[发明专利]一种无立足点和分支迁移域的DNA链置换新方法

说明书

本发明涉及DNA链置换技术，提出了一种无立足点和分支迁移域的DNA链置换新方法。将DNA双链[DNA1,DNA2]与DNA单链DNA3混合，DNA3中片段1*和9*与DNA1中的互补片段1和9在碱基互补作用下，促使DNA1形成发卡结构，进而DNA2从DNA1上脱落，形成DNA3对DNA2的链置换。该DNA链置换过程中，置换链DNA3与被置换链DNA2之间在碱基排列上无任何依赖关系，实现了一种不需要立足点和分支迁移域的DNA链置换新方法。该方法可以用于替代目前依赖立足点的DNA链置换方法，可广泛应用于生物计算，基因编辑以及纳米技术。

技术领域

本发明涉及DNA计算领域，尤其涉及DNA链置换技术。

背景技术

作为一种新型的计算模型，DNA计算的研究与应用得到了广泛的关注。近年来，随着DNA链置换技术在DNA计算中的应用，相继实现了基于DNA链置换的DNA逻辑门、DNA电路、DNA纳米计算设备，DNA计算逐渐由理论研究进入了实用化研究阶段。

DNA链置换是利用DNA分子杂交过程中的自由能最终趋于稳定的特性，通过在DNA模板链上设计立足点(toehold)和分支迁移域(branch migration domain)，触发或控制DNA链置换反应，即用较长的DNA置换链与DNA模板链上的立足点先行杂交，然后在分支迁移作用下，通过对DNA模板链上的分支迁移域上杂交的DNA被置换链进行置换与取代的过程(张成,马丽娜,董亚非,et al.自组装DNA链置换分子逻辑计算模型[J].科学通报,2012,57(31)：2909-2915)。直观上看，DNA链置换就是在DNA置换链存在的情况下，通过DNA分子的杂交反应，将DNA模板链上杂交的DNA被置换链进行置换取代的过程，过程的结果是DNA被置换链由双链杂交状态变为游离状态。

目前在DNA链置换的方法设计中，要求必须在DNA模板链上预先设计立足点与分支迁移域，且立足点与分支迁移域之间不能存在太多的碱基序列片段间隔(Genot A J,ZhangD Y,Bath J,et al.Remote Toehold：A Mechanism for Flexible Control of DNAHybridization Kinetics[J].Journal of the American Chemical Society,2011,133(7)：2177-2182)。但无论是否在立足点和分支迁移域之间存在碱基序列片段间隔，在DNA链置换中，立足点与分支迁移域均必须设计在DNA模板链上，且由于在DNA置换链、DNA模板链、DNA被置换链之间发生分支迁移过程，使得DNA置换链的碱基排列必须要与DNA模板链上的立足点和分支迁移域构成碱基互补关系，同时DNA被置换链的碱基排列必须与DNA模板链的分支迁移域的碱基排列构成碱基互补关系。上述在DNA模板链、DNA置换链和DNA被置换链之间的立足点与分支迁移域处的碱基排列依赖关系，使得在DNA链置换的应用中，立足点的设计成为关键，而立足点处的DNA片段长度一般仅为3-6个碱基(姚莉娜,田桂花,叶盟盟,etal.DN A链置换技术的研究现状与展望[J].郑州轻工业学院学报(自然科学版),2014(1)：15-21)，这大大增加了DNA链置换中DNA置换链、DNA模板链、DNA被置换链在碱基排列上的依赖耦合度，极大的增加了DNA序列设计难度，限制了DNA链置换的应用。

发明内容

针对DNA链置换中的立足点与分支迁移域对DNA链置换应用的限制问题，本发明所采用的技术方案为提供一种无立足点和分支迁移域的DNA链置换新方法。该方法在DNA模板链上设计发卡结构，以DNA模板链的5’-端与3’-端DNA片段作为DNA置换链的杂交结合域，对杂交在DNA模板链上的DNA被置换链进行置换取代。

本发明涉及以下的具体技术方案：

首先，设计DNA模板链DNA1、DNA被置换链DNA2和DNA置换链DNA3(图1)，具体包含以下步骤：

步骤1：在DNA模板链DNA1上，设计发卡结构：发卡茎部对应为DNA1上DNA片段4和其互补DNA片段4*，发卡环部对应DNA1上DNA片段5和6；