[发明专利]一种大规模数字电路的DNA分子开关电路的设计方法

说明书

本发明提出了一种大规模数字电路的DNA分子开关电路的设计方法，步骤如下：基于DNA链置换技术设计三种DNA分子开关分别对应的DNA链，确定激活三种DNA分子开关的信号的DNA链；根据设计的DNA链设计多输入或多扇出的扇入扇出DNA分子电路；根据大规模数字电路的真值表确定输入和输出个数，设计需要的扇入扇出DNA分子电路，根据逻辑关系连接各个扇入扇出DNA分子电路得到DNA分子开关电路，通过Visual DSD软件验证DNA分子开关电路。本发明设计的DNA分子开关电路具有高模块化、可编程性和可伸缩性，且用时较短，效果较好，对于实现大规模数字电路是一个相对较好的方法，也为DNA计算在各个领域的应用带来新的发展。

技术领域

本发明涉及DNA分子电路的技术领域，尤其涉及一种基于链置换技术实现大规模数字电路的DNA分子开关电路的设计方法。

背景技术

近年来，DNA在生物计算领域得到了广泛的研究和应用。其中，立足点介导的DNA链置换反应以其不含酶、设计灵活、控制精确等特点，被广泛用于构建生物计算电路。然而，目前基于DNA的电路虽然大多能实现基本和复杂的逻辑功能电路，但是却不能处理更复杂的数学运算，从而限制了计算设备向大规模的推进。

DNA链置换技术（SDR）在现代生物分子计算中占据重要的位置，DNA链置换反应是基于沃森-克里克碱基互补配对原则自发的动态的反应过程。DNA链置换技术通常与自组装、荧光信号标记等结合应用于生物计算、生物传感器、DNA纳米机器人、临床诊断、合成生物电路等方面。对于生物计算，它是计算机科学与分子生物学相结合发展起来的一个新领域。DNA链置换技术为生物计算提供了一个强大的工具箱，利用了DNA分子强大的信息编码能力以及高度可设计的优势。DNA电路合理可编程的关键是基于强大的DNA杂交和脚趾端介导的DNA链置换（TDSD），特别是TDSD可以基于可预测的脚趾点位置动态灵活地操纵DNA杂交。目前，基于DNA链置换技术已经实现了许多的基础逻辑门，包括与门AND、或门OR、异或门XOR、或非门NOR、与非门NAND等，以及基于DNA链置换技术的生物计算已经实现了不少的计算电路，并得到了广泛的应用。然而，基于DNA生物逻辑计算的进一步发展仍面临挑战，关键挑战可能还是大规模逻辑电路的集成和扩展。

发明内容

针对现有基于DNA分子的电路不能处理更复杂的数学运算的技术问题，本发明提出一种大规模数字电路的DNA分子开关电路的设计方法，利用DNA分子开关组合来构建逻辑大规模数字电路，实现了17个输入和6个输出的16线-4线优先编码器的DNA分子开关电路，通过Visual DSD软件验证其用时较短，效果较好。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种大规模数字电路的DNA分子开关电路的设计方法，其步骤如下：

步骤一：基于DNA链置换技术设计启动开关、传输开关和报告开关三种DNA分子开关分别对应的DNA链结构，确定激活三种DNA分子开关的信号的DNA链结构，并设计各个DNA链结构中结构域的碱基序列；

步骤二：根据步骤一设计的启动开关、传输开关和报告开关的DNA链结构设计多输入或多扇出的扇入扇出DNA分子电路；

步骤三：根据大规模数字电路的真值表中输入输出的逻辑关系确定输入和输出个数及需要的DNA分子开关的数量，然后根据步骤二设计扇入扇出DNA分子电路，根据逻辑关系连接各个扇入扇出DNA分子电路得到大规模数字电路的DNA分子开关电路，通过VisualDSD软件验证DNA分子开关电路。

所述步骤二中的信号包括导通信号和电流信号，导通信号和电流信号均为DNA单链，导通信号的碱基序列根据对应启动开关或激活开关的碱基序列设计，使导通信号和对应的DNA分子开关发生DNA链置换反应，从而使DNA分子开关的状态由关断状态翻转为导通状态；电流信号是具有小质点域的DNA分子开关的DNA链与其导通信号进行DNA链置换反应释放出的DNA单链，通过对DNA分子开关的碱基序列的设计确保产生的电流信号能够与下一级的DNA分子开关发生DNA链置换反应。