[发明专利]一种用DNA链置换反应实现单分子形式化学反应网络的方法

说明书

本发明公开了一种用DNA链置换反应实现单分子形式化学反应网络的方法，包括以下步骤：S1：用具有相同标记的DNA链表示一种形式化学反应物质，每种标记包括一个短链和一个长链；S2：用一个DNA链置换反应映射一个不可逆单分子形式化学反应，用两个DNA链置换反应映射一个可逆单分子形式化学反应，多个形式化学反应组成的反应网络为形式化学反应网络；S3：根据形式化学反应的速率常数设定对应DNA反应的速率常数，所述形式化学反应的速率常数等于对应DNA链反应的速率常数乘以辅助链的初始浓度；S4：根据标记链中的短链与其互补链的匹配程度来调整链置换反应的速率；S5：用所有DNA链置换反应构成的DNA网络的动力学特性模拟形式化学反应网络的动力学特性。

技术领域

本发明涉及分子计算领域，特别是涉及一种用DNA链置换反应实现单分子形式化学反应网络的方法。

背景技术

传统的计算机主要采用硅基电路，根据摩尔定律，近年来硅基芯片的发展已经到达顶峰。由于小于5nm的硅基材料会有隧穿效应的问题，摩尔定律已经不能适用。所以，新型的计算方式和材料收到了研究者们广泛的关注。在国内外现有的研究中，分子计算作为一个极具潜力的领域，已经有了大量的成果。由于化学反应网络能够表现多样的动力学特性，被很多研究者当做一种可编程的语言来实现数字电路，模拟电路和信号处理等多样的计算模块。而使分子计算真正有意义的是它能够通过实际的化学物质作为载体实现，例如DNA计算和蛋白质计算得到了相对较多的关注。用DNA制成的生物芯片不但能够实现计算功能，而且与人体亲和，可以植入人体实现所需功能。

DNA反应相对抽象的形式化学反应网络相对复杂，而在设计计算功能时直接使用形式化学反应网络却更为便捷。为了保证反应模块的实际意义并简化设计过程，在抽象反应网络与真实DNA反应网络之间建立一种对应关系非常重要。Soloveichik,D.,Seelig,G.,and Winfree,E.发表于Proceedings of the National Academy of Sciences(PNAS)107,5393–5398的文章“DNA as a universal substrate for chemical kinetics”，设计了精确的DNA链置换反应网络，使得它们的动力学特性能够准确的接近任意形式化学反应网络，只要该网络中的反应满足反应物不超过两个。在他的设计中，每一个单分子反应需要用两个DNA链置换反应实现，而每一个双分子反应需要三个DNA链置换反应实现。这样的复杂度其实是比较高的。而在实际应用中，会出现一些相对单一的反应网络。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够降低复杂度的用DNA链置换反应实现单分子形式化学反应网络的方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的用DNA链置换反应实现单分子形式化学反应网络的方法，包括以下步骤：

S1：用具有相同标记的DNA链表示一种形式化学反应物质，每种标记包括一个短链和一个长链；

S2：用一个DNA链置换反应映射一个不可逆单分子形式化学反应，用两个DNA链置换反应映射一个可逆单分子形式化学反应，多个形式化学反应组成的反应网络为形式化学反应网络；

S3：根据形式化学反应的速率常数设定对应DNA反应的速率常数，所述形式化学反应的速率常数等于对应DNA链反应的速率常数乘以辅助链的初始浓度；

S4：根据标记链中的短链与其互补链的匹配程度来调整链置换反应的速率；

S5：用所有DNA链置换反应构成的DNA网络的动力学特性模拟形式化学反应网络的动力学特性。

进一步，所述步骤S2中，DNA链置换反应为信号链与辅助双链发生的不可逆置换反应，其中辅助链含有与信号链中的短链不完全匹配的互补短链。辅助链的初始浓度大于所有信号链的初始浓度。