[发明专利]利用甲基化进行DNA计算的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

申请人要求2006年2月24日提交的临时申请No.60/776,758的优先权。

本发明涉及使用DNA甲基化确定存在的生物标记和寻找新的生物标 记的系统和方法。本发明的系统和方法用于多种应用，包括分子诊断学、 DNA假设产生和体外实验。

DNA计算使用DNA和分子生物学，而不是传统的基于硅的计算机技 术来解决复杂的问题。体积为1cm³的1克DNA可容纳100亿光盘、大约 750百万兆字节的信息。

该领域最初由南加利福尼亚大学的Leonard Adleman研发。1994年， Adleman证实用于解决七点Hamiltonian路径问题的DNA的概念验证性使 用作为计算形式。由于最初Adleman的实验，已经取得进展，多种图灵机 被证实是可构建的。2004年，Weizmann Institute的Ehud Shapiro及研究者 在NATURE杂志宣布他们构建了DNA计算机。该DNA计算机与输入和 输出模块偶联，能诊断细胞中的癌活性，然后在诊断时释放抗癌药物。DNA 计算基本上与并行计算类似，因为其利用DNA的许多不同分子同时尝试许 多不同的可能性的优点。

DNA甲基化是指包括向胞嘧啶的第5个碳或者腺嘌呤的第6个碳加入 甲基CH₃的技术。DNA甲基化已知是在动物和植物中作为用于基因表达调 控的重要手段的机制。在细菌中，其作为用于保护免受外源DNA攻击的保 护机制。作为生物学过程，DNA甲基化是可逆的。DNA甲基转移酶催化 DNA中甲基从S-腺苷基-L-甲硫氨酸向胞嘧啶或腺嘌呤转移。DNA聚合酶 在复制期间不复制甲基化状态。

本领域中已知的某些测定法可用作实验工具用于发育生物学和癌症领 域中的DNA分析。这些测定法最初用于寻找候选基因的外遗传或甲基化状 态和某些生物学过程中候选基因的参与。这些技术可导致鉴定或证实存在 的生物标记或建立新的生物标记。生物标记在通过DNA计算模型区分癌细 胞和健康细胞中起着重要作用。当前，由于不能在现存的DNA上重写或盖 写，该领域中的含水计算(aqueous computing)受到限制。该限制阻碍了积极 深入研究、遗传序列的表征、高度复杂问题的解决和诊断活力。因此，一 旦处理了一段DNA，其不能再使用。现有的测定法是不可逆的，限制了其 实用和信息价值。

1994年Adleman的历史性实验后，分子计算模型已经接近了不同的 NP-完全问题。(参见，例如Conrad，M.，Information processing in molecular systems.Currents in Modern Biology，1972.5：第1-14页，Livstone MS，v.N.D.， Landweber LF.，Molecular computing revisited：a Moore′s Law？Trends Biotechnol.，2003.21(3):第98-101页，Head，T.，One Mathematician′s Tour from Biology into Computing and Back to Life，已投稿，2006)。Lederman等 研发了作为单一溶液中全加器(full adder)的七个基于脱氧核酶分子逻辑门 的阵列。(参见，例如，Lederman H，M.J.，Stefanovic D，Stojanovic MN.， Deoxyribozyme-Based Three-Input Logic Gates and Construction of a Molecular Full Adder.Biochemistry，2006，Margolin AA，S.M.，Boolean calculations made easy(for ribozymes).Nat Biotechnol.，2005)。Liu等披露了 使用基于表面化学的DNA计算机以解决四-变量四-子句3-SAT问题。(参 见，例如，Liu，Q.，Wang，L.，Frutos，A.，Condon，A.E.和Smith，L.M.，DNA computing on surfaces.Nature，2000)。