基于電化學(xué)檢測(cè)的DNA分子邏輯門及邏輯運(yùn)算器的構(gòu)建.pdf

1、近年來(lái)，以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的集成電路由于其集成度接近理論的極限，科學(xué)家們正在積極開(kāi)發(fā)新型計(jì)算機(jī)，DNA計(jì)算機(jī)被認(rèn)為是最具有發(fā)展?jié)摿Φ挠?jì)算機(jī)。眾所周知，計(jì)算機(jī)的構(gòu)建以邏輯運(yùn)算為基礎(chǔ)，要建立和發(fā)展DNA計(jì)算機(jī)，分子邏輯門技術(shù)是一條不可逾越的必經(jīng)之路。由于電化學(xué)檢測(cè)方法具有簡(jiǎn)單、快速、靈敏、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，備受研究者們的青睞。本論文以幾種常見(jiàn)食源性致病菌的特征DNA序列和生物小分子為目標(biāo)物，應(yīng)用電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)，提出了一系列DNA分子邏輯門，并

2、且構(gòu)建了半加器和半減器兩種邏輯運(yùn)算器，為基于DNA分子的邏輯電路提供重要的理論支持，并為核酸和生物小分子的檢測(cè)提供了可選擇的方法。
　　(1)在第一章緒論部分介紹了分子邏輯門及邏輯運(yùn)算器的相關(guān)概念并闡述了國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，提出了本輪的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)。
　　(2)在第二章提出了基于目標(biāo)DNA與雙標(biāo)記探針競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合模式構(gòu)建的“NOR”型DNA分子邏輯門用于沙門氏菌(SaD DNA和志賀氏菌(Shi) DNA的檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)以二茂鐵(

3、Fc)為電化學(xué)指示劑，首先利用自組裝技術(shù)將巰基標(biāo)記的S1探針修飾在金電極表面，設(shè)計(jì)兩端標(biāo)記Fc的DP探針和S1探針部分互補(bǔ)雜交。當(dāng)目標(biāo)物Sal DNA和Shi DNA任何一個(gè)存在時(shí)，由于堿基互補(bǔ)配對(duì)原則和臨近表面雜交作用使DP脫離電極表面?；谀繕?biāo)物存在前后Fc的電化學(xué)信號(hào)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)Sal DNA和Shi DNA的高選擇性、高靈敏性檢測(cè)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，該方法對(duì)SalDNA和Shi DNA的檢測(cè)范圍均在1.00 nmol/L～1000

4、.00 nmol/L之間，檢出限分別為0.52 nmol/L和0.72 nmol/L(S/N=3)。該工作以Sal DNA和Shi DNA為輸入，以IFc為輸出，構(gòu)建“NOR”型DNA分子邏輯門。
　　(3)在第三章提出了基于Y構(gòu)型的“OR”型DNA分子邏輯門用于Sal DNA和大腸桿菌(E.coli) DNA的檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)以Fc為電化學(xué)指示劑，首先將三條相互部分互補(bǔ)雜交的S1、S2和P1探針通過(guò)巰基自組裝在金電極表面形成Y構(gòu)型，

5、基于堿基互補(bǔ)配對(duì)原則和臨近表面雜交反應(yīng)構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單、靈敏、特異性檢測(cè)Sal DNA和E.coli DNA的生物傳感器。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該方法對(duì)Sal DNA和E.coli DNA盼檢測(cè)范圍均在10.00 nmol/L～1000.00 nmol/L，檢出限分別為6.42 nmol/L和1.58 nmol/L(S/N=3)。以Sal DNA和E.coli DNA為輸入，以Fc信號(hào)變化值ΔIFc為輸出，構(gòu)建了“OR”型DNA分子邏輯門。

6、r>　　(4)在第四章提出了基于發(fā)夾結(jié)構(gòu)探針的用于李斯特桿菌(List) DNA和E.coli DNA分析的半加器的構(gòu)建。本實(shí)驗(yàn)以Fc和亞甲基藍(lán)(MB)為電化學(xué)指示劑，首先將分別標(biāo)記了Fc和MB的發(fā)夾結(jié)構(gòu)探針S-1、S-2通過(guò)巰基自組裝在金電極表面，構(gòu)建了DNA生物傳感器用于ListDNA和E.coli DNA的同時(shí)智能分析。S-1和S-2的環(huán)部分別和List DNA、E.coli DNA完全互補(bǔ)雜交，當(dāng)List DNA或E.coli

7、DNA存在時(shí)，只有一個(gè)發(fā)夾結(jié)構(gòu)被打開(kāi)，List DNA和E.coli DNA都存在時(shí)，兩發(fā)夾結(jié)構(gòu)同時(shí)打開(kāi)?；谀繕?biāo)物存在前后Fc和MB在電極表面位置的變化致使相應(yīng)的電流發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)List DNA和E.coli DNA的快速、靈敏、高選擇性分析。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，該方法對(duì)List DNA和E.coli DNA的檢測(cè)范圍均在20.00 nmol/L～1000.00 nmol/L，檢出限分別為1.98 nmol/L和8.99 nmo

8、l/L(S/N=3)。以List DNA和E.coli DNA作為輸入，以兩條探針電流變化之和∑ΔI(∑ΔI=ΔIMB+ΔIFc)和信號(hào)之比Y(Y=ΔIFc/ΔIMB或ΔIMB/ΔIFc)作為輸出，同時(shí)構(gòu)建了“AND”型和“XOR”型DNA分子邏輯門。融合這兩種邏輯門，構(gòu)建了具有邏輯運(yùn)算功能的DNA半加器。
　　(5)在第五章提出了用于分析Sal DNA和三磷酸腺苷(ATP)的分子半減器的構(gòu)建。本實(shí)驗(yàn)以Fc和MB為電化學(xué)指示劑，首

9、先利用巰基自組裝技術(shù)將分別將標(biāo)有Fc和MB的發(fā)夾結(jié)構(gòu)探針L-p、ATP的適體AP修飾在金電極表面，AP探針結(jié)合了與之完全互補(bǔ)配對(duì)C-AP。設(shè)計(jì)L-p和目標(biāo)物Sal DNA特異性雜交，當(dāng)Sal存在時(shí)使L-P的環(huán)部結(jié)構(gòu)形成剛性雙鏈，ATP的存在可以和AP形成復(fù)合物置換出C-AP，拉近MB和電極表面的距離。基于目標(biāo)物存在前后，F(xiàn)c和MB與電極表面距離的變化致使相應(yīng)的電流發(fā)生變化，可以實(shí)現(xiàn)Sal DNA和ATP的高靈敏性和高特異性分析。分析實(shí)驗(yàn)

10、結(jié)果可得，Sal DNA檢測(cè)范圍為10.00 nmol/L～1000.00 nmol/L，檢出限為2.19nmol/L(S/N=3);ATP的檢測(cè)范圍:10.00 nmol/L～1000.00 nmol/L，檢出限為3.88 nmol/L（S/N=3）。以List DNA和ATP作為輸入，以兩條探針電流之和∑I（∑I=IMB+IFc）、之比Y(Y=ΔIFc/ΔIMB或ΔIMB/ΔIFc)作為輸出，同時(shí)構(gòu)建了“INHIBIT”型和“XOR