一種用於dna分子置換技術的生物實驗方法
2023-05-16 22:17:21
專利名稱：一種用於dna分子置換技術的生物實驗方法
技術領域：
本發明屬於DNA分子置換技術領域，尤其涉及一種用於DNA分子置換技術的生物 實驗方法。
背景技術：
DNA分子置換技術是美國加州大學生物計算研究組於2010年提出，並發表在 Science雜誌上的，該團隊利用DNA分子置換技術模擬了人工神經網絡的計算過程。在他 們的生物實驗中，利用4條DNA分子分別表示輸入是「00」，「01」，「 10」，「11」四種情況。然 而，在DNA分子置換技術的生物實驗中，當使用較多的DNA分子時會導致DNA分子之間因雜 交而出現假陽性與假陰性的情形，使得實驗不會按照事先的設計方案進行，最終導致實驗 與計算失敗。另外，將DNA置換技術用於模擬神經模型的計算中利用4條DNA分子表示輸 入的方式與神經計算系統的脈衝累加行為有所違背。
發明內容
本發明提供了一種用於DNA分子置換技術的生物實驗方法，旨在解決在DNA分子 置換技術的生物實驗中，使用較多的DNA分子會導致DNA分子之間因雜交而出現假陽性與 假陰性的情形，使得實驗不會按照事先的設計方案進行，最終導致實驗與計算失敗。另外， 將DNA置換技術用於模擬神經模型的計算中利用4條DNA分子表示輸入的方式與神經計算 系統的脈衝累加行為有所違背的問題。本發明的目的在於提供一種用於DNA分子置換技術的生物實驗方法，該方法包括 以下步驟選取實驗用DNA分子，並對DNA分子進行預處理；選擇與輸入DNA分子對應的邏輯門輸入數字組合；設計出對應於與門、或門、非門的髮夾結構的報告DNA分子；設計門DNA序列與閾值DNA序列；通過純聚丙烯醯胺凝膠電泳法檢測實驗結果，驗證該方法的有效性。進一步，所述選取實驗用DNA分子，並對DNA分子進行預處理的實現方法為選取實驗用30條單鏈DNA分子，分別用S1 S9表示DNA分子的片段；將DNA分子置於溶液的體積為50uL的超純水中，每條DNA分子的濃度值相等；利用T1 T8表示脈衝神經膜系統中神經元的閾值，T1 T8的濃度分別對應1個 單位體積至8個單位體積。進一步，所述選擇與輸入DNA分子對應的邏輯門輸入數字組合的實現方法為選 擇與輸入與DNA分子對應的P1與P7，其中P1表示0。進一步，所述設計出對應於與門、或門、非門的髮夾結構的報告DNA分子的實現方 法為對應於與門、或門、非門設計出的四種髮夾結構的報告DNA分子分別為P27、P28、P29和P30，其中P27與P28組成T7參與與門、或門和非門的反應；P29和P30組成T8參與 與或門的反應。進一步，所述設計門DNA序列與閾值DNA序列的實現方法為在與門中，P2和P3組成Tl構成針對輸入I的閾值DNA分子，P4和P5組成T3針 對輸入0的閾值DNA分子；在或門中，P4和P5組成T2作為輸入I的閾值DNA分子，PlO和Pll組成T4作為 輸入0閾值DNA分子；在非門中，P2和P3組成Tl作為輸入I的閾值DNA分子，P4和P5組成T3作為輸 A 0的閾值DNA分子；在與或門中，P13和P5組成T5作為輸入0時的閾值DNA分子，P14和Pll組成T6 作為輸入I時的閾值DNA分子；每個試管的總容積為30uL，每種引物的濃度為lOuM。進一步，所述通過純聚丙烯醯胺凝膠電泳法檢測實驗結果，驗證該方法的有效性 的實現方法為利用純聚丙烯醯胺凝膠電泳法讀取反應生成的DNA分子；利用DNA分子進行計算邏輯門過程的生物實驗；讀取計算結果進行驗證。進一步，所述利用純聚丙烯醯胺凝膠電泳法讀取反應生成的DNA分子的實現方法 為使用包含5%聚丙烯醯胺的凝膠及測試接入設備、鎂離子緩衝液，在溫度為4°C、 電壓值為80V的環境中使用FB-VE10-1電泳療法進行實驗；電泳結束後，使用全染色染料對凝膠進行處理，並且掃描凝膠的分布情況。進一步，所述利用DNA分子進行計算邏輯門過程的生物實驗中所有的門DNA分子置於測試接入設備、鎂離子緩衝液中，混合降溫溶解過程中，依 次保持 95°C、2 分鐘，65°C、10 分鐘，550C、10 分鐘，45°C、10 分鐘，35°C、15 分鐘，25°C、15 分 鍾，15°C、15 分鐘，4°C、30 分鐘；在輸入DNA分子之後進行緩慢降溫的退火；利用DNA分子計算實現脈衝神經膜系統邏輯門的計算過程。本發明提供的用於DNA分子置換技術的生物實驗方法，對現有的DNA分子置換技 術的缺陷進行了改進，即只使用兩條DNA分子分別表示0與1，當輸入是「00」時，實驗中使 用兩倍單位濃度的表示0的DNA分子；當輸入是「11」時，實驗中使用兩倍單位濃度的表示 I的DNA分子；當輸入是「10」或者「01」，實驗中使用I倍單位濃度的表示0的DNA分子與 I倍單位濃度的表示I的DNA分子，將DNA分子置換實驗中使用的DNA分子種類降低一倍， 有效地避免了實驗中出現的假陽性與假陰性現象，使得實驗很好地按照事先的設計方案進 行，很大程度上提高了實驗的可靠性與計算的準確率，另外，該方法中使用的「濃度累加」的 方法，與脈衝神經元的「脈衝累加」行為暗合，因此是一種更為準確模擬脈衝神經元計算過 程的生物技術，該方法提出的DNA置換技術較之前的技術更為高效，在只使用兩種DNA分子 的情況下，同樣可以模擬脈衝神經元的計算過程，在使用同樣多種類的DNA的前提下，該提 出的DNA置換技術則可模擬更大規模的計算過程，具有較強的推廣與應用價值。
圖1是本發明實施例提供的用於DNA分子置換技術的生物實驗方法的實現流程 圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明， 並不用於限定發明。圖1示出了本發明實施例提供的用於DNA分子置換技術的生物實驗方法的實現流程。該方法包括以下步驟在步驟S101中，選取實驗用DNA分子，並對DNA分子進行預處理；在步驟S102中，選擇與輸入DNA分子對應的邏輯門輸入數字組合；在步驟S103中，設計出對應於與門、或門、非門的髮夾結構的報告DNA分子；在步驟S104中，設計門DNA序列與閾值DNA序列；在步驟S105中，通過純聚丙烯醯胺凝膠電泳法檢測實驗結果，驗證該方法的有效 性。在本發明實施例中，選取實驗用DNA分子，並對DNA分子進行預處理的實現方法 為選取實驗用30條單鏈DNA分子，分別用S1 S9表示DNA分子的片段；將DNA分子置於溶液的體積為50uL的超純水中，每條DNA分子的濃度值相等；利用T1 T8表示脈衝神經膜系統中神經元的閾值，T1 T8的濃度分別對應1個 單位體積至8個單位體積。在本發明實施例中，選擇與輸入DNA分子對應的邏輯門輸入數字組合的實現方法 為選擇與輸入與DNA分子對應的P1與P7，其中P1表示0。在本發明實施例中，設計出對應於與門、或門、非門的髮夾結構的報告DNA分子的 實現方法為對應於與門、或門、非門設計出的四種髮夾結構的報告DNA分子分別為P27、P28、 P29和P30，其中P27與P28組成T7參與與門、或門和非門的反應；P29和P30組成T8參與 與或門的反應。在本發明實施例中，設計門DNA序列與閾值DNA序列的實現方法為在與門中，P2和P3組成T1構成針對輸入1的閾值DNA分子，P4和P5組成T3針 對輸入0的閾值DNA分子；在或門中，P4和P5組成T2作為輸入1的閾值DNA分子，P10和P11組成T4作為 輸入0閾值DNA分子；在非門中，P2和P3組成T1作為輸入1的閾值DNA分子，P4和P5組成T3作為輸 入0的閾值DNA分子；在與或門中，P13和P5組成T5作為輸入0時的閾值DNA分子，P14和P11組成T6作為輸入1時的閾值DNA分子；每個試管的總容積為30uL，每種引物的濃度為10uM。在本發明實施例中，通過純聚丙烯醯胺凝膠電泳法檢測實驗結果，驗證該方法的 有效性的實現方法為利用純聚丙烯醯胺凝膠電泳法讀取反應生成的DNA分子；利用DNA分子進行計算邏輯門過程的生物實驗；讀取計算結果進行驗證。在本發明實施例中，利用純聚丙烯醯胺凝膠電泳法讀取反應生成的DNA分子的實 現方法為使用包含5%聚丙烯醯胺的凝膠及測試接入設備、鎂離子緩衝液，在溫度為4°C、 電壓值為80V的環境中使用FB-VE10-1電泳療法進行實驗；電泳結束後，使用全染色染料對凝膠進行處理，並且掃描凝膠的分布情況。在本發明實施例中，利用DNA分子進行計算邏輯門過程的生物實驗中所有的門DNA分子置於測試接入設備、鎂離子緩衝液中，混合降溫溶解過程中，依 次保持 95°C、2 分鐘，65°C、10 分鐘，55。。、10 分鐘，45°C、10 分鐘，35。。、15 分鐘，25。。、15 分 鍾，15°C、15 分鐘，4°C、30 分鐘；在輸入DNA分子之後進行緩慢降溫的退火；利用DNA分子計算實現脈衝神經膜系統邏輯門的計算過程。下面結合附圖及具體實施例對本發明的應用原理作進一步描述。本項目中根據基於脈衝神經膜系統的邏輯門的計算機理，將DNA置換技術進行改 進，並且利用改進的技術實現了脈衝神經膜系統的邏輯門的計算過程。具體的改進為:實驗 中數字1與0分別用相應的DNA分子進行標示，當某個邏輯門的輸入是11或00的情況時， 利用兩倍單位體積的表示1或0的DNA分子作為系統的輸入，而美國團隊則是使用另外的 DNA分子表示11與00。該技術在國內是首次應用，另外，基於脈衝神經膜系統的邏輯門模 型，在國內也是首次提出。實驗中共使用30條單鏈DNA分子，這些DNA分子的片段分別用S1 S9表示，並 將它們置於溶液的體積為50uL的超純水中，每條DNA分子的濃度值相等。利用T1 T8表 示脈衝神經膜系統中神經元的閾值，即激發規則的使用條件，它們的濃度分別對應1個單 位體積至8個單位體積。實驗的第一步選擇與輸入對應的DNA分子P1與P7，其中P1表示0 ;第二步，對應於與門、或門、非門設計出四種髮夾結構的報告DNA分子P27、P28、 P29和P30，其中P27與P28組成T7參與與門、或門和非門的反應；P29和P30組成T8參與 與或門的反應。第三步(見表1)，設計門DNA序列與閾值DNA序列。與門中，P2和P3組成T1構 成針對輸入1的閾值DNA分子，P4和P5組成T3針對輸入0的閾值DNA分子；或門中P4和 P5組成T2作為輸入1的閾值DNA分子，P10和P11組成T4作為輸入0閾值DNA分子；非 門中P2和P3組成T1作為輸入1的閾值DNA分子，P4和P5組成T3作為輸入0的閾值DNA 分子；與或門中P13和P5組成T5作為反應第一步輸入0的閾值DNA分子，P14和P11組成 T6作為反應第二步輸入1的閾值DNA分子，每個試管的總容積為30uL，每種引物的濃度為lOuMo表1門DNA分子與閾值DNA分子的設計方案
權利要求
1.一種用於DNA分子置換技術的生物實驗方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟 選取實驗用DNA分子，並對DNA分子進行預處理； 選擇與輸入DNA分子對應的邏輯門輸入數字組合； 設計出對應於與門、或門、非門的髮夾結構的報告DNA分子； 設計門DNA序列與閾值DNA序列； 通過純聚丙烯醯胺凝膠電泳法檢測實驗結果，驗證該方法的有效性。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述選取實驗用DNA分子，並對DNA分子進行預處理的實現方法為 選取實驗用30條單鏈DNA分子，分別用SI S9表示DNA分子的片段； 將DNA分子置於溶液的體積為50uL的超純水中，每條DNA分子的濃度值相等； 利用Tl T8表示脈衝神經膜系統中神經元的閾值，Tl T8的濃度分別對應I個單位體積至8個單位體積。
3.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述選擇與輸入DNA分子對應的邏輯門輸入數字組合的實現方法為選擇與輸入與DNA分子對應的Pl與P7，其中Pl表示O。
4.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述設計出對應於與門、或門、非門的髮夾結構的報告DNA分子的實現方法為 對應於與門、或門、非門設計出的四種髮夾結構的報告DNA分子分別為P27、P28、P29和P30，其中P27與P28組成T7參與與門、或門和非門的反應；P29和P30組成T8參與與或門的反應。
5.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述設計門DNA序列與閾值DNA序列的實現方法為 在與門中，P2和P3組成Tl構成針對輸入I的閾值DNA分子，P4和P5組成T3針對輸入O的閾值DNA分子； 在或門中，P4和P5組成T2作為輸入I的閾值DNA分子，PlO和Pll組成T4作為輸入O閾值DNA分子； 在非門中，P2和P3組成Tl作為輸入I的閾值DNA分子，P4和P5組成T3作為輸入O的閾值DNA分子； 在與或門中，P13和P5組成T5作為輸入O時的閾值DNA分子，P14和Pll組成T6作為輸入I時的閾值DNA分子； 每個試管的總容積為30uL，每種引物的濃度為10uM。
6.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述通過純聚丙烯醯胺凝膠電泳法檢測實驗結果，驗證該方法的有效性的實現方法為 利用純聚丙烯醯胺凝膠電泳法讀取反應生成的DNA分子； 利用DNA分子進行計算邏輯門過程的生物實驗； 讀取計算結果進行驗證。
7.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述利用純聚丙烯醯胺凝膠電泳法讀取反應生成的DNA分子的實現方法為 使用包含5%聚丙烯醯胺的凝膠及測試接入設備、鎂離子緩衝液，在溫度為4°C、電壓值為80V的環境中使用FB-VE10-1電泳療法進行實驗；電泳結束後，使用全染色染料對凝膠進行處理，並且掃描凝膠的分布情況。
8.如權利要求I或6所述的方法，其特徵在於，所述利用DNA分子進行計算邏輯門過程的生物實驗中 所有的門DNA分子置於測試接入設備、鎂離子緩衝液中，混合降溫溶解過程中，依次保持 95°C、2 分鐘，65°C、10 分鐘，55°C、10 分鐘，45°C、10 分鐘，35°C、15 分鐘，25°C、15 分鐘，15。。、15 分鐘，4°C、30 分鐘； 在輸入DNA分子之後進行緩慢降溫的退火； 利用DNA分子計算實現脈衝神經膜系統邏輯門的計算過程。
全文摘要
本發明屬於DNA分子置換技術領域，提供了一種用於DNA分子置換技術的生物實驗方法，對現有的DNA分子置換技術的缺陷進行了改進，有效地避免了實驗中出現的假陽性與假陰性現象，使實驗很好地按照事先的設計方案進行，提高了實驗的可靠性與計算的準確率，另外，該方法中使用的「濃度累加」的方法，與脈衝神經元的「脈衝累加」行為暗合，因此是一種更為準確模擬脈衝神經元計算過程的生物技術，該方法提出的DNA置換技術較之前的技術更為高效，在只使用兩種DNA分子的情況下，同樣可以模擬脈衝神經元的計算過程，在使用同樣多種類的DNA的前提下，該提出的DNA置換技術則可模擬更大規模的計算過程，具有較強的推廣與應用價值。
文檔編號C12N15/10GK102660536SQ201210109600
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月16日 優先權日2012年4月16日
發明者盧巍, 宋弢, 潘林強, 石曉龍 申請人:華中科技大學