DNA计算中荧光技术的应用及其发展VIP免费

第1页共13页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页共13页DNA计算中荧光技术的应用及其发展张成杨静王淑栋(北京大学信息科学技术学院，高可信度软件技术教育部重点实验室，北京100871)摘要：DNA计算作为前沿科学研究的重点和热点，已经从简单发展为复杂，从理论转化为应用。在这一过程中，反应速度快，变化灵敏的荧光标记技术发挥了重要的作用。本文围绕DNA计算和荧光标记技术两个方面进行说明。一方面，对近年来DNA计算中荧光技术的应用进行了总结：（1）荧光标记的表面计算。（2）与某些酶切技术相结合的荧光检测。（3）与DNA链置换相结合的荧光技术。（4）与基因沉默技术相结合的荧光DNA逻辑门。（5）与DNA自组装立体结构相结合的荧光技术。（6）与DNA变构相结合的荧光技术。另一方面，介绍了几种近年来发展起来的新型荧光技术：（1）荧光信号识别放大技术。（2）与磁珠技术相结合的荧光技术。（3）与PH值变化相结合的DNA荧光技术。（4）与miRNAs检测相结合的荧光技术。在今后的研究中，只有将这两者紧密结合，才能发挥DNA计算天然的优势。关键词：DNA计算；荧光标记技术；纳米技术；DNA分子；杂交1引言DNA由于其具有的特性，在大自然的进化中，被选择为稳定的遗传物质。在细胞中，DNA精细地编码并控制着整个细胞的新陈代谢。另一方面，DNA分子容易构成二级甚至三级结构。因此，DNA作为计算工具有着得天独厚的优势1,2。近年来，DNA计算领域发展迅速，尤其在DNA分子自组装、DNA纳米装置等方面3。然而伴随着DNA计算解决问题的规模增大和形式多样化，求解过程中DNA分子数量急剧增加以及DNA分子结构复杂性的加大，求解过程中实验过程繁琐且存在误差，使得DNA计算中解的标记和检测变得更加困难4。为了解决这一难题，荧光技术在DNA计算中逐渐得到了广泛的应用。荧光是指某些物质受到某种波长的光激发后，其原子中的电子被激发到较高能级，产生的发射光荧光物质分子都具有刚性结构和共平面的π-π共轭体系。在激发态时，这种结构具有稳定性，可以持续数秒钟，从而有利于能量的转移5。DNA荧光技术在生物学领域中已经有很多应用，如近年来发展起来的DNA荧光标记、real-time检测技术、分子信标技术等。荧光标记DNA简单便捷，可以实时检测，而且灵敏度非常高，这些特点都使得其在DNA计算中具有广泛的应用前景。目前，结合荧光技术的DNA计算已经成为前沿研究热点。荧光技术在DNA计算中的应用主要有如下几类：（1）荧光标记的表面计算：通过DNA固定化和杂交技术，在固相表面通过荧光标记进行计算。（2）与某些酶切技术相结合的荧光检测：利用特定酶与DNA分子的特性，通过检测酶切后荧光量进行计算。（3）与DNA链置换相结合的荧光技术：巧妙利用DNA分子的三链甚至多链结构，通过加入引发链，来释放另一DNA链。（4）与基因沉默技术相结合的荧光DNA逻辑门：利用RNAi技术控制表达荧光蛋白，从而构建了多重逻辑门。（5）与DNA自组装立体结构相结合的荧光技术：在DNA自组装结构的基础上，结合了荧光标记技术。（6）与DNA变构相结合的荧光技术：通过DNA分子的不同状态，构建了可控的荧光纳米装置。近年来，荧光技术不仅应用于生物学本身，而且在DNA计算、信息学等诸多领域具有很大的应用潜力。下面有几种近年来发展起来的新型荧光技术：（1）荧光信号识别放大技术。（2）与磁珠技术相结合的荧光技术。（3）与PH值变化相结合的DNA荧光技术。第2页共13页第1页共13页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第2页共13页（4）与miRNAs检测相结合的荧光技术。相信随着DNA计算和荧光技术的发展，这两者必将紧密结合，使得DNA计算的种类和方法更加多样和成熟。2DNA计算中荧光技术的应用2.1荧光标记的表面计算DNA表面计算其基本原理是：通过DNA固定化和杂交技术，将代表所有可能存在解的不同DNA序列固定在固相表面，然后通过多次的杂交以及降解过程来筛选正解。通过荧光标记可以检测每次和最终计算的结果。2002年，Adleman组使用杂交池完成了一个20个变量的3可满足性问题6。2004年XingPingSu等在2000年Liu7的工作基础上，设计了一种通用型的DNA表面计算模...