DNA计算中荧光技术的应用及其发展.docx

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运算作为前沿科学研究的重点和热点，差不多从简单进展为复杂，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运算和荧光标记技术两个方面进行说明。一方面，对近年来DNA运算中荧光技术的应用进行了总结：〔1〕荧光标记的表面运算。〔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，介绍了几种近年来进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运算天然的优势。关键词：DNA运算；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，被选择为稳固的遗传物质。在细胞中，DNA精细地编码并操纵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作为运算工具有着得天独厚的优势1,2。近年来，DNA运算领域进展迅速，专门在DNA分子自组装、DNA纳米装置等方面3。然而相伴着DNA运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运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运算中逐步得到了广泛的应用。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，这种结构具有稳固性，能够连续数秒钟，从而有利于能量的转移5。DNA荧光技术在生物学领域中差不多有专门多应用，如近年来进展起来的DNA荧光标记、real-time检测技术、分子信标技术等。荧光标记DNA简单便利，能够实时检测，而且灵敏度专门高，这些特点都使得其在DNA运算中具有广泛的应用前景。目前，结合荧光技术的DNA运算差不多成为前沿研究热点。荧光技术在DNA运算中的应用要紧有如下几类：〔1〕荧光标记的表面运算：通过DNA固定化和杂交技术，在固相表面通过荧光标记进行运算。〔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运算。〔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，来开释另一DNA链。〔4〕与基因沉默技术相结合的荧光DNA逻辑门：利用RNAi技术操纵表达荧光蛋白，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运算、信息学等诸多领域具有专门大的应用潜力。下面有几种近年来进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。相信随着DNA运算和荧光技术的进展，这两者必将紧密结合，使得DNA运算的种类和方法更加多样和成熟。2DNA运算中荧光技术的应用2.1荧光标记的表面运算DNA表面运算其差不多原理是：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选择正解。通过荧光标记能够检测每次和最终运算的结果。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表面运算模型8。同年，KristianeA.Schmidt等利用单分子杂交荧光标记技术4个变量的可满足性问题9。下面以2000年，Liu等发表在nature上的DNA表面运算经典实验为例，说明其解决SAT问题的过程7。由于该问题共有16种可能性，故将代表着不同可能解的DNA片段固定在固相表面。在每一次的杂交选择过程中，加入与固定DNA链特异性互补的DNA。那末，被杂交的固定DNA链变为双链，而未互补的单链DNA那么被核酸外切酶Ⅰ降解。通过数次操作，存在于固相表面的DNA链确实是每次经杂交而保留下来的DNA链，也确实是代表正解的DNA链。该实验中，荧光技术要紧应用在解检测的过程中：使