我国研制出新型DNA逻辑门奠定发展DNA计算机基础

中科院上海应用物理研究所的樊春海研究员与上海交通大学Bio-X中心的贺林院士、张治洲教授通过学科交叉研究与合作,应用DNA核酶研制成功一类新型的“DNA逻辑门”,为发展DNA计算机奠定了基础。DNA核酶是一种通过体外进化筛选出来的具有特定酶活性的核酸结构,在该项研究中采用的是具有DNA水解酶活性的DNA核酶。这种具有锤头状结构的核酶可以在铜离子辅助下催化氧化并切割底物DNA。DNA逻辑门即是在这种DNA核酶结构基础上通过模块设计（modular design）研制出来的。输入信号通过特定的生物分子传感可以产生输出信号,从而实现“YES”、“NOT”等逻辑判断,并可以组合成复杂的三输入逻辑门“AND（A,NOT（B）,NOT（C））”。该逻辑门系统的新特色在于排除以往DNA逻辑门设计中RNA核苷的参与,仅单纯应用DNA分子,从而避免了RNA核苷带来的系统不稳定性。相关研究结果已发表在2006年3月出版的著名化学杂志（（Angew．Chem．Int．Ed．》上。     

基于核酸适体和胶体金技术构建凝血酶的DNA逻辑门

DNA逻辑门在分子计算机和分子水平上的计算技术中具有重要作用。我们通过设计核酸适体与凝血酶特异结合导致胶体金团聚的方法,构建了凝血酶的DNA逻辑门。凝血酶作为输入信号与其核酸适体结合,将监测探针上的胶体金结合位点释放,两个核酸功能化修饰的胶体金同时结合到监测探针上,引起胶体金团聚,实现信号输出。根据这个设计原理,成功构建了蛋白质凝血酶的YES逻辑门。     

分子信标DNA计算模型的研究进展与展望

由于分子信标具有结构简单,灵敏度高及反应迅速等优点,因此,利用分子信标进行数学问题的求解将成为可能.通过对分子信标的计算模型进行详细的介绍,并对分子信标的计算模型的研究思路进行了展望,据此思路,可以建立多种组合优化问题及逻辑门的分子信标计算模型.     

与非门(NAND)的DNA计算模型

近年来,随着DNA计算研究的深入,基于DNA的布尔电路的模拟成为其中一个热门的研究方向.分子信标是一种特殊的探针分子,广泛应用于各种生物技术的检测方面,具有结果稳定,特异性强的优点,本文提出了一种基于诱导"发夹"形式的DNA与非门模型,和已有的模型相比,该模型具有简单,可靠性更高且可以重复使用等优点.     

DNA序列编码的研究进展

DNA计算的可靠性和精确度与编码设计的优劣密切相关。随着DNA计算的发展以及DNA计算研究的进一步深入,对编码的要求也越来越高。围绕如何保证理想的生化反应和解的成功提取问题,人们提出了各种各样的约束条件和评价模型,本文简述了DNA编码的原理,综述了当前DNA序列编码的方法,最后分析了DNA编码设计中存在的问题,并对编码设计的未来发展进行了展望。     

尘螨DNA疫苗在变应性疾病中的研究进展

尘螨是最常见且分布最广的室内变应原,研究证明尘螨可以引起变应性哮喘、变应性鼻炎、变应性皮炎等变应性疾病.目前变应性疾病尚无十分有效的根治手段,且唯一可能根治特异性免疫疗法仍存在很多问题.近年来随着分子生物学技术的快速发展,尘螨DNA疫苗作为一种新型的生物制品,成为疫苗研究中的热点,它与传统的灭火疫苗相比显示不不可比拟的优越性,在尘螨变应性疾病的治疗中显示出较强的应用价值和广阔的前景,但其具体机制目前还不十分明确,且在应用过程中还存在一些问题.本文就近年来尘螨变应原及其分子生物学特性、尘螨DNA疫苗的免疫机制、应用现状、优点、存在的问题和优化策略方面的研究进展做一综述.     

DNA依赖蛋白激酶研究进展

DNA依赖蛋白激酶由Ku异二聚体和DNA-PKcs组成,结合Ku蛋白后,DNA-PK激酶活性激活,DNA依赖蛋白激酶具有多功能性,参与DNA修复、基因重组以及复制、转录等多种细胞学过程.     

DNA传感器研究进展

本文概述了当前生物传感器的研究特点以及发展ＤＮＡ生物传感器的迫切性;从不同角度阐述了ＤＮＡ生物传感器的概念和研究内容;着重讨论了ＤＮＡ生物传感器的研究现状和发展趋势。文中分别对ＤＮＡ光生物传感器和ＤＮＡ压电晶体生物传感器的基本原理、特点、研究进展及存在的问题进行了分析与说明。进而,对我国ＤＮＡ生物传感器研究存在的差距和发展前景进行了简要论述。     

DNA免疫的基础研究进展

ＤＮＡ免疫或ＤＮＡ疫苗是近年发展的新型疫苗。ＤＮＡ免疫除可诱生保护性体液免疫应答,更重要的是能诱生以特异性ＣＴＬ为代表的保护性细胞免疫应答,因而从１９９０年发现至今,对其研究的进展迅速。本文介绍了近年ＤＮＡ免疫的基础性研究进展,讨论了ＤＮＡ免疫作为嵌合型及多重抗原型疫苗的可能性,诱生的免疫尖答特征及与保护性的关系,ＤＮＡ免疫的某些影响因素,最后对ＤＮＡ免疫的可能机制亦作了一些讨论。     

DNA芯片技术研究进展

DNA芯片技术是近年来发展迅速的生物高技术 .其基本过程是采用寡核苷酸原位合成或显微打印手段 ,将大量探针片段有序地固化于支持物如硅芯片的表面 ,然后与扩增、标记的生物样品杂交 ,通过对杂交信号的检测分析 ,即可得出样品的遗传信息 .该技术不仅可以对遗传信息进行定性、定量分析 ,而且扩展到基因组研究和基因诊断等方面的应用 .尽管目前在硬件和软件上还面临一些困难 ,但其发展和应用的前景广阔 .     

A novel generalized design methodology and realization of Boolean operations using DNA

The biological deoxyribonucleic acid (DNA) strand has been increasingly seen as a promising computing unit. A new algorithm is formulated in this paper to design any DNA Boolean operator with molecular beacons (MBs) as its input. Boolean operators realized using the proposed design methodology is presented. The developed operators adopt a uniform representation for logical 0 and 1 for any Boolean operator. The Boolean operators designed in this work employ only a hybridization operation at each stage. Further, this paper for the first time brings out the realization of a binary adder and subtractor using molecular beacons. Simulation results of the DNA-based binary adder and subtractor are given to validate the design.     

DNA传感器研究进展

本文概述了当前生物传感器的研究特点以及发展ＤＮＡ生物传感器的迫切性;从不同角度阐述了ＤＮＡ生物传感器的概念和研究内容;着重讨论了ＤＮＡ生物传感器的研究现状和发展趋势。文中分别对ＤＮＡ光生物传感器和ＤＮＡ压电晶体生物传感器的基本原理、特点、研究进展及存在的问题进行了分析与说明。进而,对我国ＤＮＡ生物传感器研究存在的差距和发展前景进行了简要论述。     

基因逻辑网络研究进展

海量生物数据的涌现,使得通过数据分析和理论方法探索生物机理成为理论生物学研究的重要途径．特别是对于基因的复杂的功能系统,建立基因网络这种理论方法的意义更为突出．Bowers在蛋白质相互作用的分析中引入了高阶逻辑关系,从而建立了系统发生谱数据的逻辑分析（LAPP）的系统方法．LAPP和通常建立模型的方法不同,它给出了一个从复杂网络的元素（或部件）的表达数据出发,通过逻辑分析,找到元素之间逻辑关联性的建模方法．这种方法能够从蛋白质表达谱数据出发,利用信息熵的算法发现两种蛋白质对一种蛋白质的联合作用,对于发现蛋白质之间新的作用机理有重要意义．由于涉及功能的基因组通常是一个大的群体构成的系统,因此LAPP方法也是一个生成复杂的基因逻辑网络的方法．基因逻辑网络的建立,方便实现通过逻辑调控进行基因调控的目的．这种方法可以应用在很多方面,如物种进化、肿瘤诊疗等等．系统阐述并分析了LAPP方法,并指出其在方法和应用方面的新进展以及评述．     

微环DNA研究进展

质粒载体在基因治疗中占据重要地位.传统质粒DNA在真核生物中可能会引起严重的炎症反应,未甲基化的CpG序列可能抑制基因的表达,最好的解决办法是在生产质粒载体过程中将细菌调控序列整体消除.微环DNA是一种新颖的小环超螺旋表达框,它是传统质粒在大肠杆菌体内通过位点特异性重组得到的.微环DNA缺乏抗性标记基因、复制原点等细菌...     

DNA Logic Gate Based on Metallo-Toehold Strand Displacement

DNA is increasingly being used as an ideal material for the construction of nanoscale structures, circuits, and machines. Toehold-mediated DNA strand displacement reactions play a very important role in these enzyme-free constructions. In this study, the concept of metallo-toehold was utilized to further develop a mechanism for strand displacement driven by Ag⁺ ions, in which the intercalation of cytosine–cytosine mismatched base pairs on the toeholds provides additional control by varying of the concentration of Ag⁺ ions. The characteristics of displacement reaction in response to different concentration of Ag⁺ ions are investigated by fluorescence spectral and non-denaturing polyacrylamide gel electrophoresis. The reaction can successfully occur when the concentration of Ag⁺ ions is suitabe; excess Ag⁺ ions block the reaction. Furthermore, the displacement reaction can be tuned and controlled most efficiently under the condition of two C:C mismatched base pairs placed on the six-nt toehold. Based on our research, a mechanism was developed to construct Boolean logic gate AND and OR by employing strand displacement reaction as a tool, Ag⁺ and Hg²⁺ as input.     

多价阳离子诱导的DNA缩合研究进展

DNA分子在多价阳离子作用下,可以缩合成紧密有序的纳米级缩合体。常用的多价阳离子包括阳离子聚合物,蛋白质,高价无机离子等。缩合主要是由于67～90%的DNA磷酸基负电荷被中和而引起的,缩合的过程伴随着微粒的聚集过程;常见的缩合体是圆环体状,其尺寸一般在50～300nm之间;缩合主要受缩合剂正电荷的影响,缩合剂的结构也对缩合过程有一定的影响;DNA分子的大小和碱基成分也是影响缩合的因素,同时也决定缩合体的体积大小。     

Logic Gate Operation by DNA Translocation through Biological Nanopores

Logical operations using biological molecules, such as DNA computing or programmable diagnosis using DNA, have recently received attention. Challenges remain with respect to the development of such systems, including label-free output detection and the rapidity of operation. Here, we propose integration of biological nanopores with DNA molecules for development of a logical operating system. We configured outputs “1” and “0” as single-stranded DNA (ssDNA) that is or is not translocated through a nanopore; unlabeled DNA was detected electrically. A negative-AND (NAND) operation was successfully conducted within approximately 10 min, which is rapid compared with previous studies using unlabeled DNA. In addition, this operation was executed in a four-droplet network. DNA molecules and associated information were transferred among droplets via biological nanopores. This system would facilitate linking of molecules and electronic interfaces. Thus, it could be applied to molecular robotics, genetic engineering, and even medical diagnosis and treatment.     

细菌DNA甲基化研究进展

DNA甲基化修饰是细菌调控基因表达的一种重要方式,在很多生理过程中发挥非常关键的作用.本文系统介绍了细菌DNA甲基化修饰的起源、DNA甲基转移酶,分类总结了DNA甲基化调控基因表达的机制.同时对近年来细菌DNA甲基化的功能、DNA甲基化检测方法的进展进行了综合评述.这些研究对人类了解细菌DNA甲基化表观调控及控制细菌感染具有重要指导意义.