with the input molecules added to the said device, generate output signals, the numerical measure of which is are measures associated with output molecules to transform input signals into output signals as a result of interactions between output molecules, if they are not part of said set, input molecules, and said single-stranded nucleic acids of said set.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, отличающееся тем, что для каждой пары упомянутых одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора их взаимная аффинность столь низка, что в отсутствии других одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора, не менее 0.1% от полной концентрации каждой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутой пары находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device, characterized in that for each pair of said single-stranded nucleic acids of said set, their mutual affinity is so low that in the absence of other single-stranded nucleic acids of said set, at least 0.1% of the total concentration of each single-stranded nucleic acid of said pair is in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, отличающееся тем, что комплексы, образуемые одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора находятся в равновесии со свободной молекулярной формой упомянутых одноцепочечных нуклеиновых кислот так, что не менее 0.1% от полной концентрации каждой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутого набора находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device, characterized in that the complexes formed by single-stranded nucleic acids of said set are in equilibrium with the free molecular form of said single-stranded nucleic acids so that at least 0.1% of the total concentration of each single-stranded nucleic acid of said set is in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, отличающееся тем, что для каждой пары упомянутых одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора их взаимная аффинность столь низка, что в отсутствии других одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора, не менее 0.1% от полной концентрации каждой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутой пары находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device, characterized in that for each pair of said single-stranded nucleic acids of said set, their mutual affinity is so low that in the absence of other single-stranded nucleic acids of said set, at least 0.1% of the total concentration of each single-stranded nucleic acid of said pair is in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, отличающееся тем, что для каждой пары упомянутых одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора их взаимная аффинность столь низка, что в отсутствии других одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора, не менее 0.1% от полной концентрации каждой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутой пары находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device, characterized in that for each pair of said single-stranded nucleic acids of said set, their mutual affinity is so low that in the absence of other single-stranded nucleic acids of said set, at least 0.1% of the total concentration of each single-stranded nucleic acid of said pair is in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, отличающееся тем, что для каждой пары упомянутых одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора их взаимная аффинность столь низка, что в отсутствии других одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора, не менее не менее 0.001% (предпочтительнее 0.003%), предпочтительнее 0.01%, предпочтительнее 0.03%, предпочтительнее 0.1%, предпочтительнее 0.3%, предпочтительнее 0.5%, предпочтительнее 1%, предпочтительнее 2%, предпочтительнее 3%, предпочтительнее 5%, предпочтительнее 10%, предпочтительнее 15%), предпочтительнее 20%, предпочтительнее 30%, предпочтительнее 50%) от полной концентрации каждой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутой пары находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device, characterized in that for each pair of said single-stranded nucleic acids of the said set, their mutual affinity is so low that, in the absence of other single-stranded nucleic acids of the said set, not less than 0.001% (preferably 0.003%), preferably 0.01 %, more preferably 0.03%, more preferably 0.1%, more preferably 0.3%, more preferably 0.5%, more preferably 1%, more preferably 2%, more preferably 3%, more preferably 5%, more preferably 10%, more preferably 15%), more preferably 20%, more preferably 30% , preferably 50%) of the total concentration of each single-stranded nucleic acid of said pair is in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, отличающееся тем, что упомянутые одноцепочечные нуклеиновые кислоты упомянутого набора столь низкоаффинны между собой, что не менее 0.1% каждой из них существует в свободной молекулярной форме, а не входит в состав комплексов с другими молекулами.In addition, a molecular computing device, characterized in that the mentioned single-stranded nucleic acids of the mentioned set are so low-affinity with each other that at least 0.1% of each of them exists in free molecular form, and is not included in complexes with other molecules.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, отличающееся тем, что упомянутые одноцепочечные нуклеиновые кислоты упомянутого набора столь низкоаффинны между собой, что не менее 0.001%) (предпочтительнее 0.003%, предпочтительнее 0.01%, предпочтительнее 0.03%, предпочтительнее 0.1%, предпочтительнее 0.3%, предпочтительнее 0.5%, предпочтительнее 1%, предпочтительнее 2%, предпочтительнее 3%, предпочтительнее 5%, предпочтительнее 10%, предпочтительнее 15%, предпочтительнее 20%, предпочтительнее 30%, предпочтительнее 50%) каждой из них существует в свободной молекулярной форме, а не входит в состав комплексов с другими молекулами.In addition, a molecular computing device, characterized in that said single-stranded nucleic acids of said set are so low-affinity to each other that they are not less than 0.001%) (preferably 0.003%, preferably 0.01%, preferably 0.03%, preferably 0.1%, preferably 0.3%, preferably 0.5%, more preferably 1%, more preferably 2%, more preferably 3%, more preferably 5%, more preferably 10%, more preferably 15%, more preferably 20%, more preferably 30%, more preferably 50%) each of them exists in free molecular form and not is a part of complexes with other molecules.

Кроме того, МВУ, в котором упомянутыми выходными молекулами являются одноцепочечными нуклеиновыми кислотами.In addition, an MVL, in which said output molecules are single-stranded nucleic acids.

Кроме того, МВУ, в котором упомянутыми выходными молекулами являются дополнительными одноцепочечными нуклеиновыми кислотами, не входящими в упомянутый набор.In addition, an MVL, in which the said output molecules are additional single-stranded nucleic acids not included in the specified set.

Кроме того, МВУ, в котором упомянутыми выходными молекулами являются одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора.In addition, an MVL, in which the said output molecules are single-stranded nucleic acids of the said set.

Кроме того, МВУ, в котором упомянутыми выходными молекулами являются мРНК.In addition, the MVU, in which the mentioned output molecules are mRNA.

Кроме того, МВУ, в котором упомянутая мера выходного сигнала связана с уровнем экспрессии гена, кодируемой упомянутой мРНК.In addition, the MVP, in which the said measure of the output signal is related to the level of expression of the gene encoded by the said mRNA.

Кроме того, МВУ, в котором упомянутыми выходными молекулами являются белки.In addition, an MVL, in which the mentioned output molecules are proteins.

Кроме того, МВУ, в котором упомянутыми входными молекулами являются одноцепочечными нуклеиновыми кислотами.In addition, an MVL, in which said input molecules are single-stranded nucleic acids.

Кроме того, МВУ, в котором упомянутыми входными молекулами являются одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора.In addition, an MVL, in which said input molecules are single-stranded nucleic acids of said set.

Кроме того, МВУ, в котором упомянутыми входными молекулами являются мРНК.In addition, the MVU, in which the mentioned input molecules are mRNA.

Кроме того, МВУ, в котором упомянутыми входными молекулами являются белки.In addition, an MVL, in which the mentioned input molecules are proteins.

Кроме того, МВУ, в котором упомянутые нуклеиновые кислоты упомянутого набора являются ДНК.In addition, an IDL in which said nucleic acids of said set are DNA.

Кроме того, МВУ, в котором упомянутые нуклеиновые кислоты упомянутого набора являются РНК.In addition, an IDL, in which said nucleic acids of said set are RNA.

Кроме того, МВУ, в котором упомянутые нуклеиновые кислоты упомянутого набора являются олигонуклеотидами.In addition, an MVL, in which said nucleic acids of said set are oligonucleotides.

Кроме того, МВУ, в котором численная мера входного сигнала соотносится с тотальной концентрацией входной молекулы.In addition, the IDL, in which the numerical measure of the input signal is related to the total concentration of the input molecule.

Кроме того, МВУ, в котором численная мера входного сигнала соотносится с тотальной массой входной молекулы.In addition, the MVL, in which the numerical measure of the input signal is related to the total mass of the input molecule.

Кроме того, МВУ, в котором численная мера выходного сигнала соотносится с тотальной концентрацией выходной молекулы в свободной молекулярной форме.In addition, the MVT, in which the numerical measure of the output signal is related to the total concentration of the output molecule in free molecular form.

Кроме того, МВУ, в котором численная мера выходного сигнала соотносится с массой выходной молекулы в свободной молекулярной форме.In addition, the MVL, in which the numerical measure of the output signal is related to the mass of the output molecule in free molecular form.

Кроме того, МВУ, в котором численная мера выходного сигнала соотносится с концентрацией комплекса, образованного выходной молекулой с нуклеиновыми кислотами упомянутого набора.In addition, the MVC, in which the numerical measure of the output signal is related to the concentration of the complex formed by the output molecule with the nucleic acids of said set.

Кроме того, МВУ, в котором численная мера выходного сигнала соотносится с концентрацией комплексов, образованных выходными молекулами с нуклеиновыми кислотами упомянутого набора.In addition, the MVC, in which the numerical measure of the output signal is related to the concentration of complexes formed by the output molecules with the nucleic acids of the above set.

Кроме того, МВУ, в котором упомянутая мера выходного сигнала является уровнем экспрессии гена, кодируемого одноцепочечной нуклеиновой кислотой упомянутого набора, являющейся выходной молекулой.In addition, an IDL, in which said measure of the output signal is the level of expression of a gene encoded by a single-stranded nucleic acid of said set, which is an output molecule.

Кроме того, МВУ, в котором упомянутая численная мера выходного сигнала классифицируется как булевое значение «0/1» в результате сравнения с пороговым значением: если сигнал меньше порогового значение, тогда выход равен 0, если больше порогового значения, тогда выход равен 1.In addition, the MVD, in which the said numerical measure of the output signal is classified as a boolean value "0/1" as a result of comparison with the threshold value: if the signal is less than the threshold value, then the output is 0, if it is greater than the threshold value, then the output is 1.

Кроме того, МВУ, в котором трансформация входных сигналов в выходные сигналы происходит в результате смещения равновесия комплексообразования между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора и выходными молекулами, в результате чего меняется упомянутая численная мера выходных сигналов.In addition, the MVA, in which the transformation of input signals into output signals occurs as a result of a shift in the equilibrium of complexation between the input molecules, the mentioned single-stranded nucleic acids of the mentioned set and the output molecules, as a result of which the mentioned numerical measure of the output signals changes.

Кроме того, МВУ, в котором не менее 0.1% от тотальной (полной) концентрации каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутого набора находится в свободной молекулярной форме.In addition, the IDL, in which at least 0.1% of the total (total) concentration of each of the mentioned single-stranded nucleic acid of the said set is in free molecular form.

Кроме того, МВУ, в котором не менее 1% от тотальной концентрации каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутого набора находится в свободной молекулярной форме.In addition, the IDL, in which at least 1% of the total concentration of each said single-stranded nucleic acid of the said set is in free molecular form.

Кроме того, МВУ, в котором не менее 5% от тотальной концентрации каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутого набора находится в свободной молекулярной форме.In addition, the IDL, in which at least 5% of the total concentration of each said single-stranded nucleic acid of the said set is in free molecular form.

Кроме того, МВУ, включающее в себя, по крайней мере, набор одноцепочечных нуклеиновых кислот, и для которого: численной мерой входных сигналов являются меры, связанные с входными молекулами, численной мерой выходных сигналов являются меры, связанные с выходными молекулами, входные сигналы трансформируются в выходные сигналы в результате взаимодействий между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, и выходными молекулами, причем, тотальная концентрация каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты превышает значение константы диссоциации комплексов, образованных данной одноцепочечной нуклеиновой кислотой и другими одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора не более, чем в 100000 раз.In addition, the MVL, which includes at least a set of single-stranded nucleic acids, and for which: the numerical measure of the input signals are the measures associated with the input molecules, the numerical measure of the output signals are the measures associated with the output molecules, the input signals are transformed into output signals as a result of interactions between the input molecules, said single-stranded nucleic acids of said set, and output molecules, moreover, the total concentration of each said single-stranded nucleic acid exceeds the value of the dissociation constant of the complexes formed by this single-stranded nucleic acid and other single-stranded nucleic acids of said set, not more than, than 100,000 times.

Кроме того, МВУ, включающее в себя, по крайней мере, набор одноцепочечных нуклеиновых кислот, и для которого: численной мерой входных сигналов являются меры, связанные с входными молекулами, численной мерой выходных сигналов являются меры, связанные с выходными молекулами, входные сигналы трансформируются в выходные сигналы в результате взаимодействий между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, и выходными молекулами, отличающееся тем, что упомянутые взаимодействия между одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора являются обратимым связыванием не полностью комплементарных между одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, причем таких, для любых двух одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора, длина наиболее протяженного связного участка их взаимной комплементарности не превышает 10 оснований.In addition, the MVL, which includes at least a set of single-stranded nucleic acids, and for which: the numerical measure of the input signals are the measures associated with the input molecules, the numerical measure of the output signals are the measures associated with the output molecules, the input signals are transformed into output signals as a result of interactions between input molecules, said single-stranded nucleic acids of said set, and output molecules, characterized in that said interactions between single-stranded nucleic acids of said set are reversible binding not completely complementary between single-stranded nucleic acids of said set, and such, for any two single-stranded nucleic acids of the above set, the length of the most extended connected region of their mutual complementarity does not exceed 10 bases.

Кроме того, способ проведения вычислений с помощью вышеописанных молекулярных вычислительного устройств.In addition, a method for performing computations using the above described molecular computing devices.

Кроме того, способ проведения вычислений с помощью вышеописанных молекулярных вычислительного устройств, включающий в себя следующие шаги: выбор упомянутого набора одноцепочечных нуклеиновых кислот, смешение упомянутого набора с упомянутыми входными молекулами и упомянутыми выходными молекулами, если они не являются частью упомянутого набора, инкубация смеси для обеспечения взаимодействий между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора и упомянутыми выходными молекулами и трансформации входных сигналов в выходные в результате упомянутых взаимодействий, регистрация упомянутого выходного сигнала.In addition, a method of performing computations using the above-described molecular computing devices, including the following steps: selecting said set of single-stranded nucleic acids, mixing said set with said input molecules and said output molecules if they are not part of said set, incubating the mixture to ensure interactions between input molecules, said single-stranded nucleic acids of said set and said output molecules, and transformation of input signals into outputs as a result of said interactions, registration of said output signal.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, включающее в себя, по крайней мере, набор одноцепочечных нуклеиновых кислот, в котором численной мерой входного сигнала является мера, связанная с по крайней мере одной одноцепочечной нуклеиновой кислотой упомянутого набора, численной мерой выходного сигнала является мера, связанная с по крайней мере одной одноцепочечной нуклеиновой кислотой упомянутого набора, входной сигнал трансформируется из в выходной сигнал в результате взаимодействий между одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, причем, комплексы, образуемые одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, находятся в равновесии со свободной молекулярной формой упомянутых одноцепочечных нуклеиновых кислот так, что не менее 0.1% от тотальной концентрации каждой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутого набора находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device including at least a set of single-stranded nucleic acids, in which the numerical measure of the input signal is a measure associated with at least one single-stranded nucleic acid of the set, the numerical measure of the output signal is a measure associated with at least one single-stranded nucleic acid of said set, the input signal is transformed from into an output signal as a result of interactions between single-stranded nucleic acids of said set, and the complexes formed by single-stranded nucleic acids of said set are in equilibrium with the free molecular form of said single-stranded nucleic acids so that is not less than 0.1% of the total concentration of each single-stranded nucleic acid of the above set is in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором упомянутые нуклеиновые кислоты являются ДНК.Moreover, a molecular computing device in which said nucleic acids are DNA.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором упомянутые нуклеиновые кислоты являются РНК.Moreover, a molecular computing device in which said nucleic acids are RNA.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором упомянутые нуклеиновые кислоты являются ДНК или РНК.Moreover, a molecular computing device in which said nucleic acids are DNA or RNA.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором упомянутые нуклеиновые кислоты являются олигонуклеотидами.In addition, a molecular computing device in which said nucleic acids are oligonucleotides.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором упомянутая численная мера входного сигнала является тотальной концентрацией упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты.Moreover, a molecular computing device in which said numerical measure of the input signal is the total concentration of said single-stranded nucleic acid.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором упомянутая численная мера входного сигнала является количеством упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты.In addition, a molecular computing device in which said numerical measure of an input signal is the amount of said single stranded nucleic acid.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором упомянутая численная мера выходного сигнала является концентрация упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты в свободной молекулярной форме.Furthermore, a molecular computing device in which said numerical measure of the output signal is the concentration of said single-stranded nucleic acid in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором упомянутая численная мера выходного сигнала является концентрация комплексов, образованной упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты с другими нуклеиновыми кислотами упомянутого набора.Furthermore, a molecular computing device in which said numerical measure of the output signal is the concentration of complexes formed by said single-stranded nucleic acid with other nucleic acids of said set.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором упомянутая численная мера выходного сигнала является концентрация комплексов, образованной упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты с определенными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора.Furthermore, a molecular computing device in which said numerical measure of the output signal is the concentration of complexes formed by said single-stranded nucleic acid with certain nucleic acids of said set.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором упомянутая численная мера выходного сигнала является количество упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты в свободной молекулярной форме.Furthermore, a molecular computing device in which said numerical measure of the output signal is the amount of said single-stranded nucleic acid in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором упомянутая численная мера выходного сигнала является количество комплексов, образованной упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты с другими нуклеиновыми кислотами упомянутого набора.Furthermore, a molecular computing device in which said numerical measure of the output signal is the number of complexes formed by said single-stranded nucleic acid with other nucleic acids of said set.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором упомянутая численная мера выходного сигнала является количество комплексов, образованной упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты с определенными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора.Furthermore, a molecular computing device in which said numerical measure of the output signal is the number of complexes formed by said single-stranded nucleic acid with certain nucleic acids of said set.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором трансформация входного сигнала в выходной сигнал происходит за счет смещения равновесия комплексообразования между упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, в результате которого меняется упомянутая численная мера выходного сигнала, связанная с концентрацией по крайней мере одной одноцепочечной нуклеиновой кислотой упомянутого набора.In addition, a molecular computing device in which the transformation of an input signal into an output signal occurs due to a shift in the complexation equilibrium between said single-stranded nucleic acids of said set, as a result of which said numerical measure of the output signal associated with the concentration of at least one single-stranded nucleic acid of said set changes. set.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором не менее 0.2% от тотальной концентрации каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутого набора находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device in which at least 0.2% of the total concentration of each of the mentioned single-stranded nucleic acid of the said set is in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором не менее 0.5% от тотальной концентрации каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутого набора находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device in which at least 0.5% of the total concentration of each of the mentioned single-stranded nucleic acid of the said set is in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором не менее 1% от тотальной концентрации каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутого набора находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device in which at least 1% of the total concentration of each said single-stranded nucleic acid of said set is in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором не менее 2% от тотальной концентрации каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутого набора находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device in which at least 2% of the total concentration of each said single-stranded nucleic acid of said set is in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором не менее 5% от тотальной концентрации каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутого набора находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device in which at least 5% of the total concentration of each said single-stranded nucleic acid of said set is in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором не менее 10% от тотальной концентрации каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутого набора находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device in which at least 10% of the total concentration of each said single-stranded nucleic acid of said set is in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором не менее 20% от тотальной концентрации каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты упомянутого набора находится в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device in which at least 20% of the total concentration of each said single-stranded nucleic acid of said set is in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, которое трансформирует двоичный входной сигнал в выходной согласно закону булевой алгебры.In addition, a molecular computing device that transforms a binary input signal into an output signal according to the law of Boolean algebra.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, которое трансформирует непрерывный входной сигнал в непрерывный выходной согласно правилу элементарной алгебры.In addition, a molecular computing device that transforms a continuous input signal into a continuous output signal according to the rule of elementary algebra.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором упомянутая мера выходного сигнала, являющаяся мерой, связанной с по крайней мере одной одноцепочечной нуклеиновой кислотой упомянутого набора, связана с уровнем экспрессии гена этой нуклеиновой кислоты упомянутого набора.In addition, a molecular computing device in which said measure of the output signal, which is a measure associated with at least one single-stranded nucleic acid of said set, is associated with the expression level of the gene of that nucleic acid of said set.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором упомянутая мера выходного сигнала является уровнем экспрессии гена, кодируемого одноцепочечной нуклеиновой кислотой упомянутого набора.Furthermore, a molecular computing device in which said measure of the output signal is the expression level of a gene encoded by a single stranded nucleic acid of said set.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором входной сигнал преобразуется в выходной согласно правилу логического ДА, и которое состоит из (включает в себя - comprises): выходного олигонуклеотида (т.е. выходной молекулы, являющейся олигонуклетидом, входящем или не входящем в упомянутых набор), входного олигонуклеотида (т.е. входной молекулы, являющейся олигонуклетидом, входящем или не входящем в упомянутых набор) - причем его присутствие соответствует логическому входу равному 1, а отсутствие соответствует логическому входу равному 0, обрабатывающего олигонуклеотида, причем, обрабатывающий олигонуклеотид связывается с выходным олигонуклеотидом в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1% и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1% и не более 50% выходного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, для входного олигонуклеотида: обрабатывающий олигонуклеотид связывается с ним в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1% и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1% и не более 50% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, для входного олигонуклеотида: выходной олигонуклеотид связывается с ним в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 90% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 90% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, при этом, результат вычисления считывают после добавления входных олигонуклеотидов в раствор, содержащий выходной и обрабатывающий олигонуклеотиды, как количество выходного олигонуклеотида в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device in which an input signal is converted into an output signal according to the rule of logical DA, and which consists of (includes - comprises): an output oligonucleotide (i.e. an output molecule that is an oligonucleotide, included or not included in the mentioned set), an input oligonucleotide (i.e. an input molecule, which is an oligonucleotide, included or not included in the above set) - and its presence corresponds to a logical input equal to 1, and its absence corresponds to a logical input equal to 0, a processing oligonucleotide, and the processing oligonucleotide binds with the output oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that not less than 0.1% and not more than 50% of the processing oligonucleotide and not less than 0.1% and not more than 50% of the output oligonucleotide is in free molecular form, for the input oligonucleotide: the processing oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides so that n f less than 0.1% and not more than 50% of the processing oligonucleotide and not less than 0.1% and not more than 50% of the said input oligonucleotide is in free molecular form, for the input oligonucleotide: the output oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides so that not less than 90% processing oligonucleotide and at least 90% of said input oligonucleotide is in free molecular form, while the result of the calculation is read after adding input oligonucleotides to a solution containing output and processing oligonucleotides as the amount of output oligonucleotide in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство для преобразования входного сигнала в выходной согласно правилу логического ДА, и которое состоит из: выходного олигонуклеотида, входного олигонуклеотида, причем его присутствие соответствует логическому входу равному 1, а отсутствие соответствует логическому входу равному 0, обрабатывающего олигонуклеотида, выбранных так, что обрабатывающий олигонуклеотид способен связываться с выходным олигонуклеотидом в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1% и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1% и не более 50% выходного олигонуклеотида остается в свободной молекулярной форме, обрабатывающий олигонуклеотид способен связываться с входным олигонуклеотидом в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1% и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1% и не более 50% упомянутого входного олигонуклеотида остается в свободной молекулярной форме, выходной олигонуклеотид способен связывается с входным олигонуклеотидом в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 90% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 90% упомянутого входного олигонуклеотида остается в свободной молекулярной форме, и в котором результат вычисления соответствует количеству выходного олигонуклеотида в свободной молекулярной форме после установления равновесия (или после инкубации) после добавления входных олигонуклеотидов в раствор, содержащий выходной и обрабатывающий олигонуклеотиды.In addition, a molecular computing device for converting an input signal into an output signal according to the rule of logical DA, and which consists of: an output oligonucleotide, an input oligonucleotide, and its presence corresponds to a logical input equal to 1, and its absence corresponds to a logical input equal to 0, a processing oligonucleotide selected so that the processing oligonucleotide is able to bind to the output oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that not less than 0.1% and not more than 50% of the processing oligonucleotide and not less than 0.1% and not more than 50% of the output oligonucleotide remains in free molecular form, the processing oligonucleotide is able to bind to input oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that not less than 0.1% and not more than 50% of the processing oligonucleotide and not less than 0.1% and not more than 50% of the said input oligonucleotide remains in free molecular form, the output oligonucleotide is able to bind with the input oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of the processing oligonucleotide and at least 90% of the said input oligonucleotide remains in free molecular form, and in which the result of the calculation corresponds to the amount of the output oligonucleotide in free molecular form after equilibration (or after incubation) after adding the input oligonucleotides to the solution containing the output and processing oligonucleotides.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором входной сигнал преобразуется в выходной согласно правилу логического НЕ, и которое состоит из (включает в себя - comprises): выходного олигонуклеотида, входного олигонуклеотида (причем его присутствие соответствует логическому входу равному 1, а отсутствие соответствует логическому входу равному 0), обрабатывающего олигонуклеотида А, обрабатывающего олигонуклеотида В, причем, обрабатывающий олигонуклеотид А связывается с выходным олигонуклеотидом в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1% и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1% и не более 50% выходного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, обрабатывающий олигонуклеотид В связывается с обрабатывающим олигонуклеотидом А в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1% и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида А и не менее 0.1% и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида В находится в свободной молекулярной форме, для входного олигонуклеотида: обрабатывающий олигонуклеотид В связывается с ним в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1% и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида В и не менее 0.1% и не более 50% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, для входного олигонуклеотида: выходной олигонуклеотид связывается с ним в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 90% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 90% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, для входного олигонуклеотида: обрабатывающий олигонуклеотид А связывается с ним в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 90% обрабатывающего олигонуклеотида А и не менее 90% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, для обрабатывающего олигонуклеотида В: выходной олигонуклеотид связывается с ним в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 90% обрабатывающего олигонуклеотида В и не менее 90% упомянутого выходного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, при этом, результат вычисления считывают после добавления входных олигонуклеотидов в раствор, содержащий выходной и обрабатывающий нуклеотиды, как количество выходного олигонуклеотида в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device in which an input signal is converted into an output signal according to the logical NOT rule, and which consists of (includes - comprises): an output oligonucleotide, an input oligonucleotide (and its presence corresponds to a logical input equal to 1, and its absence corresponds to a logical input equal to 0), processing oligonucleotide A, processing oligonucleotide B, moreover, processing oligonucleotide A binds to the output oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that not less than 0.1% and not more than 50% of the processing oligonucleotide and not less than 0.1% and not more than 50% of the output oligonucleotide is in free molecular form, processing oligonucleotide B binds to processing oligonucleotide A in the absence of other oligonucleotides so that no less than 0.1% and no more than 50% of processing oligonucleotide A and no less than 0.1% and no more than 50% of processing oligonucleotide B is in free molecule ular form, for the input oligonucleotide: the processing oligonucleotide B binds to it in the absence of other oligonucleotides so that not less than 0.1% and not more than 50% of the processing oligonucleotide B and not less than 0.1% and not more than 50% of the said input oligonucleotide is in free molecular form , for the input oligonucleotide: the output oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of the processing oligonucleotide and at least 90% of the said input oligonucleotide is in free molecular form, for the input oligonucleotide: the processing oligonucleotide A binds to it in the absence of others oligonucleotides so that at least 90% of the processing oligonucleotide A and at least 90% of the said input oligonucleotide is in free molecular form, for the processing oligonucleotide B: the output oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of the processing oligon ucleotide B and at least 90% of said output oligonucleotide is in free molecular form, and the result of the calculation is read after adding input oligonucleotides to a solution containing output and processing nucleotides as the amount of output oligonucleotide in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство для преобразования входного сигнала в выходной согласно правилу логического НЕ, и которое состоит из: выходного олигонуклеотида, входного олигонуклеотида, причем его присутствие соответствует логическому входу равному 1, а отсутствие соответствует логическому входу равному 0, обрабатывающего олигонуклеотида А, обрабатывающего олигонуклеотида В, выбранных так, что, обрабатывающий олигонуклеотид А способен связываться с выходным олигонуклеотидом в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1% и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1% и не более 50% выходного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, обрабатывающий олигонуклеотид В способен связываться с обрабатывающим олигонуклеотидом А в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1% и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида А и не менее 0.1% и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида В находится в свободной молекулярной форме, обрабатывающий олигонуклеотид В связывается с входным олигонуклеотидом в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1% и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида В и не менее 0.1% и не более 50% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, выходной олигонуклеотид связывается с входным олигонуклеотидом в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 90% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 90% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, для входного олигонуклеотида: обрабатывающий олигонуклеотид А связывается с ним в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 90% обрабатывающего олигонуклеотида А и не менее 90% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, для обрабатывающего олигонуклеотида В: выходной олигонуклеотид связывается с ним в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 90% обрабатывающего олигонуклеотида В и не менее 90% упомянутого выходного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, при этом, результат вычисления считывают после добавления входных олигонуклеотидов в раствор, содержащий выходной и обрабатывающий нуклеотиды, как количество выходного олигонуклеотида в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device for converting an input signal into an output signal according to the logical NOT rule, and which consists of: an output oligonucleotide, an input oligonucleotide, and its presence corresponds to a logical input equal to 1, and its absence corresponds to a logical input equal to 0, processing oligonucleotide A, processing oligonucleotide B selected so that the processing oligonucleotide A is able to bind to the output oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that no less than 0.1% and no more than 50% of the processing oligonucleotide and no less than 0.1% and no more than 50% of the output oligonucleotide is in free molecular form, processing oligonucleotide B is able to bind to processing oligonucleotide A in the absence of other oligonucleotides so that no less than 0.1% and no more than 50% of processing oligonucleotide A and no less than 0.1% and no more than 50% of processing oligonucleotide B is in free molecular form, the processing oligonucleotide B binds to the input oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that not less than 0.1% and not more than 50% of the processing oligonucleotide B and not less than 0.1% and not more than 50% of the said input oligonucleotide is in free molecular form, the output oligonucleotide is binds to the input oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of the processing oligonucleotide and at least 90% of the said input oligonucleotide is in free molecular form, for the input oligonucleotide: processing oligonucleotide A binds to it in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of the processing oligonucleotide A and at least 90% of the said input oligonucleotide is in free molecular form, for the processing oligonucleotide B: the output oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of the processing oligonucleotide B and at least 90% of said output oligonucleotide is in free molecular form, and the result of the calculation is read after adding input oligonucleotides to a solution containing output and processing nucleotides as the amount of output oligonucleotide in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором входной сигнал преобразуется в выходной согласно правилу логического ИЛИ, и которое состоит из (включает в себя - comprises): выходного олигонуклеотида, входных олигонуклеотидов (причем присутствие каждого из которых соответствует логическому входу равному 1, а отсутствие соответствует логическому входу равному 0), обрабатывающего олигонуклеотида, причем, обрабатывающий олигонуклеотид связывается с выходным олигонуклеотидом в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1% и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1% и не более 50% выходного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, для каждого входного олигонуклеотида: обрабатывающий олигонуклеотид связывается с ним в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1% и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1% и не более 50% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, для каждого входного олигонуклеотида: выходной олигонуклеотид связывается с ним в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 90% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 90% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, для каждого входного олигонуклеотида: каждый из остальных входных олигонуклеотидов связывается с ним в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 90% каждого из этих двух олигонуклеотидов находится в свободной молекулярной форме, при этом, результат вычисления считывают после добавления входных олигонуклеотидов в раствор, содержащий выходной и обрабатывающий нуклеотиды, как количество выходного олигонуклеотида в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device in which an input signal is converted into an output signal according to the logical OR rule, and which consists of (includes - comprises): an output oligonucleotide, input oligonucleotides (the presence of each of which corresponds to a logical input equal to 1, and the absence corresponds to a logical input equal to 0) of the processing oligonucleotide, moreover, the processing oligonucleotide binds to the output oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that not less than 0.1% and not more than 50% of the processing oligonucleotide and not less than 0.1% and not more than 50% of the output oligonucleotide is in free molecular form, for each input oligonucleotide: the processing oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides so that not less than 0.1% and not more than 50% of the processing oligonucleotide and not less than 0.1% and not more than 50% of the said input oligonucleotide is in free molecular form , d For each input oligonucleotide: the output oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of the processing oligonucleotide and at least 90% of the said input oligonucleotide is in free molecular form, for each input oligonucleotide: each of the other input oligonucleotides binds to it in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of each of these two oligonucleotides is in free molecular form, while the result of the calculation is read after adding the input oligonucleotides to the solution containing the output and processing nucleotides, as the amount of the output oligonucleotide in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором входной сигнал преобразуется в выходной согласно правилу логического И, и которое состоит из(включает в себя - comprises): выходного олигонуклеотида, входных олигонуклеотидов {Ix=I1,12…} (причем присутствие каждого из которых соответствует логическому входу равному 1, а отсутствие соответствует логическому входу равному 0), обрабатывающих олигонуклеотидов {Qx=Q1,Q2…}, каждый из которых соответствует одному и только одному входному олигонуклеотиду, причем, каждый обрабатывающий олигонуклеотид связывается с выходным олигонуклеотидом в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1% и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1% и не более 50% выходного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, для каждого входного олигонуклеотида: соответствующий ему обрабатывающий олигонуклеотид связывается с ним в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1% и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1% и не более 50% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, для каждого входного олигонуклеотида: выходной олигонуклеотид связывается с ним в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 90% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 90% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, для каждого входного олигонуклеотида: каждый из остальных входных олигонуклеотидов связывается с ним в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 90% каждого из этих двух олигонуклеотидов находится в свободной молекулярной форме, при этом, результат вычисления считывают после добавления входных олигонуклеотидов в раствор, содержащий выходной и обрабатывающий нуклеотиды, как количество выходного олигонуклеотида в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device in which an input signal is converted into an output signal according to the logical AND rule, and which consists of (includes - comprises): an output oligonucleotide, input oligonucleotides {Ix = I1,12 ...} (the presence of each of which corresponds to a logical input equal to 1, and the absence corresponds to a logical input equal to 0), processing oligonucleotides {Qx = Q1, Q2 ...}, each of which corresponds to one and only one input oligonucleotide, moreover, each processing oligonucleotide binds to the output oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that not less than 0.1% and not more than 50% of the processing oligonucleotide and not less than 0.1% and not more than 50% of the output oligonucleotide is in free molecular form, for each input oligonucleotide: the corresponding processing oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides, so, which is not less than 0.1% and not more than 50% of the processing o oligonucleotide and not less than 0.1% and not more than 50% of the said input oligonucleotide is in free molecular form, for each input oligonucleotide: the output oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides so that not less than 90% of the processing oligonucleotide and not less than 90% of the mentioned input oligonucleotide is in free molecular form, for each input oligonucleotide: each of the other input oligonucleotides binds to it in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of each of these two oligonucleotides is in free molecular form, while the result of the calculation is read after adding input oligonucleotides to the solution containing the output and processing nucleotides as the amount of the output oligonucleotide in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором входной сигнал преобразуется в выходной согласно функции булевой алгебры F, и которое функционирует за счет комбинации вышеупомянутых молекулярных вычислительных устройств, реализующих соответствующие функций ДА, НЕ, И, ИЛИ, в котором ставят в соответствие выходные олигонуклеотиды одних молекулярных вычислительных устройств упомянутой комбинации входным олигонуклеотидам других молекулярных вычислительных устройств упомянутой комбинации согласно разложению функции F по полной системе функций ДА, НЕ, И, ИЛИ.In addition, a molecular computing device in which the input signal is converted into an output signal according to the function of Boolean algebra F, and which functions due to a combination of the above molecular computing devices that implement the corresponding functions YES, NOT, AND, OR, in which the output oligonucleotides of some molecular computing devices of said combination to input oligonucleotides of other molecular computing devices of said combination according to the expansion of function F in terms of the full system of functions YES, NOT, AND, OR.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором смешивают все упомянутые олигонуклеотиды упомянутой комбинации молекулярных вычислительных устройств в одном растворе, при этом результат вычисления считывают после добавления в упомянутый раствор входных олигонуклеотидов, которые соответствуют аргументам упомянутой функции F, как количество выходного олигонуклеотида, который соответствует внешней функции для функции F, в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device, in which all said oligonucleotides of said combination of molecular computing devices are mixed in one solution, and the result of the calculation is read after adding to said solution input oligonucleotides that correspond to the arguments of said function F, as the amount of output oligonucleotide that corresponds to the external functions for function F, in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором входные сигналы преобразуются в выходной сигнал согласно функции с непрерывно меняющимися аргументами.In addition, a molecular computing device in which input signals are converted into an output signal according to a function with continuously changing arguments.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, в котором входной сигнал X преобразуется в выходной сигнал Y согласно функции Y=F(x) с непрерывно меняющимся аргументом X, и которое состоит из (включает в себя - comprises): выходного олигонуклеотида, входного олигонуклеотида, причем его тотальная концентрация соответствует значению X, обрабатывающих олигонуклеотидов, причем, обрабатывающие олигонуклеотиды связываются с выходным олигонуклеотидом в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1% и не более 90% выходного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, обрабатывающие олигонуклеотиды связываются с входным олигонуклеотидом в отсутствии других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1% и не более 90% входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, при этом, результату вычисления Y ставят в соответствие количество выходного олигонуклеотида в свободной молекулярной форме.In addition, a molecular computing device in which an input signal X is converted into an output signal Y according to the function Y = F (x) with a continuously changing argument X, and which consists of (includes - comprises): an output oligonucleotide, an input oligonucleotide, and its total concentration corresponds to the value X of the processing oligonucleotides, and the processing oligonucleotides bind to the output oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that not less than 0.1% and not more than 90% of the output oligonucleotide is in free molecular form, the processing oligonucleotides bind to the input oligonucleotide in the absence other oligonucleotides so that not less than 0.1% and not more than 90% of the input oligonucleotide is in free molecular form, while the result of the calculation of Y is associated with the amount of the output oligonucleotide in free molecular form.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, включающее в себя, по крайней мере, набор одноцепочечных нуклеиновых кислот, в котором численной мерой входного сигнала является мера, связанная с по крайней мере одной одноцепочечной нуклеиновой кислотой упомянутого набора, численной мерой выходного сигнала является мера, связанная с по крайней мере одной одноцепочечной нуклеиновой кислотой упомянутого набора, входной сигнал трансформируется из в выходной сигнал в результате взаимодействий между одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, причем, тотальная концентрация каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты превышает значение константы диссоциации комплексов, образованных данной одноцепочечной нуклеиновой кислотой и другими одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора не более, чем в 100000 раз (предпочтительнее не более чем в 30000, предпочтительнее не более чем в 10000, предпочтительнее не более чем в 3000, предпочтительнее не более чем в 1000, предпочтительнее не более чем в 300, предпочтительнее не более чем в 100, предпочтительнее не более чем в 30 раз.)In addition, a molecular computing device including at least a set of single-stranded nucleic acids, in which the numerical measure of the input signal is a measure associated with at least one single-stranded nucleic acid of the set, the numerical measure of the output signal is a measure associated with at least one single-stranded nucleic acid of said set, the input signal is transformed from into the output signal as a result of interactions between single-stranded nucleic acids of said set, moreover, the total concentration of each said single-stranded nucleic acid exceeds the value of the dissociation constant of the complexes formed by this single-stranded nucleic acid and other single-stranded nucleic acids of the above set no more than 100,000 times (preferably no more than 30,000, preferably no more than 10,000, preferably no more than 3,000, preferably no more than 1 000, preferably no more than 300, preferably no more than 100, preferably no more than 30 times.)

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, включающее в себя, по крайней мере, набор одноцепочечных нуклеиновых кислот, в котором численной мерой входного сигнала является мера, связанная с по крайней мере одной одноцепочечной нуклеиновой кислотой упомянутого набора, численной мерой выходного сигнала является мера, связанная с по крайней мере одной одноцепочечной нуклеиновой кислотой упомянутого набора, входной сигнал трансформируется из в выходной сигнал в результате обратимых взаимодействий некомплементарного комплексообразования между одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, причем (т.е. отличающийся тем, что), тотальная концентрация каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты превышает значение константы диссоциации комплексов, образованных данной одноцепочечной нуклеиновой кислотой и другими одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора не более, чем в 100000 раз.In addition, a molecular computing device including at least a set of single-stranded nucleic acids, in which the numerical measure of the input signal is a measure associated with at least one single-stranded nucleic acid of the set, the numerical measure of the output signal is a measure associated with by at least one single-stranded nucleic acid of said set, the input signal is transformed from into the output signal as a result of reversible non-complementary complexation interactions between single-stranded nucleic acids of said set, wherein (i.e., different in that) the total concentration of each said single-stranded nucleic acid exceeds the value of the dissociation constant of the complexes formed by this single-stranded nucleic acid and other single-stranded nucleic acids of the above set is not more than 100,000 times.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, которое производит вычисление не дольше, чем за 1 часе, предпочтительнее не дольше 30 мин, предпочтительнее не дольше 10 мин, предпочтительнее не дольше 5 мин, предпочтительнее не дольше 1 мин, предпочтительнее не дольше 10 сек.In addition, a molecular computing device that computes in no longer than 1 hour, preferably no longer than 30 minutes, preferably no longer than 10 minutes, preferably no longer than 5 minutes, more preferably no longer than 1 minute, more preferably no longer than 10 seconds.

Кроме того, молекулярное вычислительное устройство, включающее в себя, по крайней мере, набор одноцепочечных нуклеиновых кислот, в котором численной мерой входного сигнала является мера, связанная с по крайней мере одной одноцепочечной нуклеиновой кислотой упомянутого набора, численной мерой выходного сигнала является мера, связанная с по крайней мере одной одноцепочечной нуклеиновой кислотой упомянутого набора, входной сигнал трансформируется из в выходной сигнал в результате взаимодействий между одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, отличающееся тем, что упомянутые взаимодействия между одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора являются обратимым связыванием не полностью комплементарных между одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, причем таких, для любых двух одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора, длина наиболее протяженного связного участка их взаимной комплементарности не превышает 10, предпочтительнее 9, предпочтительнее 8, предпочтительнее 7, предпочтительнее 6, предпочтительнее 5, предпочтительнее 4 оснований. Под связным участком взаимной комплементарности двух олигонуклеотидов имеется в виду участок нуклеотидной цепи одной нуклеиновой кислоты, в котором все основания подряд комплементарны нуклеотидной цепи второй нуклеиновой кислоты (т.е. на протяжении всего участка не встречаются некомплементарные основания). Если участки невелики, то достигается слабая аффинность даны комплексов, которая и позволяет переносить информацию за счет перераспределения нуклеиновых кислот (за счет вытеснения одними молекулами других) в комплексах без необходимости феномена strand displacement, в котором вымещение происходит за счет toe-hold (висящий свободных концов) регионов (как показано на фиг. 1).In addition, a molecular computing device including at least a set of single-stranded nucleic acids, in which the numerical measure of the input signal is a measure associated with at least one single-stranded nucleic acid of the set, the numerical measure of the output signal is a measure associated with at least one single-stranded nucleic acid of said set, the input signal is transformed from into an output signal as a result of interactions between single-stranded nucleic acids of said set, characterized in that said interactions between single-stranded nucleic acids of said set are reversible binding of incompletely complementary ones between single-stranded nucleic acids of said set set, and such, for any two single-stranded nucleic acids of the above set, the length of the most extended connected region of their mutual complementarity does not exceed 10, preferably 9, preferably more readily 8, more preferably 7, more preferably 6, more preferably 5, more preferably 4 bases. A connected region of mutual complementarity of two oligonucleotides means a region of the nucleotide chain of one nucleic acid in which all bases in a row are complementary to the nucleotide chain of the second nucleic acid (i.e., there are no non-complementary bases throughout the entire region). If the areas are small, then a weak affinity of the given complexes is achieved, which allows information to be transferred due to the redistribution of nucleic acids (due to the displacement of some molecules by others) in the complexes without the need for the phenomenon of strand displacement, in which displacement occurs due to toe-hold (hanging free ends ) regions (as shown in Fig. 1).

Кроме того, способы проведения вычислений с помощью упомянутых МВУ, включающие в себя следующие шаги: выбор упомянутого набора одноцепочечных нуклеиновых кислот, смешение упомянутого набора с упомянутыми входными молекулами и упомянутыми выходными молекулами (если они не являются частью упомянутого набора), инкубация смеси для обеспечения трансформации входных сигналов в выходные в результате взаимодействий между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора и упомянутыми выходными молекулами, и детекция выходного сигнала (как упомянуто выше связанные с выходными молекулами).In addition, methods of performing computations using said MVPs, including the following steps: selecting said set of single-stranded nucleic acids, mixing said set with said input molecules and said output molecules (if they are not part of said set), incubating the mixture to ensure transformation inputs to outputs as a result of interactions between input molecules, said single-stranded nucleic acids of said set and said output molecules, and detection of an output signal (as mentioned above related to output molecules).

Помимо одноцепочечных нуклеиновых кислот, входящих в упомянутые наборы, молекулярные вычислительные устройства по данному изобретению могут включать в себя и другие молекулы взаимодействующие с данными элементов набора и влияющего на функционирование молекулярного вычислительного устройства. Так, в Примере 23 показано МВУ, которое включают в себя белок лизоцим, взаимодействие которого с набором одноцепочечных нуклеиновых кислот приводит к реализации булевой функции ДА. При этом, такие дополнительные (функциональные) молекулы могут как соответствовать правилам низкоаффинного взаимодействия с элементами упомянутых наборов нуклеиновых кислот, так и быть высокоаффинными к определенным нуклеиновым кислотам наборов. Так, пример 23 показывают вариант молекулярного вычислительного устройства, в котором используется флуоресцентно меченный лизоцим, взаимодействие которого с одноцепочечным ДНК аптамером снижено за счет наличия флуоресцентных меток. При этом функционирование МВУ, похоже на функционирование МВУ, реализованного в примере 1. С другой стороны, в лизоцим может использоваться и в качестве входного сигнала, который является высокоаффинным к упомянутому аптамеру, но при этом позволяет функционировать МВУ за счет описанного перераспределения олигонуклеотидов набора МВУ между комплексами и свободными молекулярными формами.In addition to the single-stranded nucleic acids included in said kits, the molecular computing devices of the present invention may include other molecules that interact with these elements of the kit and affect the functioning of the molecular computing device. So, in Example 23, the MVL is shown, which include the protein lysozyme, the interaction of which with a set of single-stranded nucleic acids leads to the implementation of the Boolean function of DA. Moreover, such additional (functional) molecules can both correspond to the rules of low-affinity interaction with the elements of the mentioned sets of nucleic acids, and be high-affinity to certain nucleic acids of the sets. Thus, example 23 shows a variant of a molecular computing device that uses fluorescently labeled lysozyme, the interaction of which with the single-stranded DNA aptamer is reduced due to the presence of fluorescent labels. In this case, the functioning of the MVL is similar to the functioning of the MVL, implemented in example 1. On the other hand, lysozyme can also be used as an input signal, which is high affinity for the aptamer mentioned, but at the same time allows the MVL to function due to the described redistribution of oligonucleotides of the set of MVL between complexes and free molecular forms.

Кроме того, в определенных случаях молекулярное вычислительное устройство может включать в себя помимо упомянутого набора одноцепочечных нуклеиновых кислот, имеющих между собой низкую аффинность, различные нуклеиновые кислоты которые имеют высокую аффинность к олигонуклеотидам упомянутого набора. Так, например, в качестве входов молекулярного вычислительного устройства могут использоваться и полностью комплементарные олигонуклеотиды к олигонуклеотидам упомянутого набора. С одной стороны, это может улучшить динамический диапазон изменения выходных сигналов, с другой стороны, это усложняет минимизацию паразитной аффинности в наборе.In addition, in certain cases, a molecular computing device may include, in addition to said set of single-stranded nucleic acids having low affinity among themselves, various nucleic acids that have high affinity for oligonucleotides of said set. So, for example, completely complementary oligonucleotides to the oligonucleotides of the above set can be used as inputs of a molecular computing device. On the one hand, this can improve the dynamic range of the output signals, on the other hand, it makes it difficult to minimize the parasitic affinity in the set.

Вышеописанные молекулы могут быть использованы как входные молекулы, так и выходные. По сути, для каждого приведенного МВУ важна «матрица» аффинностей (т.е. какие молекулы имеют аффинность выше паразитной). При этом, возможно «развернуть» каждый МВУ, поменяв обозначение «входных» и «выходных» молекул, учтя что нужно поменять и взаимные (относительные) концентрации (как правило, концентрация входных молекул должна быть выше, чем выходных). При этом, например, при таком «развороте» МВУ из Примера 23 - белок лизоцим станет входной молекулой, а олигонуклеотид, выполнявший в Примере 23 функцию выходного белка, станет выходной молекулой. Так же можно «развернуть» (обратить, инвертировать) и МВУ в Примере 20. В этом случае мРНК станет входом МВУ, а малая РНК, ранее выполнявшая функцию входа, станет выходной молекулой.The above molecules can be used as input molecules and output. In fact, for each given MVC, the affinity “matrix” is important (ie which molecules have higher affinity than the parasitic one). At the same time, it is possible to "unfold" each MVD by changing the designation of "input" and "output" molecules, taking into account that it is necessary to change the mutual (relative) concentrations (as a rule, the concentration of input molecules should be higher than the output ones). In this case, for example, with such a "reversal" of the MVU from Example 23 - the lysozyme protein will become the input molecule, and the oligonucleotide, which performed the function of the output protein in Example 23, will become the output molecule. It is also possible to "unfold" (reverse, invert) the MVL in Example 20. In this case, the mRNA will become the input of the MVL, and the small RNA, which previously performed the function of the input, will become the output molecule.

Кроме того, Пример 23 показывает пример использования в МВУ аптамера в качестве одной из нуклеиновых кислот набора МВУ, поэтому понятно, что помимо лизоцима, входными и выходными молекулами может использоваться любые молекулы, с которыми могут взаимодействовать аптамеры - другие белки, малые молекулы, ионы и т.п.In addition, Example 23 shows an example of the use of an aptamer as one of the nucleic acids of a set of VCMs in the VLM, so it is clear that in addition to lysozyme, input and output molecules can use any molecules with which aptamers can interact - other proteins, small molecules, ions, etc. etc.

Кроме того, необходимо отметить, что комплект входных молекул может содержать как одну молекулу (функция ДА, НЕТ), так и множество (функции И, ИЛИ).In addition, it should be noted that a set of input molecules can contain both one molecule (function YES, NO) and many (functions AND, OR).

То же соображение верно и для комплекта выходных молекул: в него может входить как одна молекула (функция ДА), так и множество (ячейка памяти).The same reasoning is true for a set of output molecules: it can include either one molecule (DA function) or a set (memory cell).

Кроме того, упомянутая численная мера входного сигнала может соотносится с тотальной концентрацией индивидуальных упомянутых входных молекул, т.е. например, в случае функции И, численная мера каждого из нескольких входов функции И (0 или 1) ставится в соответствие (является, равняется) тотальная концентрация одного из входной молекулы (например, олигонуклеотида). Однако, в некоторых случаях, в качестве значения одного входа функции с множеством входов имеет целесообразность использоваться и сумму (или разность, или иную численную характеристику) тотальных концентраций нескольких входных молекул.In addition, said numerical measure of the input signal can be related to the total concentration of the individual said input molecules, i.e. for example, in the case of the AND function, the numerical measure of each of the several inputs of the AND function (0 or 1) is associated (is, is equal to) the total concentration of one of the input molecules (for example, an oligonucleotide). However, in some cases, it makes sense to use the sum (or difference, or other numerical characteristic) of the total concentrations of several input molecules as the value of one input of a function with multiple inputs.

ПримерыExamples of

Варианты реализации изобретения разнообразны. Приведем различные примеры. Нижеприведенные примеры даны в качестве иллюстрации данного изобретения и не ограничивают его применения.The embodiments of the invention are varied. Here are various examples. The following examples are given to illustrate the present invention and do not limit its application.

Решение задач Булевой алгебры:Solving Boolean Algebra Problems:

Пример 1) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующее логическую функцию ДА с ДНК-олигонуклеотидами длиной 10 оснований. Бинарным входом системы является наличие олигонуклеотида I (добавление к раствору I=1; недобавление =0). Бинарной мерой результата вычисления (выход) является концентрация олигонуклеотида S в свободной от комплекса с олигонуклеотидом Q форме. Считывание результата вычисления производится за счет измерения флуоресценции раствора, с учетом того, что S мечен флуоресцентной Су3 меткой, a Q - квернчерной (тушащей) молекулой BHQ2, т.е. при связывании S с Q флуоресценция Су3 тушится, что детектируется флуориметром. МВУ представляет из себя раствор:Example 1) Molecular computing device (MVD), which implements the logical function of DA with DNA oligonucleotides 10 bases in length. The binary input of the system is the presence of oligonucleotide I (addition to the solution I = 1; non-addition = 0). A binary measure of the result of the calculation (yield) is the concentration of the oligonucleotide S in the form free from the complex with the oligonucleotide Q. The calculation result is read by measuring the fluorescence of the solution, taking into account the fact that S is labeled with a fluorescent Cy3 label, and Q is a querncher (quenching) BHQ2 molecule, i.e. upon binding of S to Q, the Cy3 fluorescence is quenched, which is detected by a fluorometer. IDL is a solution:

92 мкл буфера 100 мМ Трис-HCl; 1М NaCl;92 μl 100 mM Tris-HCl buffer; 1M NaCl;

+1 мкл 100 мкМ олигонуклеотида S=5'-Cy3- GCAGTATTCG-3' в воде;+1 μl 100 μM oligonucleotide S = 5'-Cy3-GCAGTATTCG-3 'in water;

+2 мкл 100 мкМ олигонуклеотида Q=5'-CGAATGCTGC-BHQ2-3' в воде.+ 2 μl 100 μM oligonucleotide Q = 5'-CGAATGCTGC-BHQ2-3 'in water.

Вычисление проводят, добавляя к МВУ:The calculation is carried out by adding to the IDL:

Вход I=1) 5 мкл 100 мкМ олигонуклеотида I=5'- GCAGCATTCG-3' в воде.Input I = 1) 5 μl 100 μM oligonucleotide I = 5'-GCAGCATTCG-3 'in water.

Вход I=0) 5 мкл воды.Input I = 0) 5 μl water.

Детектируют сигнал флуоресценции метки Су3.The fluorescence signal of the Cy3 label is detected.

Полученные результаты:Results:

i) ВХОД I=1 - Сигнал 100±4 RFU (относительных единиц флуоресценции),i) INPUT I = 1 - Signal 100 ± 4 RFU (relative fluorescence units),

i) ВХОД I=0 - Сигнал 17±2 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT I = 0 - Signal 17 ± 2 RFU (relative fluorescence units).

Аффинность олигонуклеотидов данного МВУ представлена как концентрация комплекса двух олигонуклеотидов (в мкМ) при их смешении в тотальной концентрации 1 мкМ (рассчитаны с помощью NUPACK при 25°С). При необходимости эти значения могут быть легко переведены в константу диссоциации, как показано в описании выше:The affinity of oligonucleotides of a given MVU is presented as the concentration of a complex of two oligonucleotides (in μM) when they are mixed at a total concentration of 1 μM (calculated using NUPACK at 25 ° C). If necessary, these values can be easily converted to dissociation constant, as shown in the description above:

Figure 00000004
Figure 00000004

Уровень паразитной аффинности: 0.05 (которое соответствует Kd~10-5 М, если олигонуклеотиды сами по себе не образуют многомеры).Parasitic affinity level: 0.05 (which corresponds to Kd ~ 10 -5 M if oligonucleotides do not form multidimensional units by themselves).

Пример 2) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующееExample 2) Molecular Computing Device (MVD) implementing

логическую функцию ДА с ДНК-олигонуклеотидами длиной 7 оснований. Постановка эксперимента та же, что и в Примере 1.logical function of DA with DNA oligonucleotides 7 bases long. The experimental setup is the same as in Example 1.

МВУ представляет из себя раствор:IDL is a solution:

69 мкл буфера 100 мкМ Трис-HCl; 1М NaCl;69 μl of 100 μM Tris-HCl buffer; 1M NaCl;

+1 мкл 100 мкМ олигонуклеотида S=5'-Cy3- GGCGGGG-3' в воде;+1 μl 100 μM oligonucleotide S = 5'-Cy3-GGCGGGG-3 'in water;

+10 мкл 100 мкМ олигонуклеотида Q=5'-CCCCGGA-BHQ2-3' в воде.+10 μl 100 μM oligonucleotide Q = 5'-CCCCGGA-BHQ2-3 'in water.

Вычисление проводят, добавляя к МВУ:The calculation is carried out by adding to the IDL:

Вход I=1) 20 мкл 100 мкМ олигонуклеотида I=5'- TCCGGGG-3' в воде.Input I = 1) 20 μl 100 μM oligonucleotide I = 5'-TCCGGGG-3 'in water.

Вход I=0) 20 мкл воды.Input I = 0) 20 μl water.

Детектируют сигнал флуоресценции метки Су3.The fluorescence signal of the Cy3 label is detected.

Полученные результаты:Results:

i) ВХОД I=1 - Сигнал 100±7 RFU (относительных единиц флуоресценции),i) INPUT I = 1 - Signal 100 ± 7 RFU (relative fluorescence units),

i) ВХОД I=0 - Сигнал 68±2 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT I = 0 - Signal 68 ± 2 RFU (relative fluorescence units).

Аффинность олигонуклеотидов данного МВУ представлена как концентрация комплекса двух олигонуклеотидов (в мкМ) при их смешении в тотальной концентрации 1 мкМ (рассчитаны с помощью NUPACK при 25°С). При необходимости эти значения могут быть легко переведены в константу диссоциации, как показано в описании выше:The affinity of oligonucleotides of a given MVU is presented as the concentration of a complex of two oligonucleotides (in μM) when they are mixed at a total concentration of 1 μM (calculated using NUPACK at 25 ° C). If necessary, these values can be easily converted to dissociation constant, as shown in the description above:

Figure 00000005
Figure 00000005

Уровень паразитной аффинности: 0.2 (которое соответствует Kd=6E-6 М, если олигонуклеотиды сами по себе не образуют многомеры).Parasitic affinity level: 0.2 (which corresponds to Kd = 6E-6 M if oligonucleotides do not form multidimensional units by themselves).

Пример 3) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующее логическую функцию ДА с ДНК-олигонуклеотидами длиной 15 оснований.Example 3) Molecular computing device (MVD), implementing the logical function of DA with DNA oligonucleotides 15 bases in length.

Постановка эксперимента та же, что и в Примере 1.The experimental setup is the same as in Example 1.

МВУ представляет из себя раствор:IDL is a solution:

92 мкл буфера 100 мМ Трис-HCl; 1M NaCl;92 μl 100 mM Tris-HCl buffer; 1M NaCl;

+1 мкл 100 мкМ олигонуклеотида S=5'-Су3-TTGAGTTGGCTATGA-3' в воде;+1 μl 100 μM oligonucleotide S = 5'-Cy3-TTGAGTTGGCTATGA-3 'in water;

+2 мкл 100 мкМ олигонуклеотида Q=5'-CCATATCCGACTCAC-BHQ2-3' в воде.+ 2 μl 100 μM oligonucleotide Q = 5'-CCATATCCGACTCAC-BHQ2-3 'in water.

Вычисление проводят, добавляя к МВУ:The calculation is carried out by adding to the IDL:

Вход I=1) 5 мкл 100 мкМ олигонуклеотида I=5'-GGGAGTCGAATGTGG-3' в воде.Input I = 1) 5 μl 100 μM oligonucleotide I = 5'-GGGAGTCGAATGTGG-3 'in water.

Вход I=0) 5 мкл воды.Input I = 0) 5 μl water.

Детектируют сигнал флуоресценции метки Су3.The fluorescence signal of the Cy3 label is detected.

Полученные результаты:Results:

i) ВХОД I=1 - Сигнал 100±3 RFU (относительных единиц флуоресценции),i) INPUT I = 1 - Signal 100 ± 3 RFU (relative fluorescence units),

i) ВХОД I=0 - Сигнал 22±2 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT I = 0 - Signal 22 ± 2 RFU (relative fluorescence units).

Аффинность олигонуклеотидов данного МВУ представлена как концентрация комплекса двух олигонуклеотидов (в мкМ) при их смешении в тотальной концентрации 1 мкМ (рассчитаны с помощью NUPACK при 25°С). При необходимости эти значения могут быть легко переведены в константу диссоциации, как показано в описании выше:The affinity of oligonucleotides of a given MVU is presented as the concentration of a complex of two oligonucleotides (in μM) when they are mixed at a total concentration of 1 μM (calculated using NUPACK at 25 ° C). If necessary, these values can be easily converted to dissociation constant, as shown in the description above:

Figure 00000006
Figure 00000006

Уровень паразитной аффинности: 0.05 (которое соответствует Kd~10-5 М, если олигонуклеотиды сами по себе не образуют многомеры).Parasitic affinity level: 0.05 (which corresponds to Kd ~ 10 -5 M if oligonucleotides do not form multidimensional units by themselves).

Пример 4) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующее логическую функцию ДА с ДНК-олигонуклеотидами длиной 15 оснований в диапазоне наномолярных концентраций. Постановка эксперимента та же, что и в Примере 1.Example 4) Molecular computing device (MVD) that implements the logical function of DA with DNA oligonucleotides 15 bases in length in the range of nanomolar concentrations. The experimental setup is the same as in Example 1.

МВУ представляет из себя раствор:IDL is a solution:

92 мкл буфера 100 мМ Трис-HCl; 1М NaCl;92 μl 100 mM Tris-HCl buffer; 1M NaCl;

+1 мкл 100 нМ олигонуклеотида S=5'-Cy5-CCATATCCGACTCAC-3' в воде;+1 μl 100 nM oligonucleotide S = 5'-Cy5-CCATATCCGACTCAC-3 'in water;

+2 мкл 100 нМ олигонуклеотида Q=5'-CTCAGTCGGATATGT-BHQ3-3' в воде.+ 2 μl 100 nM oligonucleotide Q = 5'-CTCAGTCGGATATGT-BHQ3-3 'in water.

Вычисление проводят добавляя к МВУ:The calculation is carried out by adding to the IDL:

Вход I=1) 5 мкл 100 нМ олигонуклеотида I=5'-TCACATCCGACTGAG-3' в воде.Input I = 1) 5 μl of 100 nM oligonucleotide I = 5'-TCACATCCGACTGAG-3 'in water.

Вход I=0) 5 мкл воды.Input I = 0) 5 μl water.

Детектируют сигнал флуоресценции метки Су5.The fluorescence signal of the Cy5 label is detected.

Полученные результаты:Results:

i) ВХОД I=1 - Сигнал 100±15 RFU (относительных единиц флуоресценции),i) INPUT I = 1 - Signal 100 ± 15 RFU (relative fluorescence units),

i) ВХОД I=0 - Сигнал 42±20 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT I = 0 - Signal 42 ± 20 RFU (relative fluorescence units).

Аффинность олигонуклеотидов данного МВУ представлена как концентрация комплексаThe affinity of oligonucleotides of a given MVU is presented as the concentration of the complex

двух олигонуклеотидов (в мкМ) при их смешении в тотальной концентрации 1 мкМ (рассчитаны с помощью NUPACK при 25°С). При необходимости эти значения могут быть легко переведены в константу диссоциации, как показано в описании выше:two oligonucleotides (in μM) when mixed at a total concentration of 1 μM (calculated using NUPACK at 25 ° C). If necessary, these values can be easily converted to dissociation constant, as shown in the description above:

Figure 00000007
Figure 00000007

Уровень паразитной аффинности: 0.05 (которое соответствует Kd~10-5 М, если олигонуклеотиды сами по себе не образуют многомеры).Parasitic affinity level: 0.05 (which corresponds to Kd ~ 10 -5 M if oligonucleotides do not form multidimensional units by themselves).

Пример 5) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующее логическую функцию ДА с ДНК-олигонуклеотидами длиной 20 оснований. Постановка эксперимента та же, что и в Примере 1.Example 5) Molecular computing device (MVD), implementing the logical function of DA with DNA oligonucleotides 20 bases in length. The experimental setup is the same as in Example 1.

МВУ представляет из себя раствор:IDL is a solution:

92 мкл буфера 100 мкМ Трис-HCl; 1М NaCl;92 μl 100 μM Tris-HCl buffer; 1M NaCl;

+1 мкл 100 мкМ олигонуклеотида S=5'-Cy3-AACTGTGACCACTTGTCAAG-3' в воде;+1 μl 100 μM oligonucleotide S = 5'-Cy3-AACTGTGACCACTTGTCAAG-3 'in water;

+2 мкл 100 мкМ олигонуклеотида Q=5'-CTTGACACGTGGGCAAATGA-BHQ2-3' в воде.+2 μl 100 μM oligonucleotide Q = 5'-CTTGACACGTGGGCAAATGA-BHQ2-3 'in water.

Вычисление проводят добавляя к МВУ:The calculation is carried out by adding to the IDL:

Вход I=1) 5 мкл 100 мкМ олигонуклеотида I=5'-CTTGACAAGTGGTCACAGTT-3' в воде.Input I = 1) 5 μl 100 μM oligonucleotide I = 5'-CTTGACAAGTGGTCACAGTT-3 'in water.

Вход I=0) 5 мкл воды.Input I = 0) 5 μl water.

Детектируют сигнал флуоресценции метки Су3.The fluorescence signal of the Cy3 label is detected.

Полученные результаты:Results:

i) ВХОД I=1 - Сигнал 100±5 RFU (относительных единиц флуоресценции),i) INPUT I = 1 - Signal 100 ± 5 RFU (relative fluorescence units),

i) ВХОД I=0 - Сигнал 28±4 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT I = 0 - Signal 28 ± 4 RFU (relative fluorescence units).

Аффинность олигонуклеотидов данного МВУ представлена как концентрация комплексаThe affinity of oligonucleotides of a given MVU is presented as the concentration of the complex

двух олигонуклеотидов (в мкМ) при их смешении в тотальной концентрации 1 мкМ (рассчитаны с помощью NUPACK при 25°С). При необходимости эти значения могут быть легко переведены в константу диссоциации, как показано в описании выше:two oligonucleotides (in μM) when mixed at a total concentration of 1 μM (calculated using NUPACK at 25 ° C). If necessary, these values can be easily converted to dissociation constant, as shown in the description above:

Figure 00000008
Figure 00000008

Уровень паразитной аффинности: 0.05 (которое соответствует Kd~10-5 М, если олигонуклеотиды сами по себе не образуют многомеры).Parasitic affinity level: 0.05 (which corresponds to Kd ~ 10 -5 M if oligonucleotides do not form multidimensional units by themselves).

Пример 6) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующее логическую функцию ДА с РНК-олигонуклеотидами. Постановка эксперимента та же, что и в Примере 1.Example 6) Molecular computing device (MVD), which implements the logical function of DA with RNA oligonucleotides. The experimental setup is the same as in Example 1.

МВУ представляет из себя раствор:IDL is a solution:

92 мкл буфера 100 мМ Трис-HCl; 1М NaCl;92 μl 100 mM Tris-HCl buffer; 1M NaCl;

+1 мкл 100 мкМ олигонуклеотида S=5'-Cy3-AGGCGCCCUGAC-3' в воде;+1 μl 100 μM oligonucleotide S = 5'-Cy3-AGGCGCCCUGAC-3 'in water;

+2 мкл 100 мкМ олигонуклеотида Q=5'-UUCAGGGGCUCU-BHQ2-3' в воде.+ 2 μl 100 μM oligonucleotide Q = 5'-UUCAGGGGCUCU-BHQ2-3 'in water.

Вычисление проводят, добавляя к МВУ:The calculation is carried out by adding to the IDL:

Вход I=1) 5 мкл 100 мкМ олигонуклеотида I=5'-UGAGCCUGCUGA-3' в воде.Input I = 1) 5 μl 100 μM oligonucleotide I = 5'-UGAGCCUGCUGA-3 'in water.

Вход I=0) 5 мкл воды.Input I = 0) 5 μl water.

Детектируют сигнал флуоресценции метки Су3.The fluorescence signal of the Cy3 label is detected.

Полученные результаты:Results:

i) ВХОД I=1 - Сигнал 100±2 RFU (относительных единиц флуоресценции),i) INPUT I = 1 - Signal 100 ± 2 RFU (relative fluorescence units),

i) ВХОД I=0 - Сигнал 33±3 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT I = 0 - Signal 33 ± 3 RFU (relative fluorescence units).

Аффинность олигонуклеотидов данного МВУ представлена как концентрация комплекса двух олигонуклеотидов (в мкМ) при их смешении в тотальной концентрации 1 мкМ (рассчитаны с помощью NUPACK при 25°С). При необходимости эти значения могут быть легко переведены в константу диссоциации, как показано в описании выше:The affinity of oligonucleotides of a given MVU is presented as the concentration of a complex of two oligonucleotides (in μM) when they are mixed at a total concentration of 1 μM (calculated using NUPACK at 25 ° C). If necessary, these values can be easily converted to dissociation constant, as shown in the description above:

Figure 00000009
Figure 00000009

Уровень паразитной аффинности: 0.05 (которое соответствует Kd~10-5 М, если олигонуклеотиды сами по себе не образуют многомеры).Parasitic affinity level: 0.05 (which corresponds to Kd ~ 10 -5 M if oligonucleotides do not form multidimensional units by themselves).

Пример 7) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующее логическую функцию НЕТ с ДНК-олигонуклеотидами длиной 15 оснований.Example 7) Molecular computing device (MVD) implementing the logical function NO with DNA oligonucleotides 15 bases in length.

Постановка эксперимента та же, что и в Примере 1.The experimental setup is the same as in Example 1.

МВУ представляет из себя раствор:IDL is a solution:

83 мкл буфера 100 мМ Трис-HCl; 1М NaCl;83 μl 100 mM Tris-HCl buffer; 1M NaCl;

+1 мкл 100 мкМ олигонуклеотида S=5'-Су3-TTGAGTTGGCTATGA-3' в воде;+1 μl 100 μM oligonucleotide S = 5'-Cy3-TTGAGTTGGCTATGA-3 'in water;

+2 мкл 100 мкМ олигонуклеотида Q=5'-CCATATCCGACTCAC-BHQ2-3' в воде.+ 2 μl 100 μM oligonucleotide Q = 5'-CCATATCCGACTCAC-BHQ2-3 'in water.

+4 мкл 100 мкМ олигонуклеотида М=5'-GGGAGTCGAATGTGG-3' в воде.+ 4 μl 100 μM oligonucleotide M = 5'-GGGAGTCGAATGTGG-3 'in water.

Вычисление проводят добавляя к МВУ:The calculation is carried out by adding to the IDL:

Вход I=1) 10 мкл 100 мкМ олигонуклеотида I=5'-CCAGATTAAACTCCC-3' в воде.Input I = 1) 10 μl 100 μM oligonucleotide I = 5'-CCAGATTAAACTCCC-3 'in water.

Вход I=0) 10 мкл воды.Input I = 0) 10 μl water.

Детектируют сигнал флуоресценции метки Су3.The fluorescence signal of the Cy3 label is detected.

Полученные результаты:Results:

i) ВХОД I=1 - Сигнал 28±4 RFU (относительных единиц флуоресценции),i) INPUT I = 1 - Signal 28 ± 4 RFU (relative fluorescence units),

i) ВХОД I=0 - Сигнал 100±4 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT I = 0 - Signal 100 ± 4 RFU (relative fluorescence units).

Аффинность олигонуклеотидов данного МВУ представлена как концентрация комплексаThe affinity of oligonucleotides of a given MVU is presented as the concentration of the complex

двух олигонуклеотидов (в мкМ) при их смешении в тотальной концентрации 1 мкМ (рассчитаны с помощью NUPACK при 25°С). При необходимости эти значения могут быть легко переведены в константу диссоциации как показано в описании выше:two oligonucleotides (in μM) when mixed at a total concentration of 1 μM (calculated using NUPACK at 25 ° C). If necessary, these values can be easily converted into dissociation constant as shown in the description above:

Figure 00000010
Figure 00000010

Уровень паразитной аффинности: 0.05 (которое соответствует Kd~10-5 М, если олигонуклеотиды сами по себе не образуют многомеры).Parasitic affinity level: 0.05 (which corresponds to Kd ~ 10 -5 M if oligonucleotides do not form multidimensional units by themselves).

Пример 8) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующее 3-битную логическую функцию ИЛИ. Бинарным входом системы является наличие олигонуклеотидов I1, I2, I3 (добавление к раствору =1; недобавление =0). Бинарной мерой результата вычисления (выход) является концентрация олигонуклеотида S в свободной от комплекса с квенчерным (тушащим) олигонуклеотидом Q форме. Считывание результата вычисления производится за счет измерения флуоресценции раствора, с учетом того, что S мечен флуоресцентной Су3 меткой, а олигонуклеотид Q - квернчерной молекулой BHQ2, т.е. при связывании S с Q флуоресценция Су3 тушится, что детектируется флуориметром.Example 8) Molecular computing device (MVD) implementing a 3-bit logical OR function. The binary input of the system is the presence of oligonucleotides I1, I2, I3 (addition to the solution = 1; non-addition = 0). A binary measure of the calculation result (yield) is the concentration of oligonucleotide S in a complex-free form with quencher (quenching) oligonucleotide Q. The calculation result is read by measuring the fluorescence of the solution, taking into account that S is labeled with a fluorescent Cy3 tag, and oligonucleotide Q is labeled with a querncher BHQ2 molecule, i.e. upon binding of S to Q, the Cy3 fluorescence is quenched, which is detected by a fluorometer.

МВУ представляет из себя раствор:IDL is a solution:

83 мкл буфера 100 мМ Трис-HCl; 1М NaCl;83 μl 100 mM Tris-HCl buffer; 1M NaCl;

+1 мкл 100 мкМ олигонуклеотида S=5'-Cy3-GCAGTATTCG-3' в воде;+1 μl 100 μM oligonucleotide S = 5'-Cy3-GCAGTATTCG-3 'in water;

+1 мкл 100 мкМ олигонуклеотида Q=5'-CGAAAACTGC-BHQ2-3' в воде.+1 μl 100 μM oligonucleotide Q = 5'-CGAAAACTGC-BHQ2-3 'in water.

Вычисление проводят добавляя к МВУ 15 мкл различных комбинаций входов:The calculation is carried out by adding 15 μL of various combinations of inputs to the MVC:

Вход I1=1) 5 мкл 100 мкМ олигонуклеотида I1=5'-TCAGTTTTCA-3' в воде.Input I1 = 1) 5 μL of 100 μM oligonucleotide I1 = 5'-TCAGTTTTCA-3 'in water.

Вход I2=1) 5 мкл 100 мкМ олигонуклеотида I2=5'-GTAGTTTTCG-3' в воде.Input I2 = 1) 5 μl 100 μM oligonucleotide I2 = 5'-GTAGTTTTCG-3 'in water.

Вход I3=1) 5 мкл 100 мкМ олигонуклеотида I3=5'-ACAGTTTTCC-3' в воде.Input I3 = 1) 5 μL of 100 μM oligonucleotide I3 = 5'-ACAGTTTTCC-3 'in water.

Вход In=0) 5 мкл воды - для n=1, 2, 3.Input In = 0) 5 μl water - for n = 1, 2, 3.

Детектируют сигнал флуоресценции метки Су3.The fluorescence signal of the Cy3 label is detected.

Полученные результаты:Results:

i) ВХОД: I1=0; I2=0; I3=0 - Сигнал: 10±1 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT: I1 = 0; I2 = 0; I3 = 0 - Signal: 10 ± 1 RFU (relative fluorescence units).

i) ВХОД: I1=0; I2=0; I3=1 - Сигнал: 40±2 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT: I1 = 0; I2 = 0; I3 = 1 - Signal: 40 ± 2 RFU (relative fluorescence units).

i) ВХОД: I1=0; I2=1; I3=0 - Сигнал: 41±1 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT: I1 = 0; I2 = 1; I3 = 0 - Signal: 41 ± 1 RFU (relative fluorescence units).

i) ВХОД: 1I=0; 12=1; 13=1 - Сигнал: 46±1 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT: 1I = 0; 12 = 1; 13 = 1 - Signal: 46 ± 1 RFU (relative fluorescence units).

i) ВХОД: I1=1; I2=0; I3=0 - Сигнал: 39±1 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT: I1 = 1; I2 = 0; I3 = 0 - Signal: 39 ± 1 RFU (relative fluorescence units).

i) ВХОД: I1=1; I2=0; I3=1 - Сигнал: 46±1 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT: I1 = 1; I2 = 0; I3 = 1 - Signal: 46 ± 1 RFU (relative fluorescence units).

i) ВХОД: I1=1; I2=1; I3=0 - Сигнал: 47±1 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT: I1 = 1; I2 = 1; I3 = 0 - Signal: 47 ± 1 RFU (relative fluorescence units).

i) ВХОД: I1=1; I2=1; I3=0 - Сигнал: 50±1 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT: I1 = 1; I2 = 1; I3 = 0 - Signal: 50 ± 1 RFU (relative fluorescence units).

Пороговое значение - среднее между максимальным и минимальным, т.е.The threshold value is the average between the maximum and minimum, i.e.

(10+50)/2=30. Поэтому реализована функция ИЛИ.(10 + 50) / 2 = 30. Therefore, the OR function is implemented.

Аффинность олигонуклеотидов данного МВУ представлена как концентрация комплекса двух олигонуклеотидов (в мкМ) при их смешении в тотальной концентрации 1 мкМ (рассчитаны с помощью NUPACK при 25°С). При необходимости эти значения могут быть легко переведены в константу диссоциации как показано в описании выше:The affinity of oligonucleotides of a given MVU is presented as the concentration of a complex of two oligonucleotides (in μM) when they are mixed at a total concentration of 1 μM (calculated using NUPACK at 25 ° C). If necessary, these values can be easily converted into dissociation constant as shown in the description above:

Figure 00000011
Figure 00000011

Уровень паразитной аффинности: 0.05 (которое соответствует Kd~10-5 М, если олигонуклеотиды сами по себе не образуют многомеры).Parasitic affinity level: 0.05 (which corresponds to Kd ~ 10 -5 M if oligonucleotides do not form multidimensional units by themselves).

Пример 9) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующее 3-битную логическую функцию И. Бинарным входом системы является наличие олигонуклеотидов I1, I2, I3 (добавление к раствору =1; недобавление =0). Бинарной мерой результата вычисления (выход) является концентрация олигонуклеотида S в свободной от комплекса с квенчерными олигонуклеотидами Qn (n=1, 2, 3) форме. Считывание результата вычисления производится за счет измерения флуоресценции раствора, с учетом того, что S мечен флуоресцентной Су3 меткой, а олигонуклеотиды Qn - квернчерной молекулой BHQ2, т.е. при связывании S с Qn флуоресценция Су3 тушится, что детектируется флуориметром.Example 9) Molecular computing device (MVD) that implements a 3-bit logical function I. The binary input of the system is the presence of oligonucleotides I1, I2, I3 (addition to solution = 1; non-addition = 0). A binary measure of the calculation result (yield) is the concentration of oligonucleotide S in the form free from the complex with quencher oligonucleotides Qn (n = 1, 2, 3). The calculation result is read by measuring the fluorescence of the solution, taking into account that S is labeled with a fluorescent Cy3 label, and Qn oligonucleotides - with a querncher BHQ2 molecule, i.e. upon binding of S to Qn, the Cy3 fluorescence is quenched, which is detected by a fluorometer.

МВУ представляет из себя раствор:IDL is a solution:

78 мкл буфера 100 мМ Трис-HCl; 1М NaCl;78 μl of 100 mM Tris-HCl buffer; 1M NaCl;

+1 мкл 100 мкМ олигонуклеотида S=5'-Cy3-GCAGTATTCG-3' в воде;+1 μl 100 μM oligonucleotide S = 5'-Cy3-GCAGTATTCG-3 'in water;

+2 мкл 100 мкМ олигонуклеотида Q1=5'-CGAAAACTGC-BHQ2-3' в воде.+ 2 μl 100 μM oligonucleotide Q1 = 5'-CGAAAACTGC-BHQ2-3 'in water.

+2 мкл 100 мкМ олигонуклеотида Q2=5'-CGAATGCTGC-BHQ2-3' в воде.+ 2 μl 100 μM oligonucleotide Q2 = 5'-CGAATGCTGC-BHQ2-3 'in water.

+2 мкл 100 мкМ олигонуклеотида Q3=5'-CGAATAGTGC-BHQ2-3' в воде.+ 2 μl 100 μM oligonucleotide Q3 = 5'-CGAATAGTGC-BHQ2-3 'in water.

Вычисление проводят добавляя к МВУ 15 мкл различных комбинаций входов:The calculation is carried out by adding 15 μL of various combinations of inputs to the MVC:

Вход I1=1) 5 мкл 100 мкМ олигонуклеотида I1=5'-GCAGTTTTCG-3' в воде.Input I1 = 1) 5 μL of 100 μM oligonucleotide I1 = 5'-GCAGTTTTCG-3 'in water.

Вход I2=1) 5 мкл 100 мкМ олигонуклеотида I2=5'-GCAGCATTCG-3' в воде.Input I2 = 1) 5 μL of 100 μM oligonucleotide I2 = 5'-GCAGCATTCG-3 'in water.

Вход I3=1) 5 мкл 100 мкМ олигонуклеотида I3=5'-GCACTATTCG-3' в воде.Input I3 = 1) 5 μl 100 μM oligonucleotide I3 = 5'-GCACTATTCG-3 'in water.

Вход In=0) 5 мкл воды - для n=1, 2, 3.Input In = 0) 5 μl water - for n = 1, 2, 3.

Детектируют сигнал флуоресценции метки Су3.The fluorescence signal of the Cy3 label is detected.

Полученные результаты:Results:

i) ВХОД: I1=0; I2=0; I3=0 - Сигнал: 10±0.2 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT: I1 = 0; I2 = 0; I3 = 0 - Signal: 10 ± 0.2 RFU (relative fluorescence units).

i) ВХОД: I1=0; I2=0; I3=1 - Сигнал: 14±0.6 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT: I1 = 0; I2 = 0; I3 = 1 - Signal: 14 ± 0.6 RFU (relative fluorescence units).

i) ВХОД: I1=0; I2=1; I3=0 - Сигнал: 13±1 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT: I1 = 0; I2 = 1; I3 = 0 - Signal: 13 ± 1 RFU (relative fluorescence units).

i) ВХОД: I1=0; I2=1; I3=1 - Сигнал: 21±0.3 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT: I1 = 0; I2 = 1; I3 = 1 - Signal: 21 ± 0.3 RFU (relative fluorescence units).

i) ВХОД: I1=1; I2=0; I3=0 - Сигнал: 18±0.6 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT: I1 = 1; I2 = 0; I3 = 0 - Signal: 18 ± 0.6 RFU (relative fluorescence units).

i) ВХОД: I1=1; I2=0; I3=1 - Сигнал: 33±1 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT: I1 = 1; I2 = 0; I3 = 1 - Signal: 33 ± 1 RFU (relative fluorescence units).

i) ВХОД: I1=1; I2=1; I3=0 - Сигнал: 28±1 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT: I1 = 1; I2 = 1; I3 = 0 - Signal: 28 ± 1 RFU (relative fluorescence units).

i) ВХОД: I1=1; I2=1; I3=0 - Сигнал: 67±0.5 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT: I1 = 1; I2 = 1; I3 = 0 - Signal: 67 ± 0.5 RFU (relative fluorescence units).

Пороговое значение - среднее между максимальным и минимальным, т.е.The threshold value is the average between the maximum and minimum, i.e.

(10+67)/2=38.5. Поэтому реализована функция И.(10 + 67) /2=38.5. Therefore, the AND function is implemented.

Аффинность олигонуклеотидов данного МВУ представлена как концентрация комплекса двух олигонуклеотидов (в мкМ) при их смешении в тотальной концентрации 1 мкМ (рассчитаны с помощью NUPACK при 25°С). При необходимости эти значения могут быть легко переведены в константу диссоциации как показано в описании выше:The affinity of oligonucleotides of a given MVU is presented as the concentration of a complex of two oligonucleotides (in μM) when they are mixed at a total concentration of 1 μM (calculated using NUPACK at 25 ° C). If necessary, these values can be easily converted into dissociation constant as shown in the description above:

Figure 00000012
Figure 00000012

Уровень паразитной аффинности: 0.3 (которое соответствует Kd~2*10-6 М, если олигонуклеотиды сами по себе не образуют многомеры).Parasitic affinity level: 0.3 (which corresponds to Kd ~ 2 * 10 -6 M, if oligonucleotides do not form multidimensional ones by themselves).

Пример 10) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующее 3-битную ячейку памяти с функцией хранения и считывания. Схема МВУ показана на Фиг. 9. Число, которое необходимо сохранить с помощью МВУ, представляется в виде 3-битного бинарного числа. Каждому разряду числа ставится в соответствие олигонуклеотид In (n=1, 2, 3, добавление к раствору =1; недобавление =0). Затем, данное число подается на вход МВУ путем добавления в раствор. Затем, для считывания результата вычисления, на вход МВУ подается «считывающий» олигонуклеотид, который вызывает увеличение флуоресценции 3 разных по спектру меток согласно записанному в память МВУ числу (если I1=1 - увеличивается/появляется флуоресценция метки Су3, если I12=1 - увеличивается/появляется флуоресценция метки Су5, если I3=1 - увеличивается/появляется флуоресценция метки FAM). Данное МВУ функционирует как 3 параллельных логических функции И с одним общим входом.Example 10) Molecular computing device (MVD) implementing a 3-bit memory cell with a storage and reading function. The IDL diagram is shown in FIG. 9. The number to be stored using the IDC is represented as a 3-bit binary number. Each digit of the number is associated with an oligonucleotide In (n = 1, 2, 3, addition to solution = 1; non-addition = 0). Then, this number is fed to the input of the IDL by adding it to the solution. Then, to read the result of the calculation, a “reading” oligonucleotide is fed to the input of the IDL, which causes an increase in the fluorescence of 3 labels of different spectrum according to the number recorded in the memory of the IDL (if I1 = 1, the fluorescence of the Cy3 label increases / appears, if I12 = 1, it increases / the fluorescence of the Cy5 label appears, if I3 = 1 - the fluorescence of the FAM label increases / appears). This MVU functions as 3 parallel logical AND functions with one common input.

МВУ представляет из себя раствор: 61 мкл буфера 100 мМ Трис-HCl; 1M NaCl;MVU is a solution: 61 μl of 100 mM Tris-HCl buffer; 1M NaCl;

+1 мкл 100 мкМ олигонуклеотида S1=5'-Cy3-AACTGTGACCACTTGTCAAG-3' вводе;+1 μl 100 μM oligonucleotide S1 = 5'-Cy3-AACTGTGACCACTTGTCAAG-3 'injected;

+1 мкл 100 мкМ олигонуклеотида S2=5'-Cy5-CGCTGAGCGCACCGCTCGAC-3' в воде;+1 μl 100 μM oligonucleotide S2 = 5'-Cy5-CGCTGAGCGCACCGCTCGAC-3 'in water;

+1 мкл 100 мкМ олигонуклеотида S3=5'-FAM-CACTGTGTCAACATCTCACC-3' в воде;+1 μl 100 μM oligonucleotide S3 = 5'-FAM-CACTGTGTCAACATCTCACC-3 'in water;

+4 мкл 100 мкМ олигонуклеотида Q1=5'-GGTGAGGAGTGGGCTCAGTG-BHQ2-3' в воде.+4 μl 100 μM oligonucleotide Q1 = 5'-GGTGAGGAGTGGGCTCAGTG-BHQ2-3 'in water.

+1 мкл 100 мкМ олигонуклеотида Q2=5'-CTTGACCCTTAGTCACAGTT-BHQ2-3' в воде.+1 μl 100 μM oligonucleotide Q2 = 5'-CTTGACCCTTAGTCACAGTT-BHQ2-3 'in water.

+4 мкл 100 мкМ олигонуклеотида Q3=5'-GATTCTGTTTACGCTAACTA-BHQ2-3' в воде.+4 μl 100 μM oligonucleotide Q3 = 5'-GATTCTGTTTACGCTAACTA-BHQ2-3 'in water.

+1 мкл 100 мкМ олигонуклеотида QR=5'-CGTCAGATGTTAACAAAGTG-BHQ2-3' в воде.+1 μl 100 μM oligonucleotide QR = 5'-CGTCAGATGTTAACAAAGTG-BHQ2-3 'in water.

Запись числа в ячейку памяти МВУ производят добавляя к МВУ 15 мкл различных комбинаций входов:The number is written into the memory cell of the MVC by adding 15 μl of various combinations of inputs to the MVC:

Вход I1) =1: +20 мкл 100 мкМ олигонуклеотида I1=5'-CTTTGTGACTAAGTGTCAAG-3' в воде; =0: +20 мкл воды.Input I1) = 1: +20 μl 100 μM oligonucleotide I1 = 5'-CTTTGTGACTAAGTGTCAAG-3 'in water; = 0: +20 μl water.

Вход I2) =1: +11 мкл 100 мкМ олигонуклеотида I2=5'-TAGTTAGCGTTAGCAAAATT-3' в воде; =0: +11 мкл воды.Input I2) = 1: +11 μl 100 μM oligonucleotide I2 = 5'-TAGTTAGCGTTAGCAAAATT-3 'in water; = 0: +11 μl water.

Вход I2) =1: +14 мкл 100 мкМ олигонуклеотида I3=5'-CACTTTGTAACCATGTGACG-3' в воде; =0: +14 мкл воды.Input I2) = 1: +14 μl 100 μM oligonucleotide I3 = 5'-CACTTTGTAACCATGTGACG-3 'in water; = 0: +14 μl water.

Считывание производят добавляя к МВУ 20 мкл «считывающего» олигонуклеотидаReading is carried out by adding 20 μl of the "reading" oligonucleotide to the MVU

R=5'-CTGTCCCGTCACTACTCACC-3' в воде.R = 5'-CTGTCCCGTCACTACTCACC-3 'in water.

Детектируют сигнал флуоресценции меток FAM, Су3, Су5.The fluorescence signal of the FAM, Cy3, Cy5 labels is detected.

Полученные результаты, подтверждающие корректную работу данного МВУ, показаны на Фиг. 9.The results obtained, confirming the correct operation of this MVD, are shown in Fig. nine.

Аффинность олигонуклеотидов данного МВУ представлена как концентрация комплексаThe affinity of oligonucleotides of a given MVU is presented as the concentration of the complex

двух олигонуклеотидов (в мкМ) при их смешении в тотальной концентрации 1 мкМ (рассчитаны с помощью NUPACK при 25°С). При необходимости эти значения могут быть легко переведены в константу диссоциации, как показано в описании выше:two oligonucleotides (in μM) when mixed at a total concentration of 1 μM (calculated using NUPACK at 25 ° C). If necessary, these values can be easily converted to dissociation constant, as shown in the description above:

Figure 00000013
Figure 00000013

Уровень паразитной аффинности: 0.1 (которое соответствует Kd~8*10-6 М, если олигонуклеотиды сами по себе не образуют многомеры).Parasitic affinity level: 0.1 (which corresponds to Kd ~ 8 * 10 -6 M if oligonucleotides do not form multidimensional ones by themselves).

Пример 11) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующее вычисление квадратного корня из 4-битного бинарного числа. Каждому разряду числа ставится в соответствие олигонуклеотид In (n=1, 2, 3, 4, добавление к раствору =1; недобавление =0), т.е. число записывается как {I1-I2-I3-I4}. Затем, данное число подается на вход МВУ путем добавления в растворы для вычисления каждого из двух разрядов ответа. Ответ, т.е., базу квадратного корня (целое число) вычисляют в виде 2-битного бинарного числа вида XY, в котором разряды X, Y вычисляют согласно булевой алгебре:Example 11) A molecular computing device (MVD) that implements the calculation of the square root of a 4-bit binary number. Each digit of the number is associated with an oligonucleotide In (n = 1, 2, 3, 4, addition to the solution = 1; non-addition = 0), i.e. the number is written as {I1-I2-I3-I4}. Then, this number is fed to the input of the IDC by adding to the solutions to calculate each of the two digits of the response. The answer, i.e., the base of the square root (integer) is calculated as a 2-bit binary number of the form XY, in which the X, Y digits are calculated according to Boolean algebra:

Х=I1 ИЛИ I2; Y=HE { [I2 ИЛИ НЕ(I14)] И [I2 ИЛИ НЕ(I3)] И [НЕ(I2) ИЛИ НЕ(I1)}X = I1 OR I2; Y = HE {[I2 OR NOT (I14)] AND [I2 OR NOT (I3)] AND [NOT (I2) OR NOT (I1)}

Бинарной мерой результата вычисления X является концентрация олиигонуклеотида S1 в свободной от комплекса с квенчерным олигонуклеотидом Q1 форме. Считывание результата вычисления производится за счет измерения флуоресценции раствора, с учетом того, что S мечен флуоресцентной Су3 меткой, а олигонуклеотид Q -квернчерной молекулой BHQ2, т.е. при связывании S с Q флуоресценция Су3 тушится, что детектируется флуориметром.A binary measure of the result of the calculation of X is the concentration of the S1 oligonucleotide in a complex-free form with the Q1 quencher oligonucleotide. The calculation result is read by measuring the fluorescence of the solution, taking into account the fact that S is labeled with a fluorescent Cy3 label, and the oligonucleotide with a Q-querncher molecule BHQ2, i.e. upon binding of S to Q, the Cy3 fluorescence is quenched, which is detected by a fluorometer.

Бинарной мерой результата вычисления Y является концентрация олиигонуклеотида S2 в свободной от комплекса с квенчерным олигонуклеотидом Q2 форме. Считывание результата вычисления производится за счет измерения флуоресценции раствора, с учетом того, что S мечен флуоресцентной Су5 меткой, а олигонуклеотид Q -квернчерной молекулой BHQ3 (т.е. при связывании S с Q флуоресценция Су5 тушится, что детектируется флуориметром.A binary measure of the result of the calculation of Y is the concentration of the oligonucleotide S2 in the form free from the complex with the quencher oligonucleotide Q2. The calculation result is read by measuring the fluorescence of the solution, taking into account that S is labeled with a fluorescent Cy5 label, and the oligonucleotide with a Q-querncher molecule BHQ3 (i.e., when S binds to Q, the fluorescence of Cy5 is quenched, which is detected by a fluorometer.

МВУ представляет из себя два раствор (для вычисления X и Y).The IDL is two solutions (for calculating X and Y).

Раствор для вычисления X:Solution for calculating X:

77 мкл буфера 100 мМ Трис-HCl; 1М NaCl;77 μl of 100 mM Tris-HCl buffer; 1M NaCl;

+1 мкл 100 мкМ олигонуклеотида SX=5'-Cy5-TTGTGATTGGAAACT-3' в воде;+1 μl 100 μM oligonucleotide SX = 5'-Cy5-TTGTGATTGGAAACT-3 'in water;

+2 мкл 100 мкМ олигонуклеотида QX=5'-AGGTTCCATGCACAA-BHQ3-3' в воде.+ 2 μl 100 μM oligonucleotide QX = 5'-AGGTTCCATGCACAA-BHQ3-3 'in water.

Раствор для вычисления Y:Solution for calculating Y:

63 мкл буфера 100 мМ Трис-HCl; 1М NaCl;63 μl 100 mM Tris-HCl buffer; 1M NaCl;

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

Если вход=0, то вместо олигонуклеотида добавляется 5 мкл воды.If input = 0, then 5 μl of water is added instead of the oligonucleotide.

Полученные результаты вычислений спустя 5 минут после добавление входов представлены на Фиг. 10 и демонстрируют корректную работу данного МВУ. Отметим, что через 60 мин, значения выходов практически не изменяются, поэтому решение, посчитанное в течение 5 минут (или быстрее) может являться финальным.The calculated results obtained 5 minutes after the addition of the inputs are shown in FIG. 10 and demonstrate the correct operation of this IDP. Note that after 60 minutes, the output values practically do not change, so the solution calculated within 5 minutes (or faster) may be final.

Аффинность олигонуклеотидов данного МВУ представлена как концентрация комплекса двух олигонуклеотидов (в мкМ) при их смешении в тотальной концентрации 1 мкМ (рассчитаны с помощью NUPACK при 25°С). При необходимости эти значения могут быть легко переведены в константу диссоциации, как показано в описании выше:The affinity of oligonucleotides of a given MVU is presented as the concentration of a complex of two oligonucleotides (in μM) when they are mixed at a total concentration of 1 μM (calculated using NUPACK at 25 ° C). If necessary, these values can be easily converted to dissociation constant, as shown in the description above:

Figure 00000016
Figure 00000016

Figure 00000017
Figure 00000017

Уровень паразитной аффинности: 0.05 (которое соответствует Kd~10-5 М, если олигонуклеотиды сами по себе не образуют многомеры).Parasitic affinity level: 0.05 (which corresponds to Kd ~ 10 -5 M if oligonucleotides do not form multidimensional units by themselves).

Другой вариант последовательностей олигонуклеотидов для МВУ №2 для вычисления квадратного корня:Another variant of the sequences of oligonucleotides for MVU # 2 for calculating the square root:

Figure 00000018
Figure 00000018

Аффинность олигонуклеотидов данного МВУ представлена как концентрация комплекса двух олигонуклеотидов (в мкМ) при их смешении в тотальной концентрации 1 мкМ (рассчитаны с помощью NUPACK при 25°С). При необходимости эти значения могут быть легко переведены в константу диссоциации, как показано в описании выше:The affinity of oligonucleotides of a given MVU is presented as the concentration of a complex of two oligonucleotides (in μM) when they are mixed at a total concentration of 1 μM (calculated using NUPACK at 25 ° C). If necessary, these values can be easily converted to dissociation constant, as shown in the description above:

Figure 00000019
Figure 00000019

Уровень паразитной аффинности: 0.1 (которое соответствует Kd~8*10-6 М, если олигонуклеотиды сами по себе не образуют многомеры).Parasitic affinity level: 0.1 (which corresponds to Kd ~ 8 * 10 -6 M if oligonucleotides do not form multidimensional ones by themselves).

Пример 12) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующее 500-битную логическую функцию И в симуляции NUPACK. Бинарным входом системы является наличие олигонуклеотидов In (n=1-500, добавление в систему =1; недобавление =0). Бинарной мерой результата вычисления (выход) является концентрация олигонуклеотида S в свободной форме. МВУ представляет из себя совокупность олигонуклеотидов в Таблице 1. Вычисление 500-битной логической функции И проводят добавляя к МВУ различные комбинации входов, указанных в Таблице 1.Example 12) Molecular computing device (MVD) implementing a 500-bit logical AND function in a NUPACK simulation. The binary input of the system is the presence of In oligonucleotides (n = 1-500, addition to the system = 1; non-addition = 0). A binary measure of the calculation result (yield) is the concentration of oligonucleotide S in free form. The MVL is a collection of oligonucleotides in Table 1. The calculation of the 500-bit logical function AND is carried out by adding to the MVL various combinations of the inputs indicated in Table 1.

При этом для выбора олигонуклеотидов были использованы критерии:At the same time, the following criteria were used to select oligonucleotides:

[S]=1 мкМ[S] = 1 μM

50 мкМ < [Q] < 100 мкМ, 50 мкМ < [I] < 120 мкМ50 μM <[Q] <100 μM, 50 μM <[I] <120 μM

и следующие аффинности:and the following affinities:

0.4 мкМ < Kd[QS] < 1 мкМ, 0.4нМ < Kd[IQ] < 3 нМ.0.4 μM <Kd [QS] <1 μM, 0.4 nM <Kd [IQ] <3 nM.

По факту в представленном наборе в Таблице 1,In fact, in the set presented in Table 1,

50.5 мкМ <= [Q] <= 89.8 мкМ, 52.7 мкМ <= [I] <= 112 мкМ50.5 μM <= [Q] <= 89.8 μM, 52.7 μM <= [I] <= 112 μM

0.4 мкМ < Kd[QS] < 0.898 мкМ, 0.415нМ <= Kd[IQ] <= 2.63нМ.0.4 μM <Kd [QS] <0.898 μM, 0.415 nM <= Kd [IQ] <= 2.63 nM.

Ввиду колоссального объема данных, в Таблице 1 представлены только концентрации олигонуклеотидов, все другие параметры могут быть вычислены с помощью общедоступного алгоритма NUPACK (unpack.org).Due to the enormous amount of data, Table 1 presents only the concentrations of oligonucleotides, all other parameters can be calculated using the publicly available NUPACK algorithm (unpack.org).

Аффинности между невзаимодействующими олигонуклеотидами (паразитная аффинность) должны были быть Kd > 18 мкМ.The affinities between non-interacting oligonucleotides (parasitic affinity) should have been Kd> 18 μM.

С помощью алгоритма NUPACK вычисляют количество свободного S.The NUPACK algorithm calculates the amount of free S.

Значение работы без добавления входов (все входы =0) = 4.10Е-05 (доля S в свободнойThe value of work without adding inputs (all inputs = 0) = 4.10E-05 (share of S in free

молекулярной форме).molecular form).

Фиг. 11 показывает результаты работы МВУ при расчете следующих входных комбинаций:FIG. 11 shows the results of the operation of the IDL when calculating the following input combinations:

A) все входы =1A) all inputs = 1

B) все входы кроме In=1; In=0. (для всех n=1..500).B) all inputs except In = 1; In = 0. (for all n = 1..500).

Фиг. 11 показывает, что выход для группы С=0 для всех n. Следовательно, для всех других комбинаций входов (где больше одного входа =0) будет еще меньше, т.е. тоже =0. Следовательно, МВУ действительно реализовывает логическое И.FIG. 11 shows that the output for group C = 0 for all n. Therefore, for all other combinations of inputs (where more than one input = 0) there will be even less, i.e. also = 0. Therefore, the IDL does indeed implement logical AND.

Элементарная АлгебраElementary Algebra

Пример 13) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), вычисляющее значение функции у=Ах для непрерывно меняющегося значения х в симуляции NUPACK.Example 13) Molecular computing device (MVD) calculating the value of the function y = Ax for a continuously varying value of x in the NUPACK simulation.

Значением х является: x=log([I]/[X0), где [I] - концентрация входного олигонуклеотида I в единицах моль/л, [Х0]=10-6 моль/л - произвольно выбранная референсная концентрация сдвига по X.The value of x is: x = log ([I] / [X0), where [I] is the concentration of the input oligonucleotide I in units of mol / L, [X0] = 10 -6 mol / L is an arbitrarily chosen reference shift concentration along X ...

Значением у является: y=([S]-[Y0])/[C0], где [S] - концентрация свободного выходного олигонуклеотида S в единицах моль/л, [Y0]=5*10-11 моль/л и [С0]=10-11 моль/л - произвольно выбранные референсные концентрации сдвига по Y и коэффициент нормализации, соответственно.The value of y is: y = ([S] - [Y0]) / [C0], where [S] is the concentration of free output oligonucleotide S in units of mol / l, [Y0] = 5 * 10 -11 mol / l and [С0] = 10 -11 mol / l - arbitrarily chosen reference concentration of the shift along Y and the normalization factor, respectively.

МВУ представляет из себя совокупность олигонуклеотидов: в Таблице 2.IDL is a collection of oligonucleotides: in Table 2.

Вычисление значение функции у=х (для -2<х<2) вычисляют, добавляя в систему соответствующее количество входного олигонуклеотида I в пределах: 10-8 М < [I] < 10-4 М, где [I] - концентрация входного олигонуклеотида I.Calculation of the value of the function y = x (for -2 <x <2) is calculated by adding to the system the corresponding amount of input oligonucleotide I in the range: 10 -8 M <[I] <10 -4 M, where [I] is the concentration of the input oligonucleotide I.

Фигура 12 показывает теоретическое значение функции (сплошная линия) и значение вычисленное МВУ, причем во всех вычисленных и показанных на графике точках, ошибка вычисления значения функции МВУ не превышает 0.96% (по концентрации S).Figure 12 shows the theoretical value of the function (solid line) and the value of the calculated MVL, and at all points calculated and shown on the graph, the error in calculating the value of the MVL function does not exceed 0.96% (in terms of concentration S).

Пример 14) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), вычисляющее значение функции у=Ах2 для непрерывно меняющегося значения х в симуляции NUPACK.Example 14) Molecular computing device (MVD) calculating the value of a function y = Ax 2 for a continuously varying value of x in the NUPACK simulation.

Значением х является: x=log([I]/[X0), где [I] - концентрация входного олигонуклеотида I в единицах моль/л, [Х0]=10-6 моль/л - произвольно выбранная референсная концентрация сдвига по X.The value of x is: x = log ([I] / [X0), where [I] is the concentration of the input oligonucleotide I in units of mol / L, [X0] = 10 -6 mol / L is an arbitrarily chosen reference shift concentration along X ...

Значением у является: y=([S]-[Y0])/[C0], где [S] - концентрация свободного выходного олигонуклеотида S в единицах моль/л, [Y0]=5*10-11 моль/л и [С0]=10-11 моль/л - произвольно выбранные референсные концентрации сдвига по Y и коэффициент нормализации, соответственно.The value of y is: y = ([S] - [Y0]) / [C0], where [S] is the concentration of free output oligonucleotide S in units of mol / l, [Y0] = 5 * 10 -11 mol / l and [С0] = 10 -11 mol / l - arbitrarily chosen reference concentration of the shift along Y and the normalization factor, respectively.

МВУ представляет из себя совокупность олигонуклеотидов: в Таблице 2. Вычисление значение функции у=0.25*х2 (для -2<х<2) вычисляют, добавляя в систему соответствующее количество входного олигонуклеотида I в пределах: 10-8 М < [I] < 10-4 М, где [I] - концентрация входного олигонуклеотида I.The MVL is a set of oligonucleotides: in Table 2. Calculation of the value of the function y = 0.25 * x 2 (for -2 <x <2) is calculated by adding to the system the corresponding amount of input oligonucleotide I within: 10 -8 M <[I ] <10 -4 M, where [I] is the concentration of the input oligonucleotide I.

Фигура 12 показывает теоретическое значение функции (сплошная линия) и значение вычисленное МВУ, причем во всех вычисленных и показанных на графике точках, ошибка вычисления значения функции МВУ не превышает 0.82% (по концентрации S).Figure 12 shows the theoretical value of the function (solid line) and the value of the calculated MVC, and at all points calculated and shown on the graph, the error in calculating the value of the MVC function does not exceed 0.82% (in terms of concentration S).

Пример 15) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), вычисляющее значение функции у=Ах3 для непрерывно меняющегося значения х в симуляции NUPACK.Example 15) Molecular computing device (MVD) calculating the value of a function y = Ax 3 for a continuously varying value of x in the NUPACK simulation.

Значением х является: x=log([I]/[X0), где [I] - концентрация входного олигонуклеотида I в единицах моль/л, [Х0]=10-6 моль/л - произвольно выбранная референсная концентрация сдвига по X.The value of x is: x = log ([I] / [X0), where [I] is the concentration of the input oligonucleotide I in units of mol / L, [X0] = 10 -6 mol / L is an arbitrarily chosen reference shift concentration along X ...

Значением у является: y=([S]-[Y0])/[C0], где [S] - концентрация свободного выходного олигонуклеотида S в единицах моль/л, [Y0]=5*10-11 моль/л и [С0]=10-11 моль/л - произвольно выбранные референсные концентрации сдвига по Y и коэффициент нормализации, соответственно.The value of y is: y = ([S] - [Y0]) / [C0], where [S] is the concentration of free output oligonucleotide S in units of mol / l, [Y0] = 5 * 10 -11 mol / l and [С0] = 10 -11 mol / l - arbitrarily chosen reference concentration of the shift along Y and the normalization factor, respectively.

МВУ представляет из себя совокупность олигонуклеотидов: в Таблице 2. Вычисление значение функции у=0.125*х3 (для -2<х<2) вычисляют, добавляя в систему соответствующее количество входного олигонуклеотида I в пределах: 10-8 М < [I] < 10-4 М, где [I] - концентрация входного олигонуклеотида I.The MVL is a set of oligonucleotides: in Table 2. Calculation of the value of the function y = 0.125 * x 3 (for -2 <x <2) is calculated by adding to the system the corresponding amount of input oligonucleotide I within the range: 10 -8 M <[I ] <10 -4 M, where [I] is the concentration of the input oligonucleotide I.

Фигура 12 показывает теоретическое значение функции (сплошная линия) и значение вычисленное МВУ, причем во всех вычисленных и показанных на графике точках, ошибка вычисления значения функции МВУ не превышает 0.88% (по концентрации S).Figure 12 shows the theoretical value of the function (solid line) and the value of the calculated MVL, and at all points calculated and shown on the graph, the error in calculating the value of the MVL function does not exceed 0.88% (in terms of concentration S).

Пример 16) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), вычисляющее значение функции y=sqrt(Ax) для непрерывно меняющегося значения х в симуляции NUPACK.Example 16) Molecular computing device (MVD) calculating the value of the function y = sqrt (Ax) for a continuously varying value of x in the NUPACK simulation.

Значением х является: x=log([I]/[X0), где [I] - концентрация входного олигонуклеотида I в единицах моль/л, [Х0]=10-6 моль/л - произвольно выбранная референсная концентрация сдвига по X.The value of x is: x = log ([I] / [X0), where [I] is the concentration of the input oligonucleotide I in units of mol / L, [X0] = 10 -6 mol / L is an arbitrarily chosen reference shift concentration along X ...

Значением у является: y=([S]-[Y0])/[C0], где [S] - концентрация свободного выходного олигонуклеотида S в единицах моль/л, [Y0]=5*10-11 моль/л и [С0]=10-11 моль/л - произвольно выбранные референсные концентрации сдвига по Y и коэффициент нормализации, соответственно.The value of y is: y = ([S] - [Y0]) / [C0], where [S] is the concentration of free output oligonucleotide S in units of mol / l, [Y0] = 5 * 10 -11 mol / l and [С0] = 10 -11 mol / l - arbitrarily chosen reference concentration of the shift along Y and the normalization factor, respectively.

МВУ представляет из себя совокупность олигонуклеотидов: в Таблице 2. Вычисление значение функции y=sqrt(x/2) вычисляют, добавляя в систему соответствующее количество входного олигонуклеотида I в пределах: 10-8 М < [I] < 10-4 М, где [I] - концентрация входного олигонуклеотида I.The MVL is a set of oligonucleotides: in Table 2. Calculation of the value of the function y = sqrt (x / 2) is calculated by adding to the system the corresponding amount of input oligonucleotide I in the range: 10 -8 M <[I] <10 -4 M, where [I] is the concentration of the input oligonucleotide I.

Фигура 12 показывает теоретическое значение функции (сплошная линия) и значение вычисленное МВУ, причем во всех вычисленных и показанных на графике точках, ошибка вычисления значения функции МВУ не превышает 0.88% (по концентрации S).Figure 12 shows the theoretical value of the function (solid line) and the value of the calculated MVL, and at all points calculated and shown on the graph, the error in calculating the value of the MVL function does not exceed 0.88% (in terms of concentration S).

Пример 17) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), вычисляющее значение функции y=sin(Ax) для непрерывно меняющегося значения х в симуляции NUPACK.Example 17) Molecular computing device (MVD) calculating the value of the function y = sin (Ax) for a continuously varying value of x in the NUPACK simulation.

Значением х является: x=log([I]/[X0), где [I] - концентрация входного олигонуклеотида I в единицах моль/л, [Х0]=10-6 моль/л - произвольно выбранная референсная концентрация сдвига по X.The value of x is: x = log ([I] / [X0), where [I] is the concentration of the input oligonucleotide I in units of mol / L, [X0] = 10 -6 mol / L is an arbitrarily chosen reference shift concentration along X ...

Значением у является: y=([S]-[Y0])/[C0], где [S] - концентрация свободного выходного олигонуклеотида S в единицах моль/л, [Y0]=5*10-11 моль/л и [С0]=10-11 моль/л - произвольно выбранные референсные концентрации сдвига по Y и коэффициент нормализации, соответственно.The value of y is: y = ([S] - [Y0]) / [C0], where [S] is the concentration of free output oligonucleotide S in units of mol / l, [Y0] = 5 * 10 -11 mol / l and [С0] = 10 -11 mol / l - arbitrarily chosen reference concentration of the shift along Y and the normalization factor, respectively.

МВУ представляет из себя совокупность олигонуклеотидов: в Таблице 2. Вычисление значение функции y=sin(πx/2) вычисляют, добавляя в систему соответствующее количество входного олигонуклеотида I в пределах: 10-8 М < [I] < 10-4 М, где [I] - концентрация входного олигонуклеотида I.The MVL is a set of oligonucleotides: in Table 2. Calculation of the value of the function y = sin (πx / 2) is calculated by adding to the system the corresponding amount of input oligonucleotide I in the range: 10 -8 M <[I] <10 -4 M, where [I] is the concentration of the input oligonucleotide I.

Фигура 12 показывает теоретическое значение функции (сплошная линия) и значение вычисленное МВУ, причем во всех вычисленных и показанных на графике точках, ошибка вычисления значения функции МВУ не превышает 0.93% (по концентрации S).Figure 12 shows the theoretical value of the function (solid line) and the value of the calculated MVL, and at all points calculated and shown on the graph, the error in calculating the value of the MVL function does not exceed 0.93% (in terms of concentration S).

Пример 18) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), решающее уравнение вида Bx2=sin(Ax) для непрерывно меняющегося значения х в симуляции NUPACK. Создают МВУ №1 по Пример Ч и МВУ №2 по Примеру Ч. Варьируют в обоих упомянутых МВУ количество входного олигонуклеотида I в пределах концентрации: 10-8 М < [I] < 10-4 М, регистрируют и сравнивают выходы обоих МВУ. Ставят в соответствие количество входного олигонуклеотида I, при котором оба МВУ выдавали одинаковый (в пределах 1% разницы) выход, решению х указанного уравнения. Фиг. 13 показывает решение для уравнения -0.25*x2=sin(πx/2): x1=-1.6 (1=2.5* 10-8М) (ошибка от правильного ответа х=-1.57 составляет 1.8%), х1=0.05 (I=1.13*10-6М), правильный ответ х=0.Example 18) Molecular computing device (MVD) solving an equation of the form Bx 2 = sin (Ax) for a continuously varying value of x in a NUPACK simulation. Create MVL No. 1 according to Example H and MVL No. 2 according to Example H. The amount of input oligonucleotide I is varied in both mentioned MVCs within the concentration range: 10 -8 M <[I] <10 -4 M, the yields of both MVCs are recorded and compared. The amount of input oligonucleotide I, at which both IDLs produced the same (within 1% difference) yield, is matched to the solution x of the specified equation. FIG. 13 shows the solution for the equation -0.25 * x 2 = sin (πx / 2): x1 = -1.6 (1 = 2.5 * 10 -8M) (the error from the correct answer x = -1.57 is 1.8%), x1 = 0.05 (I = 1.13 * 10 -6M), the correct answer is x = 0.

МВУ, регулирующее экспрессию геновMVP, which regulates gene expression

Пример 19) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующее логическую функцию ДА для контроля экспрессии гена.Example 19) A molecular computing device (MVD) that implements the DA logic function to control gene expression.

Бинарным входом системы является наличие РНК олигонуклеотида I (добавление к раствору I=1; недобавление =0). Бинарной мерой результата вычисления (выход) является количество синтезированного белка в растворе внеклеточной экспрессии. Данный пример показывает работоспособность МВУ для контроля экспрессии GFP, поэтому выходной сигнал регистрируется по флуоресценции GFP. Таргетируемая последовательность мРНК S=AGGCGCCCUGAC.The binary input of the system is the presence of RNA oligonucleotide I (addition to the solution I = 1; non-addition = 0). A binary measure of the calculation result (yield) is the amount of synthesized protein in the extracellular expression solution. This example demonstrates the performance of the IDM to control GFP expression, so the output signal is recorded by GFP fluorescence. Targeted mRNA sequence S = AGGCGCCCUGAC.

МВУ представляет из себя раствор:IDL is a solution:

20 мкл смеси компонент системы внеклеточного синтеза 1-Step Human Coupled IVT Kit - DNA (Thermo Scientific™, США, каталожный номер 88881) с плазмидой, содержащей ген GFP (поставляется в комплекте) согласно рекомендациям производителя (но с разбавлением водой в 2 раза);20 μl of a mixture of the components of the 1-Step Human Coupled IVT Kit - DNA (Thermo Scientific ™, USA, catalog number 88881) with a plasmid containing the GFP gene (supplied in the kit) according to the manufacturer's recommendations (but with a 2-fold dilution with water) ;

+1 мкл 50 мкМ олигонуклеотида Q=5'-UUCAGGGGCUCU-3' в воде;+1 μl of 50 μM oligonucleotide Q = 5'-UUCAGGGGCUCU-3 'in water;

Вычисление проводят добавляя к МВУ:The calculation is carried out by adding to the IDL:

Вход I=1) 1 мкл 500 мкМ олигонуклеотида I=5'-UGAGCCUGCUGA-3' в воде.Input I = 1) 1 μl of 500 μM oligonucleotide I = 5'-UGAGCCUGCUGA-3 'in water.

Вход I=0) 1 мкл воды.Input I = 0) 1 μl water.

Инкубируют 6 часов при +30 градусах С и детектируют флуоресценцию синтезированного GFP.Incubate for 6 hours at +30 degrees C and detect the fluorescence of the synthesized GFP.

Полученные результаты:Results:

i) ВХОД I=1 - Сигнал 100±20 RFU (относительных единиц флуоресценции),i) INPUT I = 1 - Signal 100 ± 20 RFU (relative fluorescence units),

i) ВХОД I=0 - Сигнал 22±10 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT I = 0 - Signal 22 ± 10 RFU (relative fluorescence units).

Таким образом, достигают влияют на экспрессию гена (а именно, повышают его экспрессию) за счет присутствия в смеси олигонуклеотида, имеющего комплементарность по таргетной последовательности всего в два не рядом стоящих основания.Thus, they achieve influence on the expression of the gene (namely, increase its expression) due to the presence in the mixture of an oligonucleotide having complementarity in the target sequence in only two not adjacent bases.

Так же экспрессия увеличивалась при использовании следующих комбинаций Q, I:Expression was also increased when using the following combinations of Q, I:

Та же таргетная последовательность мРНК S=AGGCGCCCUGAC;The same target mRNA sequence S = AGGCGCCCUGAC;

Q=GACAGGACGCCUQ = GACAGGACGCCU

I=CGGCGUCCAGUU: максимальная длина последовательно-комплементарных оснований к плазмиде - 5 нуклеотидов (CAGUU), к мРНК - 5 нуклеотидов (UCCAG).I = CGGCGUCCAGUU: maximum length of sequential complementary bases to the plasmid - 5 nucleotides (CAGUU), to mRNA - 5 nucleotides (UCCAG).

Так же экспрессия увеличивалась при использовании следующих комбинаций Q, I:Expression was also increased when using the following combinations of Q, I:

Таргетная последовательность мРНК S=TACGGCTTCTACCAC;Target mRNA sequence S = TACGGCTTCTACCAC;

Q=GUGGUCGAAUCCGUAQ = GUGGUCGAAUCCGUA

I=UAGAGAUUCGACAGC: максимальная длина последовательно-комплементарных оснований к плазмиде - 5 нуклеотидов (ACAGC), к мРНК - 4 нуклеотида (CAGC).I = UAGAGAUUCGACAGC: maximum length of sequential complementary bases to the plasmid - 5 nucleotides (ACAGC), to mRNA - 4 nucleotides (CAGC).

Так же экспрессия увеличивалась при использовании следующих комбинаций Q, I:Expression was also increased when using the following combinations of Q, I:

Таргетная последовательность мРНК S=TACGGCTTCTACCAC;Target mRNA sequence S = TACGGCTTCTACCAC;

Q=CGGUCUCUAUAUGCGQ = CGGUCUCUAUAUGCG

I=CGUAUAGAGAGACUU: максимальная длина последовательно-комплементарных оснований к плазмиде - 5 нуклеотидов (GACUU), к мРНК - 4 нуклеотида (ACUU).I = CGUAUAGAGAGACUU: maximum length of sequential complementary bases to the plasmid - 5 nucleotides (GACUU), to mRNA - 4 nucleotides (ACUU).

Пример 20) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующее логическую функцию НЕТ для контроля экспрессии гена.Example 20) Molecular computing device (MVD) implementing the logical function NO to control gene expression.

Бинарным входом системы является наличие РНК олигонуклеотида I (добавление к раствору I=1; недобавление =0). Бинарной мерой результата вычисления (выход) является количество синтезированного белка в растворе внеклеточной экспрессии. Данный пример показывает работоспособность МВУ для контроля экспрессии GFP, поэтому выходной сигнал регистрируется по флуоресценции GFP.The binary input of the system is the presence of RNA oligonucleotide I (addition to the solution I = 1; non-addition = 0). A binary measure of the calculation result (yield) is the amount of synthesized protein in the extracellular expression solution. This example demonstrates the performance of the IDM to control GFP expression, so the output signal is recorded by GFP fluorescence.

МВУ представляет из себя раствор:IDL is a solution:

20 мкл смеси компонент системы внеклеточного синтеза 1-Step Human Coupled IVT Kit - DNA (Thermo Scientific™, США, каталожный номер 88881) с плазмидой, содержащей ген GFP (поставляется в комплекте) согласно рекомендациям производителя (но с разбавлением водой в 2 раза);20 μl of a mixture of the components of the 1-Step Human Coupled IVT Kit - DNA (Thermo Scientific ™, USA, catalog number 88881) with a plasmid containing the GFP gene (supplied in the kit) according to the manufacturer's recommendations (but with a 2-fold dilution with water) ;

+1 мкл 50 мкМ олигонуклеотида Q=5'-UUCAGGGGCUCU-3' в воде;+1 μl of 50 μM oligonucleotide Q = 5'-UUCAGGGGCUCU-3 'in water;

+5 мкл 50 мкМ олигонуклеотида М=5'-AGAGACCCUUAA-3' в воде;+ 5 μl of 50 μM oligonucleotide M = 5'-AGAGACCCUUAA-3 'in water;

Вычисление проводят добавляя к МВУ:The calculation is carried out by adding to the IDL:

Вход I=1) 2 мкл 500 мкМ олигонуклеотида I=5'-UUAACGGUCUCU-3' в воде.Input I = 1) 2 μl of 500 μM oligonucleotide I = 5'-UUAACGGUCUCU-3 'in water.

Вход I=0) 1 мкл воды.Input I = 0) 1 μl water.

Инкубируют 6 часов при +30 градусах С и детектируют флуоресценцию синтезированного GFP.Incubate for 6 hours at +30 degrees C and detect the fluorescence of the synthesized GFP.

Полученные результаты:Results:

i) ВХОД I=1 - Сигнал 60±3 RFU (относительных единиц флуоресценции),i) INPUT I = 1 - Signal 60 ± 3 RFU (relative fluorescence units),

i) ВХОД I=0 - Сигнал 100±2 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT I = 0 - Signal 100 ± 2 RFU (relative fluorescence units).

Таким образом, достигают влияют на экспрессию гена (а именно, понижают его экспрессию) за счет присутствия в смеси олигонуклеотида, имеющего комплементарность по таргетной последовательности всего в два не рядом стоящих основания.Thus, they achieve influence on the expression of the gene (namely, to reduce its expression) due to the presence in the mixture of an oligonucleotide having complementarity in the target sequence in only two not adjacent bases.

Аффинность олигонуклеотидов данного МВУ представлена как концентрация комплексаThe affinity of oligonucleotides of a given MVU is presented as the concentration of the complex

двух олигонуклеотидов (в мкМ) при их смешении в тотальной концентрации 1 мкМ (рассчитаны с помощью NUPACK при 25°С). При необходимости эти значения могут быть легко переведены в константу диссоциации как показано в описании выше (в качестве S для расчетов используется таргетная последовательность мРНК гена -AGGCGCCCTGAC):two oligonucleotides (in μM) when mixed at a total concentration of 1 μM (calculated using NUPACK at 25 ° C). If necessary, these values can be easily converted into a dissociation constant as shown in the description above (as S for calculations, the target mRNA sequence of the -AGGCGCCCTGAC gene is used):

Figure 00000020
Figure 00000020

Уровень паразитной аффинности: 0.05 (которое соответствует Kd~10-5 М, если олигонуклеотиды сами по себе не образуют многомеры).Parasitic affinity level: 0.05 (which corresponds to Kd ~ 10 -5 M if oligonucleotides do not form multidimensional units by themselves).

Пример 21) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующее логическую функцию И для контроля экспрессии гена.Example 21) A molecular computing device (MVD) that implements a logical AND function to control gene expression.

Бинарным входом системы является наличие РНК олигонуклеотида In (n=1, 2; добавление к раствору In=1; недобавление =0). Бинарной мерой результата вычисления (выход) является количество синтезированного белка в растворе внеклеточной экспрессии. Данный пример показывает работоспособность МВУ для контроля экспрессии GFP, поэтому выходной сигнал регистрируется по флуоресценции GFP. МВУ представляет из себя раствор:The binary input of the system is the presence of the RNA oligonucleotide In (n = 1, 2; addition to the solution In = 1; non-addition = 0). A binary measure of the calculation result (yield) is the amount of synthesized protein in the extracellular expression solution. This example demonstrates the performance of the IDM to control GFP expression, so the output signal is recorded by GFP fluorescence. IDL is a solution:

20 мкл смеси компонент системы внеклеточного синтеза 1-Step Human Coupled IVT Kit - DNA (Thermo Scientific™, США, каталожный номер 88881) с плазмидой, содержащей ген GFP (поставляется в комплекте) согласно рекомендациям производителя (но с разбавлением водой в 2 раза);20 μl of a mixture of the components of the 1-Step Human Coupled IVT Kit - DNA (Thermo Scientific ™, USA, catalog number 88881) with a plasmid containing the GFP gene (supplied in the kit) according to the manufacturer's recommendations (but with a 2-fold dilution with water) ;

+1 мкл 25 мкМ олигонуклеотида Q1=5'-UUCAGGGGCUCU-3' в воде;+1 μl 25 μM oligonucleotide Q1 = 5'-UUCAGGGGCUCU-3 'in water;

+1 мкл 25 мкМ олигонуклеотида Q2=5'-UCCAGGUCGCCU-3' в воде;+1 μl 25 μM oligonucleotide Q2 = 5'-UCCAGGUCGCCU-3 'in water;

Вычисление проводят добавляя к МВУ:The calculation is carried out by adding to the IDL:

Вход I1=1 I2=1) 1 мкл 500 мкМ олигонуклеотида I1=5'-UGAGCCUGCUGA-3' в воде +1 мкл 500 мкМ олигонуклеотида I2=5'-AUGCGACCUCGG-3' в воде. Вход I1=0 I2=1) 1 мкл воды +1 мкл 500 мкМ олигонуклеотида I1 в воде. Вход I1=1 I2=0) 1 мкл 500 мкМ олигонуклеотида I2 в воде +1 мкл воды. Вход I1=0 I2=0) 2 мкл воды.Input I1 = 1 I2 = 1) 1 μL of 500 μM oligonucleotide I1 = 5'-UGAGCCUGCUGA-3 'in water +1 μL of 500 μM oligonucleotide I2 = 5'-AUGCGACCUCGG-3' in water. Input I1 = 0 I2 = 1) 1 μl water +1 μl 500 μM oligonucleotide I1 in water. Input I1 = 1 I2 = 0) 1 μl 500 μM oligonucleotide I2 in water +1 μl water. Input I1 = 0 I2 = 0) 2 μl water.

Инкубируют 6 часов при +30 градусах С и детектируют флуоресценцию синтезированного GFP. Полученные результаты:Incubate for 6 hours at +30 degrees C and detect the fluorescence of the synthesized GFP. Results:

i) ВХОД I1=0 I2=0 - Сигнал 42±2 RFU (относительных единиц флуоресценции),i) INPUT I1 = 0 I2 = 0 - Signal 42 ± 2 RFU (relative fluorescence units),

i) ВХОД I1=0 I2=1 - Сигнал 65±4 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT I1 = 0 I2 = 1 - Signal 65 ± 4 RFU (relative fluorescence units).

i) ВХОД I1=1 I2=0 - Сигнал 59±3 RFU (относительных единиц флуоресценции),i) INPUT I1 = 1 I2 = 0 - Signal 59 ± 3 RFU (relative fluorescence units),

i) ВХОД I1=1 I2=1 - Сигнал 100±3 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT I1 = 1 I2 = 1 - Signal 100 ± 3 RFU (relative fluorescence units).

Граница (true/false) = (100+42)=71, поэтому МВУ действительно управляет экспрессией гена согласно логическому И.Boundary (true / false) = (100 + 42) = 71, so the IDL actually drives gene expression according to logical AND.

Аффинность олигонуклеотидов данного МВУ представлена как концентрация комплекса двух олигонуклеотидов (в мкМ) при их смешении в тотальной концентрации 1 мкМ (рассчитаны с помощью NUPACK при 25°С). При необходимости эти значения могут быть легко переведены в константу диссоциации, как показано в описании выше (в качестве S для расчетов используется таргетная последовательность мРНК гена - AGGCGCCCГGAC):The affinity of oligonucleotides of a given MVU is presented as the concentration of a complex of two oligonucleotides (in μM) when they are mixed at a total concentration of 1 μM (calculated using NUPACK at 25 ° C). If necessary, these values can be easily converted into a dissociation constant, as shown in the description above (as S for calculations, the target mRNA sequence of the gene is used - AGGCGCCCGGAC):

Figure 00000021
Figure 00000021

Уровень паразитной аффинности: 0.05 (которое соответствует Kd~10-5 М, если олигонуклеотиды сами по себе не образуют многомеры).Parasitic affinity level: 0.05 (which corresponds to Kd ~ 10 -5 M if oligonucleotides do not form multidimensional units by themselves).

Пример 22) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующее логическую функцию ИЛИ для контроля экспрессии гена.Example 22) Molecular computing device (MVD) that implements a logical OR function to control gene expression.

Бинарным входом системы является наличие РНК олигонуклеотида In (n=1, 2; добавление к раствору In=1; недобавление =0). Бинарной мерой результата вычисления (выход) является количество синтезированного белка в растворе внеклеточной экспрессии. Данный пример показывает работоспособность МВУ для контроля экспрессии GFP, поэтому выходной сигнал регистрируется по флуоресценции GFP.The binary input of the system is the presence of the RNA oligonucleotide In (n = 1, 2; addition to the solution In = 1; non-addition = 0). A binary measure of the calculation result (yield) is the amount of synthesized protein in the extracellular expression solution. This example demonstrates the performance of the IDM to control GFP expression, so the output signal is recorded by GFP fluorescence.

МВУ представляет из себя раствор:IDL is a solution:

20 мкл смеси компонент системы внеклеточного синтеза 1-Step Human Coupled IVT Kit - DNA (Thermo Scientific™, США, каталожный номер 88881) с плазмидой, содержащей ген GFP (поставляется в комплекте) согласно рекомендациям производителя (но с разбавлением водой в 2 раза);20 μl of a mixture of the components of the 1-Step Human Coupled IVT Kit - DNA (Thermo Scientific ™, USA, catalog number 88881) with a plasmid containing the GFP gene (supplied in the kit) according to the manufacturer's recommendations (but with a 2-fold dilution with water) ;

+1 мкл 50 мкМ олигонуклеотида Q1=5'-UUCAGGGGCUCU-3' в воде;+1 μl of 50 μM oligonucleotide Q1 = 5'-UUCAGGGGCUCU-3 'in water;

Вычисление проводят добавляя к МВУ:The calculation is carried out by adding to the IDL:

Вход I1=1 I2=1) 1 мкл 500 мкМ олигонуклеотида I1=5'-UGAGCCUGCUGA-3' в воде +1 мкл 500 мкМ олигонуклеотида I2=5'-AGAGCCAGUGAC-3' в воде. Вход I1=0 I2=1) 1 мкл воды +1 мкл 500 мкМ олигонуклеотида I1 в воде. Вход I1=1 I2=0) 1 мкл 500 мкМ олигонуклеотида I2 в воде +1 мкл воды. Вход I1=0 I2=0) 2 мкл воды.Input I1 = 1 I2 = 1) 1 μL of 500 μM oligonucleotide I1 = 5'-UGAGCCUGCUGA-3 'in water +1 μL of 500 μM oligonucleotide I2 = 5'-AGAGCCAGUGAC-3' in water. Input I1 = 0 I2 = 1) 1 μl water +1 μl 500 μM oligonucleotide I1 in water. Input I1 = 1 I2 = 0) 1 μl 500 μM oligonucleotide I2 in water +1 μl water. Input I1 = 0 I2 = 0) 2 μl water.

Инкубируют 6 часов при +30 градусах С и детектируют флуоресценцию синтезированного GFP.Incubate for 6 hours at +30 degrees C and detect the fluorescence of the synthesized GFP.

Полученные результаты:Results:

i) ВХОД I1=0 I2=0 - Сигнал 24±4 RFU (относительных единиц флуоресценции),i) INPUT I1 = 0 I2 = 0 - Signal 24 ± 4 RFU (relative fluorescence units),

i) ВХОД I1=0 I2=1 - Сигнал 71±4 RFU (относительных единиц флуоресценции),i) INPUT I1 = 0 I2 = 1 - Signal 71 ± 4 RFU (relative fluorescence units),

i) ВХОД I1=1 I2=0 - Сигнал 75±3 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT I1 = 1 I2 = 0 - Signal 75 ± 3 RFU (relative fluorescence units).

i) ВХОД I1=1 I2=1 - Сигнал 100±4 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT I1 = 1 I2 = 1 - Signal 100 ± 4 RFU (relative fluorescence units).

Граница (true/false)=(100+24)=62, поэтому МВУ действительно управляет экспрессией гена согласно логическому ИЛИ.The border (true / false) = (100 + 24) = 62, so the IDL does indeed control gene expression according to a logical OR.

Аффинность олигонуклеотидов данного МВУ представлена как концентрация комплекса двух олигонуклеотидов (в мкМ) при их смешении в тотальной концентрации 1 мкМ (рассчитаны с помощью NUPACK при 25°С). При необходимости эти значения могут быть легко переведены в константу диссоциации как показано в описании выше (в качестве S для расчетов используется таргетная последовательность мРНК гена - AGGCGCCCГGAC):The affinity of oligonucleotides of a given MVU is presented as the concentration of a complex of two oligonucleotides (in μM) when they are mixed at a total concentration of 1 μM (calculated using NUPACK at 25 ° C). If necessary, these values can be easily converted into the dissociation constant as shown in the description above (as S for calculations, the target mRNA sequence of the gene is used - AGGCGCCCГGAC):

Figure 00000022
Figure 00000022

Уровень паразитной аффинности: 0.05 (которое соответствует Kd~10-5 М если олигонуклеотиды сами по себе не образуют многомеры).Parasitic affinity level: 0.05 (which corresponds to Kd ~ 10 -5 M if oligonucleotides do not form multidimensional units by themselves).

Пример 23) Молекулярное вычислительное устройство (МВУ), имплементирующее логическую функцию ДА, включающее ДНК-аптамер, а также белок. Бинарным входом системы является наличие олигонуклеотида I (добавление к раствору I=1; недобавление =0). Бинарной мерой результата вычисления (выход) является концентрация модельного белка лизоцима в свободной от комплекса с квенчерным олигонуклеотидом - ДНК-аптамером к лизоциму. Считывание результата вычисления производится за счет измерения флуоресценции раствора, с учетом того, что лизоцим мечен флуоресцентной меткой Су3, а аптамер Q - мечен квернчерной молекулой BHQ2, т.е. при связывании Q с белком флуоресценция Су3 тушится, что детектируется флуориметром. В качестве аптамера используется 60-нуклотидный аптамер (см. Iran DT, et al. (2010) Selection and characterization of DNA aptamers for egg white lysozyme. Molecules 15: 1127 - 1140; Zou M et al. (2012) The homogeneous fluorescence anisotropic sensing of salivary lysozyme using the 6-carboxyfluorescein-labled DNA aptamer. Biosens. Bioelectron. 32: 148-154.). Остальные нуклеотиды создаются аффинными к части аптамера: GCGGCTCACAAAACCATT.Example 23) Molecular computing device (MVD), which implements the logical function of DA, including a DNA aptamer, as well as a protein. The binary input of the system is the presence of oligonucleotide I (addition to the solution I = 1; non-addition = 0). A binary measure of the calculation result (yield) is the concentration of the model protein lysozyme in the free from the complex with the quencher oligonucleotide - the DNA aptamer to lysozyme. The calculation result is read by measuring the fluorescence of the solution, taking into account the fact that lysozyme is labeled with a fluorescent label Cy3, and aptamer Q is labeled with a querncher molecule BHQ2, i.e. upon binding of Q to a protein, the Cy3 fluorescence is quenched, which is detected by a fluorometer. A 60-nucleotide aptamer is used as an aptamer (see Iran DT, et al. (2010) Selection and characterization of DNA aptamers for egg white lysozyme. Molecules 15: 1127 - 1140; Zou M et al. (2012) The homogeneous fluorescence anisotropic sensing of salivary lysozyme using the 6-carboxyfluorescein-labeled DNA aptamer. Biosens. Bioelectron. 32: 148-154.). The rest of the nucleotides are created affine to a part of the aptamer: GCGGCTCACAAAACCATT.

МВУ представляет из себя раствор:IDL is a solution:

92 мкл буфера 25 mM Трис-HCl, 200 mM глицин, 5 мМ K2HPO4, 300 mM NaCl, рН 8.3;92 μl buffer 25 mM Tris-HCl, 200 mM glycine, 5 mM K2HPO4, 300 mM NaCl, pH 8.3;

+1 мкл меченного Су3 лизоцима (начальная концентрация 10 мкг/мл)+1 μl of Cy3-labeled lysozyme (initial concentration 10 μg / ml)

+1 мкл 100 мкМ аптамера Q, меченного по 5' концу BHQ2 (в воде);+1 μl 100 μM aptamer Q labeled at the 5 'end of BHQ2 (in water);

Вычисление проводят добавляя к МВУ:The calculation is carried out by adding to the IDL:

Вход I=1) 6 мкл 500 мкМ олигонуклеотида I=5'-AATGATTCTGGGTGCCGC -3' в воде.Input I = 1) 6 μl of 500 μM oligonucleotide I = 5'-AATGATTCTGGGTGCCGC -3 'in water.

Вход I=0) 6 мкл воды.Input I = 0) 6 μl water.

Детектируют сигнал флуоресценции метки Су3.The fluorescence signal of the Cy3 label is detected.

Полученные результаты:Results:

i) ВХОД I=1 - Сигнал 100±4 RFU (относительных единиц флуоресценции),i) INPUT I = 1 - Signal 100 ± 4 RFU (relative fluorescence units),

i) ВХОД I=0 - Сигнал 67±8 RFU (относительных единиц флуоресценции).i) INPUT I = 0 - Signal 67 ± 8 RFU (relative fluorescence units).

Аффинность олигонуклеотидов данного МВУ представлена как концентрация комплекса двух олигонуклеотидов (в мкМ) при их смешении в тотальной концентрации 1 мкМ (рассчитаны с помощью NUPACK при 25°С): I-Q=0.86. При необходимости это значение могут быть легко переведены в константу диссоциации, как показано в описании выше.The affinity of oligonucleotides of a given MVU is presented as the concentration of a complex of two oligonucleotides (in μM) when they are mixed at a total concentration of 1 μM (calculated using NUPACK at 25 ° С): I-Q = 0.86. If necessary, this value can be easily converted into a dissociation constant, as shown in the description above.

Работа предлагаемого способа иллюстрируется чертежами фиг. 1-13. и таблицами 1-2.The operation of the proposed method is illustrated by the drawings of FIG. 1-13. and tables 1-2.

Фиг 1. Традиционная парадигма комплементарных взаимодействий нуклеиновых кислот. Сверху - аффинность комплементарных молекул ДНК в зависимости от длины олигонуклеотидов (рассчитана с помощью алгоритма NUPACK). Снизу - принцип передачи и обработки информации в комплементарных взаимодействий нуклеиновых кислот (в рамках традиционной парадигмы высокоспецифичных взаимодействий).Fig 1. The traditional paradigm of complementary interactions of nucleic acids. Above - the affinity of complementary DNA molecules depending on the length of the oligonucleotides (calculated using the NUPACK algorithm). Below - the principle of transmission and processing of information in complementary interactions of nucleic acids (within the traditional paradigm of highly specific interactions).

Фиг. 2. Плотность «континуума» констант диссоциаций для ДНК длиной 10 оснований, рассчитанных с помощью алгоритма вычисления аффинности двух цепей ДНК NUPACK (unpack.org). Гистограмма показывает распределение констант взаимодействий всех 10-членных олигонуклеотидов с произвольно выбранным олигонуклеотидом GCTTATGACG.FIG. 2. Density of the "continuum" of dissociation constants for DNA with a length of 10 bases, calculated using the algorithm for calculating the affinity of two DNA strands NUPACK (unpack.org). The histogram shows the distribution of the interaction constants of all 10-membered oligonucleotides with a randomly selected GCTTATGACG oligonucleotide.

Фиг. 3. Распределение по аффинностям 10-членных олигонуклеотидов по отношению к паре олигонуклеотидов: 1 - ниже) GCTTATGACG и комплементарному ему CGTCATAAGC, либо 2) GCTTATGACG и произвольному TAGCGCAGTA. Видно, что аффинности образуют «многомерный континуум», среди которого может быть выбран олигонуклеотид с желаемой аффинностью сразу ко многим олигонуклеотидам.FIG. 3. Distribution by affinities of 10-membered oligonucleotides in relation to a pair of oligonucleotides: 1 - below) GCTTATGACG and its complementary CGTCATAAGC, or 2) GCTTATGACG and arbitrary TAGCGCAGTA. It can be seen that the affinities form a "multidimensional continuum", among which an oligonucleotide with the desired affinity for many oligonucleotides can be selected at once.

Фиг. 4. Механизм и принцип передачи и обработки информации посредством существенно-некомплементарных взаимодействий нуклеиновых кислот (в рамках данного изобретения). Система существенно-некомплементарно взаимодействующих олигонуклеотидов описывается системой уравнений взаимодействия молекул ансамбля. В самом простом случае когда могут образовываться лишь двухкомпонентные ассоциаты, а также рассматривая термодинамически равновесные системы, мы получим систему уравнений показанную на Фигуре.FIG. 4. The mechanism and principle of transmission and processing of information through essentially non-complementary interactions of nucleic acids (within the framework of this invention). The system of essentially non-complementary interacting oligonucleotides is described by a system of equations for the interaction of molecules of the ensemble. In the simplest case, when only two-component associates can be formed, and also considering thermodynamically equilibrium systems, we get the system of equations shown in the Figure.

Фиг. 5. Схема МВУ, реализующего логический вентиль ДА. Стрелки показывают олигонуклеотиды, взаимодействующие друг с другом в большей степени, чем остальные (в других парах). Отсутствие стрелок между олигонуклеотидами свидетельствует об аффинности между ними не более сильной, чем паразитная.FIG. 5. Scheme of the MVU, which implements the logic gate YES. Arrows indicate oligonucleotides that interact with each other to a greater extent than others (in other pairs). The absence of arrows between oligonucleotides indicates that the affinity between them is no stronger than the parasitic one.

Фиг. 6. Схема МВУ, реализующего логический вентиль НЕТ. Стрелки показывают олигонуклеотиды, взаимодействующие друг с другом в большей степени, чем остальные (в других парах). Отсутствие стрелок между олигонуклеотидами свидетельствует об аффинности между ними не более сильной, чем паразитная. В случае флуоресцентного считывания, сигнальный олигонуклеотид мечен флуорофором, обозначенным пустым ромбом; черным ромбом обозначен квенчер (тушащий флуоресценцию при образовании комплекса QS).FIG. 6. The scheme of the MVU, which implements the logic gate NO. Arrows indicate oligonucleotides that interact with each other to a greater extent than others (in other pairs). The absence of arrows between oligonucleotides indicates that the affinity between them is no stronger than the parasitic one. In the case of a fluorescent readout, the signal oligonucleotide is labeled with a fluorophore indicated by the empty diamond; the black rhombus denotes a quencher (quenching fluorescence during the formation of a QS complex).

Фиг. 7. Схема МВУ, реализующего логический вентиль ИЛИ. Стрелки показывают олигонуклеотиды, взаимодействующие друг с другом в большей степени, чем остальные (в других парах). Отсутствие стрелок между олигонуклеотидами свидетельствует об аффинности между ними не более сильной, чем паразитная. В случае флуоресцентного считывания, сигнальный олигонуклеотид мечен флуорофором, обозначенным пустым ромбом; черным ромбом обозначен квенчер (тушащий флуоресценцию при образовании комплекса QS).FIG. 7. The scheme of the MVU, which implements the logical gate OR. Arrows indicate oligonucleotides that interact with each other to a greater extent than others (in other pairs). The absence of arrows between oligonucleotides indicates that the affinity between them is no stronger than the parasitic one. In the case of a fluorescent readout, the signal oligonucleotide is labeled with a fluorophore indicated by the empty diamond; the black rhombus denotes a quencher (quenching fluorescence during the formation of a QS complex).

Фиг. 8. Схема МВУ, реализующего логический вентиль И. Стрелки показывают олигонуклеотиды, взаимодействующие друг с другом в большей степени, чем остальные (в других парах). Отсутствие стрелок между олигонуклеотидами свидетельствует об аффинности между ними не более сильной, чем паразитная. В случае флуоресцентного считывания, сигнальный олигонуклеотид мечен флуорофором, обозначенным пустым ромбом; черным ромбом обозначен квенчер (тушащий флуоресценцию при образовании комплекса QS).FIG. 8. Scheme of the IDL that implements the logical gate I. The arrows show oligonucleotides interacting with each other to a greater extent than the rest (in other pairs). The absence of arrows between oligonucleotides indicates that the affinity between them is no stronger than the parasitic one. In the case of a fluorescent readout, the signal oligonucleotide is labeled with a fluorophore indicated by the empty diamond; the black rhombus denotes a quencher (quenching fluorescence during the formation of a QS complex).

Фиг. 9. Схема и результаты работы МВУ, реализующего 3-битную ячейку памяти с функцией хранения и считывания. Стрелки показывают олигонуклеотиды, взаимодействующие друг с другом в большей степени, чем остальные (в других парах). Отсутствие стрелок между олигонуклеотидами свидетельствует об аффинности между ними не более сильной, чем паразитная. В случае флуоресцентного считывания, сигнальный олигонуклеотид мечен флуорофором, обозначенным пустым ромбом; черным ромбом обозначен квенчер (тушащий флуоресценцию при образовании комплекса QS).FIG. 9. Scheme and results of the operation of the MVU, which implements a 3-bit memory cell with the function of storing and reading. Arrows indicate oligonucleotides that interact with each other to a greater extent than others (in other pairs). The absence of arrows between oligonucleotides indicates that the affinity between them is no stronger than the parasitic one. In the case of a fluorescent readout, the signal oligonucleotide is labeled with a fluorophore indicated by the empty diamond; the black rhombus denotes a quencher (quenching fluorescence during the formation of a QS complex).

Фиг. 10. Схема и результаты работы МВУ, вычисляющего квадратный корень из 4-битного числа. Стрелки показывают олигонуклеотиды, взаимодействующие друг с другом в большей степени, чем остальные (в других парах). Отсутствие стрелок между олигонуклеотидами свидетельствует об аффинности между ними не более сильной, чем паразитная. В случае флуоресцентного считывания, сигнальный олигонуклеотид мечен флуорофором, обозначенным пустым ромбом; черным ромбом обозначен квенчер (тушащий флуоресценцию при образовании комплекса QS).FIG. 10. Scheme and results of the work of the MVU, which calculates the square root of a 4-bit number. Arrows indicate oligonucleotides that interact with each other to a greater extent than others (in other pairs). The absence of arrows between oligonucleotides indicates that the affinity between them is no stronger than the parasitic one. In the case of a fluorescent readout, the signal oligonucleotide is labeled with a fluorophore indicated by the empty diamond; the black rhombus denotes a quencher (quenching fluorescence during the formation of a QS complex).

Фиг. 11. Результаты МВУ, реализующего логический вентиль 500-битный логический вентиль И (сверху) и оценка работоспособности гейта на основании анализа работы 100-, 200-, 300- и 500-битных логических вентилей И. Выходной сигнал - это доля S в свободной молекулярной форме.FIG. 11. Results of the MVG implementing the logic gate 500-bit logic gate AND (top) and the assessment of the gate performance based on the analysis of the operation of 100-, 200-, 300-, and 500-bit logic gates I. The output signal is the fraction of S in the free molecular form.

Фиг. 12. Результаты вычислений МВУ, решающих задачи элементарной алгебры.FIG. 12. The results of calculating the MVU, solving problems of elementary algebra.

Фиг. 13. Результаты вычислений МВУ, решающее уравнение -0.25*x2=sin(πx/2).FIG. 13. The results of calculating the IDL, the solving equation -0.25 * x 2 = sin (πx / 2).

Таблица 1. Список олигонуклеотидов, входящих в состав МВУ, реализующего 500-битный логический вентиль И.Table 1. List of oligonucleotides that are part of the MVU that implements the 500-bit logical gate I.

Таблица 2. Список олигонуклеотидов, входящих в состав МВУ, решающих задачи элементарной алгебры.Table 2. List of oligonucleotides that are part of the IDU, solving problems of elementary algebra.

Молекулярное вычислительное устройство на основе существенно-некомплементарных одноцепочечных нуклеиновых кислот с низкой аффинностью друг к другу (варианты)Molecular computing device based on substantially non-complementary single-stranded nucleic acids with low affinity to each other (variants)

Figure 00000023
Figure 00000023

Молекулярное вычислительное устройство на основе существенно-некомплементарньгх одноцепочечных нуклеиновых кислот с низкой аффинностью друг к другу (варианты)Molecular computing device based on essentially non-complementary single-stranded nucleic acids with low affinity to each other (variants)

Figure 00000024
Figure 00000024

Молекулярное вычислительное устройство на основе существенно-некомплементарных одноцепочечных нуклеиновых кислот с низкой аффинностью друг к другу (варианты)Molecular computing device based on substantially non-complementary single-stranded nucleic acids with low affinity to each other (variants)

Figure 00000025
Figure 00000025

Молекулярное вычислительное устройство на основе существенно-некомплементарных одноцепочечных нуклеиновых кислот с низкой аффинностью друг к другу (варианты)Molecular computing device based on substantially non-complementary single-stranded nucleic acids with low affinity to each other (variants)

Figure 00000026
Figure 00000026

Молекулярное вычислительное устройство на основе существенно-некомплементарных одноцепочечных нуклеиновых кислот с низкой аффинностью друг к другу (варианты)Molecular computing device based on substantially non-complementary single-stranded nucleic acids with low affinity to each other (variants)

Figure 00000027
Figure 00000027

Молекулярное вычислительное устройство на основе существенно-некомплементарных одноцепочечных нуклеиновых кислот с низкой аффинностью друг к другу (варианты)

Figure 00000028
Molecular computing device based on substantially non-complementary single-stranded nucleic acids with low affinity to each other (variants)
Figure 00000028

Claims (117)

1. Молекулярное вычислительное устройство, включающее в себя, по крайней мере, набор одноцепочечных нуклеиновых кислот1. Molecular computing device including at least a set of single-stranded nucleic acids и для которого:and for which: численной мерой входных сигналов являются меры, связанные с входными молекулами,the numerical measure of the input signals are the measures associated with the input molecules, численной мерой выходных сигналов являются меры, связанные с выходными молекулами,the numerical measure of the output signals are the measures associated with the output molecules, входные сигналы трансформируются в выходные сигналы в результате взаимодействий между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора и выходными молекулами,input signals are transformed into output signals as a result of interactions between input molecules, said single-stranded nucleic acids of said set and output molecules, отличающееся тем, что упомянутые одноцепочечные нуклеиновые кислоты упомянутого набора имеют низкую аффинность взаимодействия между собой, такую что не менее 0.1% количества каждой из них существует в свободной молекулярной форме, а не входит в состав комплексов с другими молекулами.characterized in that the said single-stranded nucleic acids of the said set have a low affinity of interaction with each other, such that at least 0.1% of the amount of each of them exists in free molecular form, and is not included in complexes with other molecules. 2. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором упомянутыми выходными молекулами являются одноцепочечные нуклеиновые кислоты.2. The molecular computing device of claim 1, wherein said output molecules are single stranded nucleic acids. 3. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором упомянутыми выходными молекулами являются одноцепочечные нуклеиновые кислоты упомянутого набора.3. The molecular computing device of claim 1, wherein said output molecules are single stranded nucleic acids of said set. 4. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором упомянутыми выходными молекулами являются мРНК.4. The molecular computing device of claim 1, wherein said output molecules are mRNA. 5. Молекулярное вычислительное устройство по п.4, в котором упомянутая мера выходного сигнала связана с уровнем экспрессии гена, кодируемой упомянутой мРНК.5. The molecular computing device of claim 4, wherein said measure of output is related to the level of gene expression encoded by said mRNA. 6. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором упомянутыми выходными молекулами являются белки.6. The molecular computing device of claim 1, wherein said output molecules are proteins. 7. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором упомянутыми входными молекулами являются одноцепочечные нуклеиновые кислоты.7. The molecular computing device of claim 1, wherein said input molecules are single stranded nucleic acids. 8. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором упомянутыми входными молекулами являются одноцепочечные нуклеиновые кислоты упомянутого набора.8. The molecular computing device of claim 1, wherein said input molecules are single stranded nucleic acids of said set. 9. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором упомянутыми входными молекулами являются мРНК.9. The molecular computing device of claim 1, wherein said input molecules are mRNA. 10. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором упомянутыми входными молекулами являются белки.10. The molecular computing device of claim 1, wherein said input molecules are proteins. 11. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором упомянутые нуклеиновые кислоты упомянутого набора являются ДНК.11. The molecular computing device of claim 1, wherein said nucleic acids of said set are DNA. 12. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором упомянутые нуклеиновые кислоты упомянутого набора являются РНК.12. The molecular computing device of claim 1, wherein said nucleic acids of said set are RNA. 13. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором упомянутые нуклеиновые кислоты упомянутого набора являются олигонуклеотидами.13. The molecular computing device of claim 1, wherein said nucleic acids of said set are oligonucleotides. 14. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором численная мера входного сигнала соотносится с тотальной концентрацией входной молекулы.14. The molecular computing device of claim 1, wherein the numerical measure of the input signal is related to the total concentration of the input molecule. 15. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором численная мера входного сигнала соотносится с тотальной массой входной молекулы.15. The molecular computing device of claim 1, wherein the numerical measure of the input signal is related to the total mass of the input molecule. 16. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором численная мера выходного сигнала соотносится с тотальной концентрацией выходной молекулы в свободной молекулярной форме.16. The molecular computing device of claim 1, wherein the numerical measure of the output signal is related to the total concentration of the output molecule in free molecular form. 17. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором численная мера выходного сигнала соотносится с массой выходной молекулы в свободной молекулярной форме.17. The molecular computing device of claim 1, wherein the numerical measure of the output signal is related to the mass of the output molecule in free molecular form. 18. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором численная мера выходного сигнала соотносится с концентрацией комплекса, образованного выходной молекулой с нуклеиновыми кислотами упомянутого набора.18. The molecular computing device of claim 1, wherein the numerical measure of the output signal is related to the concentration of the complex formed by the output molecule with the nucleic acids of said set. 19. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором численная мера выходного сигнала соотносится с концентрацией комплексов, образованных выходными молекулами с нуклеиновыми кислотами упомянутого набора.19. The molecular computing device of claim 1, wherein the numerical measure of the output signal is related to the concentration of the complexes formed by the output molecules with the nucleic acids of said set. 20. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором упомянутая мера выходного сигнала является уровнем экспрессии гена, кодируемого одноцепочечной нуклеиновой кислотой упомянутого набора, являющейся выходной молекулой.20. The molecular computing device of claim 1, wherein said measure of output is the level of expression of a gene encoded by a single-stranded nucleic acid of said set, which is an output molecule. 21. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором упомянутая численная мера выходного сигнала классифицируется как булевое значение «0/1» в результате сравнения с пороговым значением: если сигнал меньше порогового значения, тогда выход равен 0, если больше порогового значения, тогда выход равен 1.21. The molecular computing device of claim 1, wherein said numerical measure of the output signal is classified as a boolean value "0/1" as a result of comparison with a threshold value: if the signal is less than the threshold value, then the output is 0, if it is greater than the threshold value, then the output is 1. 22. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, в котором трансформация входных сигналов в выходные сигналы происходит в результате смещения равновесия комплексообразования между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора и выходными молекулами, в результате чего меняется упомянутая численная мера выходных сигналов.22. The molecular computing device of claim 1, wherein the transformation of the input signals into output signals occurs as a result of a shift in the complexation equilibrium between the input molecules, said single-stranded nucleic acids of said set and output molecules, as a result of which said numerical measure of the output signals changes. 23. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутые одноцепочечные нуклеиновые кислоты упомянутого набора имеют низкую аффинность взаимодействия между собой, такую что не менее 0.2% количества каждой из них существует в свободной молекулярной форме, а не входит в состав комплексов с другими молекулами.23. Molecular computing device according to claim 1, characterized in that said single-stranded nucleic acids of said set have a low affinity of interaction with each other, such that at least 0.2% of the amount of each of them exists in free molecular form, and is not included in complexes with other molecules. 24. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутые одноцепочечные нуклеиновые кислоты упомянутого набора имеют низкую аффинность взаимодействия между собой, такую что не менее 1% количества каждой из них существует в свободной молекулярной форме, а не входит в состав комплексов с другими молекулами.24. Molecular computing device according to claim 1, characterized in that said single-stranded nucleic acids of said set have a low affinity of interaction with each other, such that at least 1% of the amount of each of them exists in free molecular form, and is not included in complexes with other molecules. 25. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутые одноцепочечные нуклеиновые кислоты упомянутого набора имеют низкую аффинность взаимодействия между собой, такую что не менее 5% количества каждой из них существует в свободной молекулярной форме, а не входит в состав комплексов с другими молекулами. 25. Molecular computing device according to claim 1, characterized in that said single-stranded nucleic acids of said set have a low affinity of interaction with each other, such that at least 5% of the amount of each of them exists in free molecular form, and is not included in complexes with other molecules. 26. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью трансформирования двоичных входных сигналов в выходные сигналы согласно функции булевой алгебры.26. The molecular computing device according to claim 1, characterized in that it is configured to transform binary input signals into output signals according to a Boolean algebra function. 27. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью трансформирования непрерывного входного сигнала в непрерывный выходной сигнал согласно правилу элементарной алгебры.27. Molecular computing device according to claim 1, characterized in that it is configured to transform a continuous input signal into a continuous output signal according to the rule of elementary algebra. 28. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью преобразования входного сигнала в выходной согласно правилу логического ДА28. Molecular computing device according to claim 1, characterized in that it is configured to convert the input signal into the output signal according to the logical YES rule и которое состоит из: and which consists of: выходного олигонуклеотида,output oligonucleotide, входного олигонуклеотида, причем его присутствие соответствует логическому входу равному 1, а отсутствие соответствует логическому входу равному 0,input oligonucleotide, and its presence corresponds to a logical input equal to 1, and its absence corresponds to a logical input equal to 0, обрабатывающего олигонуклеотида, причемprocessing oligonucleotide, and обрабатывающий олигонуклеотид связывается с выходным олигонуклеотидом в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1 и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1 и не более 50% выходного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме,the processing oligonucleotide binds to the output oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that no less than 0.1 and no more than 50% of the processing oligonucleotide and no less than 0.1 and no more than 50% of the output oligonucleotide is in free molecular form, для входного олигонуклеотида: обрабатывающий олигонуклеотид связывается с ним в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1 и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1 и не более 50% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме,for the input oligonucleotide: the processing oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides so that no less than 0.1 and no more than 50% of the processing oligonucleotide and no less than 0.1 and no more than 50% of the said input oligonucleotide is in free molecular form, для входного олигонуклеотида: выходной олигонуклеотид связывается с ним в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 90% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 90% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, при этомfor the input oligonucleotide: the output oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of the processing oligonucleotide and at least 90% of the said input oligonucleotide is in free molecular form, while молекулярное вычислительное устройство выполнено с возможностью считывания результата вычисления после добавления входных олигонуклеотидов в раствор, содержащий выходной и обрабатывающий нуклеотиды, как количество выходного олигонуклеотида в свободной молекулярной форме.the molecular computing device is configured to read the result of the calculation after adding the input oligonucleotides to the solution containing the output and processing nucleotides as the amount of the output oligonucleotide in free molecular form. 29. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью преобразования входного сигнала в выходной согласно правилу логического НЕ 29. Molecular computing device according to claim 1, characterized in that it is configured to convert the input signal into the output according to the logical NOT rule и которое состоит из: and which consists of: выходного олигонуклеотида,output oligonucleotide, входного олигонуклеотида, причем его присутствие соответствует логическому входу равному 1, а отсутствие соответствует логическому входу равному 0,input oligonucleotide, and its presence corresponds to a logical input equal to 1, and its absence corresponds to a logical input equal to 0, обрабатывающего олигонуклеотида А, processing oligonucleotide A, обрабатывающего олигонуклеотида В, причемprocessing oligonucleotide B, and обрабатывающий олигонуклеотид А связывается с выходным олигонуклеотидом в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1 и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1 и не более 50% выходного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме,processing oligonucleotide A binds to the output oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that no less than 0.1 and no more than 50% of the processing oligonucleotide and no less than 0.1 and no more than 50% of the output oligonucleotide is in free molecular form, обрабатывающий олигонуклеотид В связывается с обрабатывающим олигонуклеотидом А в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1 и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида А и не менее 0.1 и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида В находится в свободной молекулярной форме,processing oligonucleotide B binds to processing oligonucleotide A in the absence of other oligonucleotides so that no less than 0.1 and no more than 50% of processing oligonucleotide A and no less than 0.1 and no more than 50% of processing oligonucleotide B is in free molecular form, для входного олигонуклеотида: обрабатывающий олигонуклеотид В связывается с ним в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1 и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида В и не менее 0.1 и не более 50% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме,for the input oligonucleotide: the processing oligonucleotide B binds to it in the absence of other oligonucleotides so that no less than 0.1 and no more than 50% of the processing oligonucleotide B and no less than 0.1 and no more than 50% of the said input oligonucleotide is in free molecular form, для входного олигонуклеотида: выходной олигонуклеотид связывается с ним в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 90% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 90% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме,for the input oligonucleotide: the output oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of the processing oligonucleotide and at least 90% of the said input oligonucleotide are in free molecular form, для входного олигонуклеотида: обрабатывающий олигонуклеотид А связывается с ним в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 90% обрабатывающего олигонуклеотида А и не менее 90% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме,for the input oligonucleotide: the processing oligonucleotide A binds to it in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of the processing oligonucleotide A and at least 90% of the said input oligonucleotide is in free molecular form, для обрабатывающего олигонуклеотида В: выходной олигонуклеотид связывается с ним в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 90% обрабатывающего олигонуклеотида В и не менее 90% упомянутого выходного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, при этомfor processing oligonucleotide B: the output oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of the processing oligonucleotide B and at least 90% of said output oligonucleotide is in free molecular form, while молекулярное вычислительное устройство выполнено с возможностью считывания результата вычисления после добавления входных олигонуклеотидов в раствор, содержащий выходной и обрабатывающий нуклеотиды, как количество выходного олигонуклеотида в свободной молекулярной форме.the molecular computing device is configured to read the result of the calculation after adding the input oligonucleotides to the solution containing the output and processing nucleotides as the amount of the output oligonucleotide in free molecular form. 30. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью преобразования входного сигнала в выходной согласно правилу логического ИЛИ 30. Molecular computing device according to claim 1, characterized in that it is configured to convert the input signal into the output signal according to the logical OR rule и которое состоит из: and which consists of: выходного олигонуклеотида,output oligonucleotide, входных олигонуклеотидов, причем присутствие каждого из которых соответствует логическому входу равному 1, а отсутствие соответствует логическому входу равному 0,input oligonucleotides, the presence of each of which corresponds to a logical input equal to 1, and the absence corresponds to a logical input equal to 0, обрабатывающего олигонуклеотида, причемprocessing oligonucleotide, and обрабатывающий олигонуклеотид связывается с выходным олигонуклеотидом в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1 и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1 и не более 50% выходного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме,the processing oligonucleotide binds to the output oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that no less than 0.1 and no more than 50% of the processing oligonucleotide and no less than 0.1 and no more than 50% of the output oligonucleotide is in free molecular form, для каждого входного олигонуклеотида: обрабатывающий олигонуклеотид связывается с ним в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1 и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1 и не более 50% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме,for each input oligonucleotide: the processing oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides so that no less than 0.1 and no more than 50% of the processing oligonucleotide and no less than 0.1 and no more than 50% of the said input oligonucleotide is in free molecular form, для каждого входного олигонуклеотида.: выходной олигонуклеотид связывается с ним в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 90% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 90% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме,for each input oligonucleotide: the output oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of the processing oligonucleotide and at least 90% of said input oligonucleotide is in free molecular form, для каждого входного олигонуклеотида: каждый из остальных входных олигонуклеотидов связывается с ним в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 90% каждого из этих двух олигонуклеотидов находится в свободной молекулярной форме, при этомfor each input oligonucleotide: each of the other input oligonucleotides binds to it in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of each of these two oligonucleotides is in free molecular form, while молекулярное вычислительное устройство выполнено с возможностью считывания результата вычисления после добавления входных олигонуклеотидов в раствор, содержащий выходной и обрабатывающий нуклеотиды, как количество выходного олигонуклеотида в свободной молекулярной форме.the molecular computing device is configured to read the result of the calculation after adding the input oligonucleotides to the solution containing the output and processing nucleotides as the amount of the output oligonucleotide in free molecular form. 31. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью преобразования входного сигнала в выходной согласно правилу логического И 31. Molecular computing device according to claim 1, characterized in that it is configured to convert the input signal into the output signal according to the logical AND rule и которое состоит из: and which consists of: выходного олигонуклеотида,output oligonucleotide, входных олигонуклеотидов, причем присутствие каждого из которых соответствует логическому входу равному 1, а отсутствие соответствует логическому входу равному 0,input oligonucleotides, the presence of each of which corresponds to a logical input equal to 1, and the absence corresponds to a logical input equal to 0, обрабатывающих олигонуклеотидов, каждый из которых соответствует одному и только одному входному олигонуклеотиду, причемprocessing oligonucleotides, each of which corresponds to one and only one input oligonucleotide, and каждый обрабатывающий олигонуклеотид связывается с выходным олигонуклеотидом в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1 и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1 и не более 50% выходного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме,each processing oligonucleotide binds to the output oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that no less than 0.1 and no more than 50% of the processing oligonucleotide and no less than 0.1 and no more than 50% of the output oligonucleotide is in free molecular form, для каждого входного олигонуклеотида: соответствующий ему обрабатывающий олигонуклеотид связывается с ним в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1 и не более 50% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 0.1 и не более 50% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме,for each input oligonucleotide: the corresponding processing oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides so that no less than 0.1 and no more than 50% of the processing oligonucleotide and no less than 0.1 and no more than 50% of the said input oligonucleotide is in free molecular form, для каждого входного олигонуклеотида: выходной олигонуклеотид связывается с ним в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 90% обрабатывающего олигонуклеотида и не менее 90% упомянутого входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме,for each input oligonucleotide: the output oligonucleotide binds to it in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of the processing oligonucleotide and at least 90% of the said input oligonucleotide are in free molecular form, для каждого входного олигонуклеотида: каждый из остальных входных олигонуклеотидов связывается с ним в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 90% каждого из этих двух олигонуклеотидов находится в свободной молекулярной форме, при этомfor each input oligonucleotide: each of the other input oligonucleotides binds to it in the absence of other oligonucleotides so that at least 90% of each of these two oligonucleotides is in free molecular form, while молекулярное вычислительное устройство выполнено с возможностью считывания результата вычисления после добавления входных олигонуклеотидов в раствор, содержащий выходной и обрабатывающий нуклеотиды, как количество выходного олигонуклеотида в свободной молекулярной форме.the molecular computing device is configured to read the result of the calculation after adding the input oligonucleotides to the solution containing the output and processing nucleotides as the amount of the output oligonucleotide in free molecular form. 32. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью преобразования входного сигнала в выходной согласно функции булевой алгебры F32. Molecular computing device according to claim 1, characterized in that it is configured to convert the input signal into the output according to the function of Boolean algebra F и которое функционирует за счет комбинации молекулярных вычислительных устройств по пп. 28-31, реализующих соответствующие функции ДА, НЕ, И, ИЛИ,and which functions by a combination of molecular computing devices according to claims. 28-31, implementing the corresponding functions YES, NOT, AND, OR, в котором ставят в соответствие выходные олигонуклеотиды одних молекулярных вычислительных устройств упомянутой комбинации входным олигонуклеотидам других молекулярных вычислительных устройств упомянутой комбинации согласно разложению функции F по полной системе функций ДА, НЕ, И, ИЛИ.in which the output oligonucleotides of some molecular computing devices of the mentioned combination are associated with the input oligonucleotides of other molecular computing devices of the mentioned combination according to the expansion of the function F in terms of the complete system of functions YES, NOT, AND, OR. 33. Молекулярное вычислительное устройство по п.32, отличающееся тем, что выполнено с возможностью смешивания всех упомянутых олигонуклеотидов упомянутой комбинации молекулярных вычислительных устройств в одном растворе,33. A molecular computing device according to claim 32, characterized in that it is configured to mix all said oligonucleotides of said combination of molecular computing devices in one solution, при этом молекулярное вычислительное устройство выполнено с возможностью считывания результата вычисления после добавления в упомянутый раствор входных олигонуклеотидов, которые соответствуют аргументам упомянутой функции F, как количество выходного олигонуклеотида, который соответствует внешней функции для функции F, в свободной молекулярной форме.wherein the molecular computing device is configured to read the result of the calculation after adding to said solution input oligonucleotides that correspond to the arguments of said function F, as the amount of output oligonucleotide that corresponds to an external function for function F, in free molecular form. 34. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью преобразования входных сигналов в выходной сигнал согласно функции с непрерывно меняющимися аргументами.34. Molecular computing device according to claim 1, characterized in that it is configured to convert input signals into an output signal according to a function with continuously changing arguments. 35. Молекулярное вычислительное устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью преобразования входного сигнала X в выходной сигнал Y согласно функции Y=F(x) с непрерывно меняющимся аргументом X35. Molecular computing device according to claim 1, characterized in that it is configured to convert the input signal X into the output signal Y according to the function Y = F (x) with a continuously changing argument X и которое состоит из: and which consists of: выходного олигонуклеотида,output oligonucleotide, входного олигонуклеотида, причем его тотальная концентрация соответствует значению X,input oligonucleotide, and its total concentration corresponds to the value of X, обрабатывающих олигонуклеотидов, причемprocessing oligonucleotides, and обрабатывающие олигонуклеотиды связываются с выходным олигонуклеотидом в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1 и не более 90% выходного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме,processing oligonucleotides bind to the output oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that no less than 0.1 and no more than 90% of the output oligonucleotide is in free molecular form, обрабатывающие олигонуклеотиды связываются с входным олигонуклеотидом в отсутствие других олигонуклеотидов так, что не менее 0.1 и не более 90% входного олигонуклеотида находится в свободной молекулярной форме, при этомprocessing oligonucleotides bind to the input oligonucleotide in the absence of other oligonucleotides so that no less than 0.1 and no more than 90% of the input oligonucleotide is in free molecular form, while результату вычисления Y ставят в соответствие количество выходного олигонуклеотида в свободной молекулярной форме.the result of the calculation of Y is associated with the amount of the output oligonucleotide in free molecular form. 36. Молекулярное вычислительное устройство, включающее в себя, по крайней мере, набор одноцепочечных нуклеиновых кислот36. Molecular computing device, including at least a set of single-stranded nucleic acids и для которого:and for which: численной мерой входных сигналов являются меры, связанные с входными молекулами,the numerical measure of the input signals are the measures associated with the input molecules, численной мерой выходных сигналов являются меры, связанные с выходными молекулами,the numerical measure of the output signals are the measures associated with the output molecules, входные сигналы трансформируются в выходные сигналы в результате взаимодействий между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора и выходными молекулами,input signals are transformed into output signals as a result of interactions between input molecules, said single-stranded nucleic acids of said set and output molecules, причем тотальная концентрация каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты превышает значение константы диссоциации комплексов, образованных данной одноцепочечной нуклеиновой кислотой и другими одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, не более чем в 100000 раз.moreover, the total concentration of each said single-stranded nucleic acid exceeds the value of the dissociation constant of the complexes formed by this single-stranded nucleic acid and other single-stranded nucleic acids of the said set by no more than 100,000 times. 37. Молекулярное вычислительное устройство по п.36, в котором тотальная концентрация каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты превышает значение константы диссоциации комплексов, образованных данной одноцепочечной нуклеиновой кислотой и другими одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, не более чем в 10000 раз. 37. The molecular computing device according to claim 36, wherein the total concentration of each said single-stranded nucleic acid exceeds the value of the dissociation constant of the complexes formed by this single-stranded nucleic acid and other single-stranded nucleic acids of said set by no more than 10,000 times. 38. Молекулярное вычислительное устройство по п.36, в котором тотальная концентрация каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты превышает значение константы диссоциации комплексов, образованных данной одноцепочечной нуклеиновой кислотой и другими одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, не более чем в 1000 раз. 38. The molecular computing device according to claim 36, wherein the total concentration of each said single-stranded nucleic acid exceeds the value of the dissociation constant of the complexes formed by this single-stranded nucleic acid and other single-stranded nucleic acids of said set by no more than 1000 times. 39. Молекулярное вычислительное устройство по п.36, в котором тотальная концентрация каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты превышает значение константы диссоциации комплексов, образованных данной одноцепочечной нуклеиновой кислотой и другими одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, не более чем в 100 раз.39. A molecular computing device according to claim 36, wherein the total concentration of each said single-stranded nucleic acid exceeds the value of the dissociation constant of the complexes formed by this single-stranded nucleic acid and other single-stranded nucleic acids of said set by no more than 100 times. 40. Молекулярное вычислительное устройство по п.36, в котором тотальная концентрация каждой упомянутой одноцепочечной нуклеиновой кислоты превышает значение константы диссоциации комплексов, образованных данной одноцепочечной нуклеиновой кислотой и другими одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора, не более чем в 10 раз. 40. A molecular computing device according to claim 36, wherein the total concentration of each said single-stranded nucleic acid exceeds the value of the dissociation constant of the complexes formed by this single-stranded nucleic acid and other single-stranded nucleic acids of said set by no more than 10 times. 41. Молекулярное вычислительное устройство, включающее в себя, по крайней мере, набор одноцепочечных нуклеиновых кислот41. Molecular computing device including at least a set of single-stranded nucleic acids и для которого:and for which: численной мерой входных сигналов являются меры, связанные с входными молекулами,the numerical measure of the input signals are the measures associated with the input molecules, численной мерой выходных сигналов являются меры, связанные с выходными молекулами,the numerical measure of the output signals are the measures associated with the output molecules, входные сигналы трансформируются в выходные сигналы в результате взаимодействий между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора и выходными молекулами,input signals are transformed into output signals as a result of interactions between input molecules, said single-stranded nucleic acids of said set and output molecules, отличающееся тем, что упомянутые взаимодействия между одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора являются обратимым связыванием не полностью комплементарных между одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора,characterized in that said interactions between single-stranded nucleic acids of said set are reversible binding of incompletely complementary ones between single-stranded nucleic acids of said set, причем таких, что для любых двух одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора длина наиболее протяженного связного участка их взаимной комплементарности не превышает 10 оснований.moreover, such that for any two single-stranded nucleic acids of the mentioned set, the length of the most extended connected region of their mutual complementarity does not exceed 10 bases. 42. Молекулярное вычислительное устройство по п.41, в котором для любых двух одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора длина наиболее протяженного связного участка их взаимной комплементарности не превышает 9 оснований.42. The molecular computing device of claim 41, wherein for any two single-stranded nucleic acids of said set, the length of the longest connected portion of their mutual complementarity does not exceed 9 bases. 43. Молекулярное вычислительное устройство по п.41, в котором для любых двух одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора длина наиболее протяженного связного участка их взаимной комплементарности не превышает 8 оснований.43. A molecular computing device according to claim 41, wherein for any two single-stranded nucleic acids of said set, the length of the longest connected portion of their mutual complementarity does not exceed 8 bases. 44. Молекулярное вычислительное устройство по п.41, в котором для любых двух одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора длина наиболее протяженного связного участка их взаимной комплементарности не превышает 7 оснований.44. The molecular computing device of claim 41, wherein for any two single-stranded nucleic acids of said set, the length of the longest connected portion of their mutual complementarity does not exceed 7 bases. 45. Молекулярное вычислительное устройство по п.41, в котором для любых двух одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора длина наиболее протяженного связного участка их взаимной комплементарности не превышает 6 оснований.45. The molecular computing device of claim 41, wherein for any two single-stranded nucleic acids of said set, the length of the longest connected portion of their mutual complementarity does not exceed 6 bases. 46. Молекулярное вычислительное устройство по п.41, в котором для любых двух одноцепочечных нуклеиновых кислот упомянутого набора длина наиболее протяженного связного участка их взаимной комплементарности не превышает 5 оснований.46. A molecular computing device according to claim 41, wherein for any two single-stranded nucleic acids of said set, the length of the longest connected portion of their mutual complementarity does not exceed 5 bases. 47. Способ проведения вычислений с помощью молекулярного вычислительного устройства по пп.1-46, включающий в себя следующие шаги:47. A method for performing computations using a molecular computing device according to claims 1-46, including the following steps: выбор упомянутого набора одноцепочечных нуклеиновых кислот,selection of said set of single-stranded nucleic acids, смешение упомянутого набора с упомянутыми входными молекулами и упомянутыми выходными молекулами, если они не являются частью упомянутого набора,mixing said set with said input molecules and said output molecules if they are not part of said set, инкубация смеси для обеспечения взаимодействий между входными молекулами, упомянутыми одноцепочечными нуклеиновыми кислотами упомянутого набора и упомянутыми выходными молекулами и трансформации входных сигналов в выходные в результате упомянутых взаимодействий,incubating the mixture to ensure interactions between the input molecules, said single-stranded nucleic acids of said set and said output molecules, and transforming input signals into outputs as a result of said interactions, регистрация упомянутого выходного сигнала как результата вычисления.registering said output signal as a computation result. 48. Фармацевтическая формуляция, предназначенная для регуляции экспрессии гена, содержащая молекулярные вычислительные устройства по пп.1, 36, 41.48. A pharmaceutical formulation designed to regulate gene expression, comprising molecular computing devices according to claims 1, 36, 41. 49. Применение фармацевтической формуляции по п.48 для регуляции экспрессии гена в терапевтических целях.49. Use of a pharmaceutical formulation according to claim 48 for regulating gene expression for therapeutic purposes.
RU2019145384A 2019-12-31 2019-12-31 Molecular computing device based on essentially non-complementary single-stranded nucleic acids with low affinity to each other (options) RU2756476C2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019145384A RU2756476C2 (en) 2019-12-31 2019-12-31 Molecular computing device based on essentially non-complementary single-stranded nucleic acids with low affinity to each other (options)
PCT/RU2020/050402 WO2021137740A2 (en) 2019-12-31 2020-12-29 Molecular computing device based on essentially non-complementary single stranded nucleic acids with low mutual affinity

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019145384A RU2756476C2 (en) 2019-12-31 2019-12-31 Molecular computing device based on essentially non-complementary single-stranded nucleic acids with low affinity to each other (options)

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2019145384A3 RU2019145384A3 (en) 2021-06-30
RU2019145384A RU2019145384A (en) 2021-06-30
RU2756476C2 true RU2756476C2 (en) 2021-09-30

Family

ID=76687189

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019145384A RU2756476C2 (en) 2019-12-31 2019-12-31 Molecular computing device based on essentially non-complementary single-stranded nucleic acids with low affinity to each other (options)

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2756476C2 (en)
WO (1) WO2021137740A2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070072215A1 (en) * 2005-07-21 2007-03-29 The California Institute Of Technology Nucleic acid-based logic circuits
US20090098561A1 (en) * 2007-09-12 2009-04-16 California Institute Of Technology Higher-order cellular information processing devices
US20130065257A1 (en) * 2010-03-16 2013-03-14 Joseph Wang Enzyme-logic biosensing
RU2491631C1 (en) * 2012-04-02 2013-08-27 Максим Петрович Никитин Biomolecule-based logic element system (versions)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6774222B1 (en) * 1998-02-20 2004-08-10 The United States Of America As Represented By The Department Of Health And Human Services Molecular computing elements, gates and flip-flops
JP2002508161A (en) * 1998-02-20 2002-03-19 アメリカ合衆国 Molecular Computing Device: Gate and flip-flop

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070072215A1 (en) * 2005-07-21 2007-03-29 The California Institute Of Technology Nucleic acid-based logic circuits
US20090098561A1 (en) * 2007-09-12 2009-04-16 California Institute Of Technology Higher-order cellular information processing devices
US20130065257A1 (en) * 2010-03-16 2013-03-14 Joseph Wang Enzyme-logic biosensing
RU2491631C1 (en) * 2012-04-02 2013-08-27 Максим Петрович Никитин Biomolecule-based logic element system (versions)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2019145384A3 (en) 2021-06-30
WO2021137740A3 (en) 2021-08-12
WO2021137740A2 (en) 2021-07-08
RU2019145384A (en) 2021-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Unger et al. Towards computing with proteins
Westhof et al. RNA folding: beyond Watson–Crick pairs
Pei et al. Reconfigurable three‐dimensional DNA nanostructures for the construction of intracellular logic sensors
US20060281121A1 (en) Computing with biomolecules
Schaus et al. A DNA nanoscope via auto-cycling proximity recording
Kaboord et al. Accessory proteins function as matchmakers in the assembly of the T4 DNA polymerase holoenzyme
Monserud et al. Toehold‐Mediated Displacement of an Adenosine‐Binding Aptamer from a DNA Duplex by its Ligand
Takezawa et al. Metal-dependent DNA base pairing of 5-carboxyuracil with Itself and all four canonical nucleobases
Hao et al. Recurrent mismatch binding by MutS mobile clamps on DNA localizes repair complexes nearby
Zhu et al. Graphene-based steganographically aptasensing system for information computing, encryption and hiding, fluorescence sensing and in vivo imaging of fish pathogens
Platt et al. Aptamer evolution for array-based diagnostics
Oh et al. In vitro selection of shape-changing DNA nanostructures capable of binding-induced cargo release
Seemann et al. Small-molecule-triggered manipulation of DNA three-way junctions
Hibino et al. Peptide Nucleic Acid Conjugated with Ruthenium‐Complex Stabilizing Double‐Duplex Invasion Complex Even under Physiological Conditions
Sun et al. TripDesign: a DNA triplex design approach based on interaction forces
Zhang et al. Rational design of allosteric nanodevices based on DNA triple helix
Trinh et al. A photoresponsive intramolecular triplex motif that enables rapid and reversible control of aptamer binding activity
Zhou et al. Small DNAs that specifically and tightly bind transition metal ions
Jayaraman et al. Computer simulation study of molecular recognition in model DNA microarrays
RU2756476C2 (en) Molecular computing device based on essentially non-complementary single-stranded nucleic acids with low affinity to each other (options)
Lauzon et al. Programing chemical communication: allostery vs multivalent mechanism
Tapp et al. Competition-enhanced ligand selection to screen for DNA aptamers for spherical gold nanoparticles
Kolesnikova et al. GTP-dependent formation of multimeric G-quadruplexes
Newcomb et al. The Escherichia coli clamp loader rapidly remodels SSB on DNA to load clamps
Sternberg et al. Exquisite sequence selectivity with small conditional RNAs