【《DNA逻辑电路的研究现状概述》2200字】

DNA逻辑电路的研究现状概述逻辑电路是一种基于布尔代数传递和处理数字信号的基本电路类型。逻辑电路中有高电位信号和低电位信号，在模型中，分别由0和1表示。其中，0表示低电位信号，而1表示高电位信号。由于DNA链置换反应良好的可编程属性，经常被整合到由基本逻辑门组成的逻辑电路当中。基本逻辑门设计逻辑电路通常由三种基本的逻辑门组成，分别是与门、或门和非门。其中与门和或门通常需要两个输入信号，并且能够产生一个输出信号。另外，与门电路只有在两个输入信号同时为高电位时，才能输出一个高电位输出信号，除此之外，其输出信号均为低电位。而或门电路仅需要两个输入信号中任意一个为高电位时，就可以输出一个高电位输出信号。与之形成对比的是，非门电路仅需要一个有效的输入信号，并能够产生一个相反的输出信号。为了适应多输入和级联函数等复杂情况，通用的复合逻辑电路成为研究的重点之处，包括NAND,NOR,XOR,XNOR等。表1-1通用复合逻辑门的真值表输入信号ANDORNANDXORXORXNOR00001101010110101001101011110001根据表1-1可以得知，NAND门将在任意的低电位输入时获得一个高电位输出信号，反之亦然。NOR门将在所有输入信号均为低电位时获得一个高电位输出，反之亦然。XOR门将在两个输入信号相反时获得一个高电位输出，反之亦然。XNOR门将在两个输入信号相同时获得一个高电位输出，反之亦然。半加器和全加器一个半加器是一个能实现两个二进制数加法的逻辑单元，半加器将输出和与进位。半加器由一个XOR门和一个AND门组成，XOR门的输出信号是加法运算的和，AND门的输出是加法运算的进位。图1.1展示了半加器的基本电路结构图1.1半加器的基本电路结构一个全加器是一个能够实现三位二进制加法的逻辑单元，其中两位是本位的加法，同时能够处理低位的进位运算。全加器也能够输出和与向高位的进位。图1.2展示了全加器的基本电路结构。因此全加器能够实现多位二进制数的加法。图1.2全加器的基本电路结构Li等人基于DNA链置换技术提出并设计实现了一种半加器和全加器15。图1.3展示了XOR门的实现过程。其中，输入X和输入Y是XOR门电路的输入信号，只有单独输入信号X和Y时才能释放信号链从而产生荧光信号，同时加入信号X和信号Y将通过A和A*的结合杂交生成稳定的双链结构，从而不能产生荧光信号。具体的反应过程如下：首先，输入信号X通过T1和T1*的结合从底物中将X1+链释放出来。接着，X1+链将通过T3和T3*结合释放X2+链，然后X2+将通过T5和T5*的结合打开发卡结构H，从而使得T7和T7*能够得以结合，最终将荧光信号链从淬灭链上置换下来发出荧光信号。当输入信号为Y时，基本原理相同。图1.3DNA链置换的XOR门电路实现过程图1.4展示了AND门电路的基本反应流程，当向系统中添加信号X和信号Y时，将释放中间产物P+，在设计中Q+/Q-的支撑点将长于V+/V-，因此P+链将首先和Q+/Q-发生反应，当Q+/Q-被完全消耗时，剩余的P+链将与V+/V-产生反应，从而打开发卡结构S，使得T10能够与T10*结合产生荧光信号。通过对基本逻辑门电路的复合和级联，能够实现半加器和全加器的功能。图1.4DNA链置换的AND门电路实现过程另外，其他学者提出了不同的半加器和全加器的设计方案。Yang等人18提出了一种基于分子信标的半加器和全加器设计方案。Su等人提出了DNA聚合模型，Wang等人19提出了基于DNA开关电路的半加器和全加器方案。求平方根计算Qian等人4提出了一个能够计算四位二进制数的平方根的DNA逻辑电路。该电路中仅包含AND门和OR门两种基本的逻辑门电路。该电路设计基于基本的Seesaw模型。图1.5基于Seesaw模型的求平方根电路设计从图1.5的结果可以看出，W1,2和W3，2中任何一个输入信号被添加至系统之后，都能够将G2：2，5中的上链从底物中置换出来，被置换出来的单链将首先与门限链产生反应，这是因为门限链有更长的支撑点，剩余的被置换出的单链将与G5：5，6发生反应，从而将底物G5：5，6的上链置换出来，底物的上链最终将荧光剂和淬灭剂分离，产生荧光信号。门限链浓度的不同设置将决定Seesaw门电路的功能。当门限链的浓度设为0.6时，添加W1,2或W3，2中任意一种输入链就能够产生荧光信号；当门限链的浓度设为1.2时，只有同时添加W1,2和W3，2两种输入链才能产生荧光信号。因此，通过调整门限链的浓度可以令Seesaw模型表达OR逻辑和AND逻辑。然而，在Seesaw模型中，NOT逻辑十分难以表达，Qian等人4引入双轨设计来解决这个问题，该设计中通过两个输入信号来表达逻辑的开和关，以此代替单输入信号。每个输入链表达逻辑的开和关，这种设计能够将将浓度依赖的系统转换为链依赖的系统，这样就完美的解决了非门难以表达的问题。另外，Seesaw模型同时引进了一种回收模块，使得反应的输出能够连续的被检测到。基于Seesaw模型的求平方根电路的缺点是计算的效率十分差，计算四位二进制数平方根的电路至少需要6小时的时间才能完成计算的过程。为了解决时间效率问题，Song等人20设计了一种基于BstDNA聚合酶的系统来实现四位二进制数的求平方根运算。这种设计方案能够将计算的时间降低为25分钟，在25分钟之内能够计算出所有可能输入组合的平方根。在减少计算时间的同时，该系统使用的DNA链的数量也远低于Qian等人4研究中的数量。Wang等人19的研究中提出了DNA开关电路的思路，在计算平方根的电路设计中将时间和使用DNA链的数量都进一步降低。Zhou等人的研究将计算的位数拓展为10位。该系统中的每个输入信号都是单链，每个输出信号都是不同的荧光信号。然而，这个系统只能得出整数的答案。其他研究基于Adleman21在分子计算领域的先驱研究，各种各样的关于DNA逻辑电路的研究层出不穷。Yang等人18的研究提出了基于分子信标技术的半减器。这个半减器由INH