專利名稱：一種微流控芯片dna分子計算機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機(jī)科學(xué)，分子生物學(xué)及微流控芯片技術(shù)。特別提供了一種微流控芯片DNA分子計算機(jī)、微流控芯片DNA分子運(yùn)算器、微流控芯片DNA分子存儲器、及一種專門用于DNA分子計算機(jī)的微流控芯片、和專門用于DNA分子計算機(jī)的微流控芯片的試劑盒。
背景技術(shù)：
DNA計算是一種關(guān)于計算的新的思維方式，同時也是關(guān)于化學(xué)和生物的一種新的思維方式。盡管生物的和數(shù)學(xué)的過程有各自的復(fù)雜性，但它們有一個重要的共性即生物體所有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)實際上是編碼在DNA序列中的原始信息經(jīng)過一些簡單的處理后得到的，而求一個含變量W的可算函數(shù)的值也可以通過一系列含變量W的簡單函數(shù)的復(fù)合來實現(xiàn)。
DNA計算的基本原理是將DNA分子中的密碼作為存儲的數(shù)據(jù)，當(dāng)DNA分子間在某種酶的作用下瞬間完成生物化學(xué)反應(yīng)時，可以從一種基因代碼變?yōu)榱硪环N基因代碼，如果將反應(yīng)前的基因代碼作為輸入數(shù)據(jù)，那么反應(yīng)后的基因代碼就可以作為運(yùn)算結(jié)果。這樣，通過對DNA雙螺旋進(jìn)行豐富的精確可控的生物化學(xué)反應(yīng)，包括標(biāo)記，擴(kuò)增或者破壞原有鏈來完成各種不同的運(yùn)算過程，就可能研制成一種以DNA作為運(yùn)算介質(zhì)的新型的計算機(jī)。由于它采用的是一種完全不同于傳統(tǒng)計算機(jī)的運(yùn)算邏輯和存儲方式，在解決某些復(fù)雜問題時將具有傳統(tǒng)計算機(jī)所無法比擬的優(yōu)勢。
作為DNA計算的一個成功而最具代表性的例子，DNA計算機(jī)正以不斷發(fā)展的生物技術(shù)為基礎(chǔ)，開始向以集成電路為核心的傳統(tǒng)“無機(jī)”計算機(jī)挑戰(zhàn)。由于傳統(tǒng)計算機(jī)中集成電路的復(fù)雜性，無機(jī)硅芯片的存儲極限，以及其本身計算方法的局限性，這使得在傳統(tǒng)計算機(jī)中實現(xiàn)超微結(jié)構(gòu)，超大存儲量和在處理某些問題時運(yùn)算速度數(shù)量級的提高存在很大困難。
DNA計算具有并行性高，運(yùn)算速度快，存儲信息量大的特點(diǎn)。但是迄今為止，有關(guān)DNA計算的研究工作大體集中在兩個方面即早期的生物分子計算研究和近期的自動生物分子計算機(jī)器的研究。所有這些工作，至少存在著下述兩個方面的局限性。一是在DNA計算中所涉及的生物操作以及相應(yīng)的結(jié)果確認(rèn)缺乏一個支撐計算的完整集成的硬件裝置，當(dāng)然也不可能對相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行控制；二是所有這些分子計算工作只進(jìn)行了DNA分子的自動運(yùn)算而沒有能夠?qū)⑵渲械拿總€計算過程記錄并存貯下來，而存貯功能是現(xiàn)代意義的計算機(jī)的主要功能之一，也是DNA計算機(jī)有別于DNA計算裝置的一個基本特征。
微流控芯片實驗室是指把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備，生物與化學(xué)反應(yīng)，分離、檢測等基本操作單元集成或基本集成到一塊幾平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化學(xué)反應(yīng)過程，并對其產(chǎn)物進(jìn)行分析的一種技術(shù)。芯片實驗室原則上適用于從核酸、蛋白質(zhì)直到有機(jī)、無機(jī)小分子的各種不同類型分子的反應(yīng)、分離和檢測，涉及到了很大一部分生物和化學(xué)問題。
廣義地說，芯片實驗室分為兩大類，一類是以靜態(tài)親和雜交技術(shù)為核心的陣列微孔板芯片，沒有流通網(wǎng)絡(luò)，沒有分離，因為比較專一的適用于DNA和蛋白質(zhì)，通常被國內(nèi)的媒體稱之為“生物芯片”。另一類以微流控技術(shù)為基礎(chǔ)，由微通道在芯片上形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個系統(tǒng)，通常被稱之為微流控芯片實驗室，是芯片實驗室的主流。
微流控芯片技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，特別是它所具有的芯片實驗室的基本條件以及高通量大規(guī)模集成的特點(diǎn)，為取代試管或表面操作，構(gòu)建一個嚴(yán)格意義上的DNA計算機(jī)提供了一種可能的平臺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以微流控芯片為操作平臺的DNA分子計算機(jī)、DNA分子運(yùn)算器、DNA分子存儲器、及一種專門用于DNA分子計算機(jī)的微流控芯片、和專門用于DNA分子計算機(jī)的微流控芯片的試劑盒。
本發(fā)明提供了一種微流控芯片DNA分子計算機(jī)，主要包括——以DNA分子為運(yùn)算介質(zhì)，以微流控芯片為操作平臺的DNA分子運(yùn)算器；——以DNA分子為存儲介質(zhì)，以微流控芯片為操作平臺的DNA分子存儲器；——以電子計算機(jī)和檢測器為核心的控制器；控制器分別與DNA分子運(yùn)算器和DNA分子存儲器的微流控芯片上的電極聯(lián)接。
本發(fā)明微流控芯片DNA分子計算機(jī)中，所述作為運(yùn)算介質(zhì)的DNA分子，在所述DNA分子運(yùn)算器的微流控芯片上，按照所述控制器發(fā)出的指令完成DNA分子運(yùn)算。
本發(fā)明微流控芯片DNA分子計算機(jī)中，所述DNA分子運(yùn)算器的輸入部分對應(yīng)的是含有特定序列的DNA計算分子和含有特定序列的DNA轉(zhuǎn)移分子，輸出部分對應(yīng)的是通過酶切、酶連等生化過程獲得的的代表計算結(jié)果DNA輸出分子。
本發(fā)明微流控芯片DNA分子計算機(jī)中，所述作為存儲介質(zhì)的DNA分子，在所述DNA分子存儲器的微流控芯片上，按照所述控制器發(fā)出的指令完成對所述DNA分子運(yùn)算過程和結(jié)果的存儲。
本發(fā)明微流控芯片DNA分子計算機(jī)中，所述DNA分子存儲器的輸入部分對應(yīng)的是DNA空白分子和含有已知序列的DNA存儲單元分子，輸出部分對應(yīng)的是通過酶切、酶連等生化過程獲得的經(jīng)過“疊加操作”的DNA存儲分子。
本發(fā)明微流控芯片DNA分子計算機(jī)中，所述DNA存儲單元分子的種類數(shù)目與DNA分子運(yùn)算器中的DNA轉(zhuǎn)移分子的種類數(shù)目相對應(yīng)。
本發(fā)明微流控芯片DNA分子計算機(jī)中，所述檢測器針對DNA分子運(yùn)算器的DNA輸出分子進(jìn)行檢測，所述電子計算機(jī)根據(jù)檢測結(jié)果做出甄別判斷并對DNA分子運(yùn)算器和DNA分子存儲器發(fā)送指令，使得DNA分子分別在運(yùn)算器和存儲器的微流控芯片操作平臺上完成DNA分子運(yùn)算和DNA分子存儲。
本發(fā)明微流控芯片DNA分子計算機(jī)中，所述檢測器可以為激光誘導(dǎo)熒光檢測器、電化學(xué)檢測器、紫外檢測器。
本發(fā)明提供了一種微流控芯片DNA分子運(yùn)算器，由運(yùn)算介質(zhì)、反應(yīng)介質(zhì)和微流控芯片構(gòu)成所述運(yùn)算介質(zhì)為含有特定序列的DNA計算分子、用于中間操作的含有特定序列DNA轉(zhuǎn)移分子和通過生化反應(yīng)代表計算結(jié)果的DNA輸出分子；所述反應(yīng)介質(zhì)為各種用于酶切、酶連反應(yīng)的生化酶；所述微流控芯片上至少設(shè)置有由微通道順序相連的酶切反應(yīng)區(qū)、酶連反應(yīng)區(qū)、結(jié)果輸出區(qū)。
本發(fā)明微流控芯片DNA分子運(yùn)算器中，所述微流控芯片上，酶連反應(yīng)區(qū)的數(shù)目與轉(zhuǎn)移分子的種類數(shù)目相對應(yīng)。
本發(fā)明微流控芯片DNA分子運(yùn)算器中，所述微流控芯片上，結(jié)果輸出區(qū)前設(shè)置有PCR擴(kuò)增區(qū)。
本發(fā)明微流控芯片DNA分子運(yùn)算器中，所述微流控芯片上，設(shè)置有存放各種運(yùn)算介質(zhì)、各種反應(yīng)介質(zhì)的區(qū)域，這些區(qū)域通過微通道與各自相關(guān)的酶切反應(yīng)區(qū)或酶連反應(yīng)區(qū)相連。
本發(fā)明微流控芯片DNA分子運(yùn)算器中，所述微流控芯片上，設(shè)置有統(tǒng)一的分別存放空白緩沖液和廢液的區(qū)域。
本發(fā)明提供了一種微流控芯片DNA分子存儲器，由存儲介質(zhì)、反應(yīng)介質(zhì)和微流控芯片構(gòu)成所述存儲介質(zhì)包括含有已知序列的短鏈的DNA存儲單元分子、用于起始操作的DNA空白分子、通過生化反應(yīng)代表疊加結(jié)果的DNA存儲分子。
所述微流控芯片上至少設(shè)置有存儲單元區(qū)、酶切反應(yīng)區(qū)、酶連反應(yīng)區(qū)和結(jié)果輸出區(qū)。酶切反應(yīng)區(qū)、酶連反應(yīng)區(qū)、結(jié)果輸出區(qū)由微通道順序相連，存儲單元區(qū)與酶連反應(yīng)區(qū)由微通道相連。
本發(fā)明微流控芯片DNA分子存儲器中，所述微流控芯片上，結(jié)果輸出區(qū)前設(shè)置有PCR擴(kuò)增區(qū)。
本發(fā)明微流控芯片DNA分子存儲器中，所述微流控芯片上，設(shè)置有存放各種存儲介質(zhì)、各種反應(yīng)介質(zhì)的區(qū)域，這些區(qū)域通過微通道與各自相關(guān)的酶切反應(yīng)區(qū)或酶連反應(yīng)區(qū)相連。
本發(fā)明微流控芯片DNA分子存儲器中，所述微流控芯片上，設(shè)置有統(tǒng)一的分別存放空白緩沖液和廢液的區(qū)域。
本發(fā)明的發(fā)明人基于上述以微流控芯片為基礎(chǔ)的DNA分子計算機(jī)的基本技術(shù)方案，利用現(xiàn)有設(shè)備，設(shè)計并搭建了一臺相應(yīng)的微流控芯片DNA計算機(jī)，這一臺DNA計算機(jī)具體地由微流控芯片、微流控芯片工作站以及用以完成各種分子反應(yīng)的試劑盒等三個部分組成。
DNA計算機(jī)微流控芯片由一塊一面集成有多組復(fù)雜微通道的平板A和一塊封接平板B疊合而成；平板A具有多組復(fù)雜微通道，該芯片微通道的寬度為75μm。兩個平板中間形成封閉通道，在平板A上設(shè)置有通道的進(jìn)出口。具體芯片設(shè)計如圖3所示。圖3中a組液池及微通道完成DNA計算機(jī)的輸入、輸出、計算功能，b組液池及微通道完成存貯功能。
或者說，本發(fā)明提供了一種用于DNA分子計算機(jī)的微流控芯片，其特征在于在該芯片上集成有DNA分子運(yùn)算器和DNA分子存儲器。
在微流控芯片的一側(cè)，集成了可以進(jìn)行酶連、酶切反應(yīng)、PCR反應(yīng)和微通道中的電泳分離的各種操作單元，用以完成DNA分子計算的輸入/輸出功能、計算功能和控制功能；具體地，本發(fā)明用于DNA分子計算機(jī)的微流控芯片中，所述DNA分子運(yùn)算器部分對稱地設(shè)置有一個酶切反應(yīng)池(1)、兩個酶連反應(yīng)池(2)、兩個PCR反應(yīng)池(3)、一個緩沖液池(4)、兩個標(biāo)準(zhǔn)核酸片段池(5)、一個廢液池(6)。酶切反應(yīng)池(1)分別地與酶連反應(yīng)池(2)、再順序地與PCR反應(yīng)池(3)連接；緩沖液池(4)、廢液池(6)和兩個標(biāo)準(zhǔn)核酸片段池(5)構(gòu)成一個十字型通道的檢測區(qū)，兩個標(biāo)準(zhǔn)核酸片段池(5)之間為進(jìn)樣通道，緩沖液池(4)、廢液池(6)之間為檢測通道；PCR反應(yīng)池(3)接檢測區(qū)的進(jìn)樣通道；見圖4。
在芯片的另一側(cè)，設(shè)計了一個存貯裝置，其中包括有一個“?！?，用以累加每次計算所得的結(jié)果，直到指令發(fā)送完畢。
具體地，本發(fā)明用于DNA分子計算機(jī)的微流控芯片中，所述DNA分子存儲器部分設(shè)置有兩個存儲單元分子儲液池(7)、一個酶切、酶連反應(yīng)池(8)、一個PCR反應(yīng)池(3)、一個緩沖液池(4)、一個廢液池(6)、樣品廢液池(9)；酶切、酶連反應(yīng)池(8)分別與兩個存儲單元分子儲液池(7)和PCR反應(yīng)池(3)相連；PCR反應(yīng)池(3)、樣品廢液池(9)、緩沖液池(4)、廢液池(6)構(gòu)成一個十字型通道的檢測區(qū)，緩沖液池(4)、廢液池(6)之間為檢測通道，PCR反應(yīng)池(3)、樣品廢液池(9)之間為進(jìn)樣通道；見圖5。
微流控芯片的微通道的截面為倒梯形或矩形，微通道寬度為75μm。液池直徑為2～6mm。
微流控芯片材質(zhì)可以是玻璃，石英，塑料。其中塑料芯片包括PDMS芯片、PMMA芯片、PC芯片。
微流控芯片工作站是一套現(xiàn)有的、常用的用于微流控芯片的工作系統(tǒng)，見圖2，由一體化的芯片電泳平臺、激光誘導(dǎo)熒光檢測、CCD監(jiān)測、電源和計算機(jī)操作系統(tǒng)等部分組成。具有芯片能源供應(yīng)和信號收集功能，并兼管對DNA計算機(jī)的硬件控制。
為了使上述DNA計算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)輸入、輸出、計算和存貯等功能，還需要一系列的生化反應(yīng)試劑與之相配合，為此，本發(fā)明還提供了一種DNA計算機(jī)微流控芯片試劑盒，如圖6所示，盒內(nèi)裝置有1片DNA計算機(jī)微流控芯片(11)，1套限制性內(nèi)切酶反應(yīng)試劑(22)，1套連接酶反應(yīng)試劑(33)，1套聚合酶鏈反應(yīng)PCR反應(yīng)試劑(44)，1瓶電泳緩沖液(55)及標(biāo)準(zhǔn)核酸片段(66)。芯片結(jié)構(gòu)見圖3，集成有多組復(fù)雜微通道，a組液池及微通道完成DNA計算機(jī)的輸入、輸出、計算功能，b組液池及微通道完成存貯功能。
限制性內(nèi)切酶反應(yīng)試劑包含限制性內(nèi)切酶和反應(yīng)緩沖液。限制性內(nèi)切酶的種類可以為Fok I，Bgl I，BstX I，Sfi I等。連接酶反應(yīng)試劑包含T4連接酶和反應(yīng)緩沖液。PCR反應(yīng)試劑包含Taq酶、反應(yīng)緩沖液和脫氧核苷三磷酸(dNTP)。所述marker作為內(nèi)標(biāo)物以確定產(chǎn)物DNA的長度。
總之，本發(fā)明首次采用微流控芯片技術(shù)取代目前DNA計算過程中廣泛使用的試管或表面操作，利用微流控芯片操作精確可控、以及可以高通量大規(guī)模集成的特點(diǎn)，為構(gòu)建一個嚴(yán)格意義上的DNA計算機(jī)提供了一種現(xiàn)實可能的平臺。


圖1為微流控芯片DNA計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)圖；圖2為DNA計算機(jī)的微流控芯片工作站照片；圖3為DNA計算機(jī)微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖；A.集成有多組復(fù)雜微通道和通道進(jìn)出口的平板，B.封接平板；圖4為DNA計算機(jī)微流控芯片上運(yùn)算器設(shè)計示意圖；圖中孔1.酶切反應(yīng)池，孔2.酶連反應(yīng)池，孔3.PCR反應(yīng)池，孔4.緩沖液池，孔5.標(biāo)準(zhǔn)核酸片段，孔6.廢液池，圖5為DNA計算機(jī)微流控芯片上存儲器設(shè)計示意圖；圖中孔7.存儲分子儲液池，孔8.酶切、酶連反應(yīng)池，孔3.PCR反應(yīng)池，孔4.緩沖液池，孔6.廢液池，孔9.樣品廢液池。
圖6為DNA計算機(jī)所用的試劑盒結(jié)構(gòu)示意；
圖7為2個輸入符號(a，b)和3個狀態(tài)(S0，S1，S2)的有限狀態(tài)自動機(jī)；圖8為三角形的句法結(jié)構(gòu)；圖9為輸入符號為“aabbb”的有限狀態(tài)自動機(jī)的計算流程及相應(yīng)電泳譜圖；圖10為微流控芯片DNA計算機(jī)存儲過程及相應(yīng)電泳譜圖。
具體實施例方式由圖1可見，微流控芯片DNA計算機(jī)主要包括微流控芯片工作站、微流控芯片以及用以完成各種分子反應(yīng)的試劑盒。微流控芯片工作站由電源、控制裝置和輸出裝置組成，具有芯片能源供應(yīng)和信號收集功能，并兼管DNA計算機(jī)的控制。工作站的直流高壓電源系統(tǒng)連有八個電極，可根據(jù)需要在微流控芯片的不同位置各間施加不同的電壓，控制反應(yīng)液按需要在通道間流動。微流控芯片工作站的檢測器可相對芯片移動，對算法邏輯單元和存貯單元中的反應(yīng)產(chǎn)物分別進(jìn)行檢測。芯片是整個計算機(jī)的核心，計算機(jī)的運(yùn)算功能和存貯功能均在芯片上完成。試劑盒中的DNA分子和各種試劑通過輸入單元進(jìn)入系統(tǒng)。
圖2為集成式DNA計算機(jī)的微流控芯片工作站，是現(xiàn)有設(shè)備，兼有電滲和壓力兩種驅(qū)動方式，以激光誘導(dǎo)熒光為檢測手段，包括激光誘導(dǎo)熒光檢測及CCD圖像監(jiān)測光學(xué)系統(tǒng)、八電極直流高壓電源系統(tǒng)、程控三維平臺、控制電路系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)等。微流控芯片工作站的上部，是芯片固定平臺和電極操作平臺，可上下移動。下部由一體化的光學(xué)檢測系統(tǒng)組成，其中包括可供調(diào)焦和管道監(jiān)測之用的CCD和光學(xué)檢測記錄部分。在光學(xué)檢測記錄部分中設(shè)計有可供更替發(fā)射熒光窄帶濾光片的部位，以供多種波長選擇。工作站后部由可切換的高壓電源及有關(guān)電路組成。
圖3為DNA計算機(jī)的核心部件微流控芯片。這一芯片包括了輸入、輸出、計算和存貯等功能，分別集成了酶切反應(yīng)、酶連反應(yīng)、PCR反應(yīng)和電泳分離等操作單元。在芯片的一側(cè)的算法邏輯單元(a)，詳見圖4，孔1為酶切反應(yīng)池(1)同時為DNA計算機(jī)信號的輸入單元，所有指令均從這兒進(jìn)入。檢測點(diǎn)是輸出端，通過激光誘導(dǎo)熒光檢測DNA分子，并通過A/D轉(zhuǎn)化將信號傳輸給微流控芯片工作站的軟件部分，再行翻譯表達(dá)，完成輸出功能。芯片中的通道和孔是完成DNA計算所必需的功能單元，用以實現(xiàn)DNA的生化反應(yīng)和反應(yīng)產(chǎn)物的及時分離檢測，保證DNA計算機(jī)輸入、輸出功能和計算功能的完成。在所示芯片的存貯一側(cè)(b)，詳見圖5，設(shè)計了一種“堆棧”存貯器，用以存貯每次計算所得的結(jié)果。這種“堆棧”存貯器在上下文無關(guān)文法識別中有較重要的作用。
圖6為微流控芯片DNA計算機(jī)所采用的試劑盒，試劑盒中包括微流控芯片，完成酶切反應(yīng)、酶連反應(yīng)、PCR反應(yīng)和電泳分離所需的各種化學(xué)生物學(xué)試劑。
把圖1中的微流控芯片DNA計算機(jī)與典型的電子計算機(jī)各組成單元的功能進(jìn)行對照，結(jié)果如表1所示。
表1.微流控芯片DNA計算機(jī)與典型電子計算機(jī)的各組成單元的功能對照


微流控芯片DNA計算機(jī)的功能實現(xiàn)為方便計，采用2個輸入符號(a，b)和3個狀態(tài)(S0，S1，S2)的有限狀態(tài)自動機(jī)來實現(xiàn)微流控芯片DNA計算機(jī)的上述各項功能，如圖7所示。該有限狀態(tài)自動機(jī)是基于等腰三角形的句法結(jié)構(gòu)模式識別的思想提出的。
不失一般性，可將三角形看成由一些小的線段組成，每個線段有相同的長度。這些線段分成水平線、上行斜線和下行斜線等三種類型，是構(gòu)成三角形的基本單元。在此基礎(chǔ)上把這一三角形描述成基元組成的字符串，如圖8所示的三角形可以表示為“aabbbcccc”。文中，采取兩條邊相比較的方法，基于上述有限狀態(tài)自動機(jī)通過DNA分子的計算得到其最終狀態(tài)，如果最終狀態(tài)為S0，代表兩邊相等，否則表示這兩邊不等。
圖7中的有限狀態(tài)自動機(jī)的相應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則設(shè)計為

轉(zhuǎn)移分子設(shè)計為T1 T2


T3 T4


T5

上述5種轉(zhuǎn)移分子的左端引物20個堿基對均設(shè)計為不同序列。
圖3為有限狀態(tài)自動機(jī)識別的微流控芯片設(shè)計圖，由此可以了解微流控芯片DNA計算機(jī)的輸入、輸出、運(yùn)算、控制和存儲功能的工作原理和實現(xiàn)過程。
特定的DNA分子和相應(yīng)的反應(yīng)試劑加入圖4的酶切反應(yīng)池1中，以輸入數(shù)據(jù)。
①DNA分子分別在孔1-3中完成酶切、酶連以及PCR反應(yīng)過程，進(jìn)行DNA的計算，②孔4-孔6之間的通道內(nèi)進(jìn)行電泳分離檢測得到圖譜，輸出數(shù)據(jù)。
③根據(jù)輸出的數(shù)據(jù)，由微流控芯片工作站控制圖5所示的存儲部分實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。
④孔7放入不同的存儲分子，在孔8和3中完成酶切、酶連以及PCR反應(yīng)，實現(xiàn)存儲。
⑤反應(yīng)產(chǎn)物在孔4-孔6之間的通道內(nèi)進(jìn)行電泳分離檢測得到圖譜，記錄存儲的結(jié)果。
下面對如何在微流控芯片上實現(xiàn)以有限狀態(tài)自動機(jī)為模型的DNA計算機(jī)的五大功能做一具體介紹(1)輸入圖7中的有限狀態(tài)自動機(jī)的輸入分子符號為aATCACGbACGGTATAGTGC TGCCATTerminator分子為GTACCTCATGGA以初始狀態(tài)S0，輸入符號“aabbb”的有限狀態(tài)自動機(jī)為例，得到相應(yīng)的DNA輸入分 將含有上述DNA序列的分子的溶液導(dǎo)入到圖3中a側(cè)芯片的孔1中，實現(xiàn)輸入過程。
(2)輸出選擇FokI限制性內(nèi)切酶，其識別位點(diǎn)為5’-GGATG-3’，酶切位點(diǎn)是(9，13)，酶切后會形成一段4bp的粘性末端，它編碼了不同狀態(tài)和符號的組合，如表2所示。
表2不同狀態(tài)和符號的組合 酶切后會形成的粘性末端在連接酶作用下與帶有互補(bǔ)粘性末端的相應(yīng)的轉(zhuǎn)移分子粘連，形成一段新的DNA片段，編碼新的狀態(tài)。
檢測分子用來檢測程序運(yùn)行結(jié)果所對應(yīng)的狀態(tài)，所以自動機(jī)的terminator狀態(tài)均設(shè)計一個相應(yīng)的檢測分子如下 D-S0D-S1D-S2上述檢測分子和Output分子連接后形成報告分子(Report分子)，在圖4芯片中的孔4-6間被檢測并記錄下來。
(3)計算在微流控芯片上實現(xiàn)了如圖9所示計算流程。
圖9中a-g是輸入狀態(tài)、各個中間狀態(tài)以及輸出狀態(tài)對應(yīng)的電泳譜圖。右側(cè)是輸入符號為“aabbb”的有限狀態(tài)自動機(jī)的計算流程。圖9a為輸入分子Input-aabbb的電泳譜圖，圖9(b-f)表示的是計算過程中各個產(chǎn)物的電泳譜圖，圖9g是輸出分子的電泳譜圖。以100bp系列標(biāo)準(zhǔn)核酸片段(DNA marker)作為內(nèi)標(biāo)物以確定各目標(biāo)分子(已作標(biāo)注)的長度。在100bp系列DNA marker中，由左到右各個峰代表的DNA分子長度對應(yīng)為100，200，300，400，500，600，700，800，900，1000，1500bp。其中500bp的峰明顯高于其他峰，所以將其作為標(biāo)志物，在圖中標(biāo)出?？擅黠@看出圖9的a-g中各目標(biāo)分子的峰相對marker發(fā)生了明顯位移，這表明DNA分子經(jīng)過右側(cè)所示的各步酶切、酶連反應(yīng)后，長度發(fā)生了變化。
(4)存儲在微流控芯片DNA計算機(jī)中，通過“堆棧”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲。根據(jù)計算的結(jié)果(轉(zhuǎn)移分子及對應(yīng)輸入符號)，微流控芯片工作站控制存儲芯片把相應(yīng)的數(shù)據(jù)錄入存儲分子中，從而實現(xiàn)其在DNA計算機(jī)中的存儲功能。
(5)控制將計算結(jié)果的信息反饋給工作站，由預(yù)先設(shè)計的計算機(jī)程序控制另一端的存儲芯片把相應(yīng)的數(shù)據(jù)錄入存儲分子中。
①通過A-D轉(zhuǎn)換器把芯片中反映DNA分子信息的信號采集到微流控芯片工作站中；②把采集到的信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形文件；③DNA分子的遷移時間和其分子長度成正比，通過特定計算機(jī)程序分析加入DNA marker的PCR產(chǎn)物電泳圖，可以比較準(zhǔn)確的測定PCR產(chǎn)物的長度，把計算值和理想值進(jìn)行比較，就可以確定每步反應(yīng)中的轉(zhuǎn)移分子。
④顯示結(jié)果并發(fā)送信號到DNA計算機(jī)的數(shù)據(jù)存儲端，通過DNA分子記錄每步反應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。
⑤存儲功能的控制將微流控芯片a側(cè)信號傳輸給工作站，由其控制芯片b側(cè)的存儲單元輸入Memory-a、Memory-b，直到指令發(fā)送完畢。
存儲器的實現(xiàn)到目前為止，由于試管技術(shù)條件的限制，無法實現(xiàn)DNA計算的結(jié)果和中間狀態(tài)的存儲，而這一存儲功能可以在本發(fā)明所采用的微流控芯片系統(tǒng)中實現(xiàn)。
下面我們詳細(xì)討論在微流控芯片上實現(xiàn)存儲功能的過程。計算機(jī)中常見的線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有表，堆棧和隊列，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對DNA計算機(jī)的發(fā)展有著非常重要的意義。以下以輸入符號“aab”為例，來實現(xiàn)在微流控芯片上的堆棧存儲結(jié)構(gòu)。存儲單元中最初為“空”，即僅含“E”分子。輸入一個Memory-a或Memory-b分別使存儲分子增加一段13bp或21bp的特定序列，最終通過檢測長度或測序可輸出存儲的結(jié)果。
E分子的設(shè)計從takara購買的PUC19質(zhì)粒上用引物L(fēng)1和R1擴(kuò)增，得到長度為304bp的片段，其中417-422位含有BamHI內(nèi)切酶識別位點(diǎn)GGATCC，繼而用Bam HI酶切，生成左側(cè)帶有4bp粘性末端的DNA分子，即為空白分子“E”。
堆棧中存儲單元分子的設(shè)計Memory-a和Memory-b分子右端帶有粘性末端，可與空白分子“E”相連。由于它們均含有FokI酶切位點(diǎn)，因此酶連產(chǎn)物在FokI酶的作用下重新被分割成兩部分。根據(jù)計算過程中轉(zhuǎn)移分子給出的有關(guān)狀態(tài)和符號的信息，進(jìn)行存儲。存入Memory-a或Memory-b，空白分子“E”實際上增加了一段13bp或21bp的特定序列。當(dāng)輸出為Terminator分子時，存儲結(jié)束。最終通過檢測長度或測序可輸出存儲的結(jié)果。
存儲過程的具體操作過程如下首先在孔12中30℃條件下用BamHI限制性內(nèi)切酶酶切生成左端帶粘性末端的空白分子“E”，其長度為263bp。65℃加熱10min使酶失去活性。按計算的結(jié)果引入存儲單元分子Memory-a或Memory-b(包含F(xiàn)okI酶切位點(diǎn))。在18℃酶連30min，65℃加熱10min使酶失去活性。以酶連產(chǎn)物為模板進(jìn)行PCR，擴(kuò)增產(chǎn)物以電泳檢測。重復(fù)上述操作，當(dāng)計算過程輸出為Terminator分子時，存儲結(jié)束。最終得到的存儲分子中包含有整個DNA計算的信息，可以隨時讀取。
以輸入符號為“aab”的有限狀態(tài)自動機(jī)的動態(tài)存儲過程為例，對存儲過程進(jìn)行描述圖10-a是堆棧存儲過程的示意圖和各步存儲產(chǎn)物的電泳譜圖，圖10-b是其對應(yīng)的運(yùn)算過程。運(yùn)算過程中轉(zhuǎn)移分子包含了狀態(tài)和符號的信息。輸入符號為“aab”的有限狀態(tài)自動機(jī)的轉(zhuǎn)移分子依次為T1，T2和T3，其對應(yīng)的符號依次為a，a，b。根據(jù)以上信息，將Memory-a，Memory-a和Memory-b依次存入E分子，得到Ea，Eaa和Eaab。于是就完成了一個輸入符號為“aab”的堆棧存儲。利用與上述“堆棧”存儲過程類似的方法，也可以實現(xiàn)隊列和表的動態(tài)存儲過程。
權(quán)利要求
1.一種微流控芯片DNA分子計算機(jī)，主要包括——以DNA分子為運(yùn)算介質(zhì)，以微流控芯片為操作平臺的DNA分子運(yùn)算器；——以DNA分子為存儲介質(zhì)，以微流控芯片為操作平臺的DNA分子存儲器；——以電子計算機(jī)和檢測器為核心的控制器；控制器分別與DNA分子運(yùn)算器和DNA分子存儲器的微流控芯片上的電極聯(lián)接。
2.按照權(quán)利要求1所述微流控芯片DNA分子計算機(jī)，其特征在于所述作為運(yùn)算介質(zhì)的DNA分子，在所述DNA分子運(yùn)算器的微流控芯片上，按照所述控制器發(fā)出的指令完成DNA分子運(yùn)算。
3.按照權(quán)利要求2所述微流控芯片DNA分子計算機(jī)，其特征在于所述DNA分子運(yùn)算器的輸入部分對應(yīng)的是含有特定序列的DNA計算分子和含有特定序列的DNA轉(zhuǎn)移分子，輸出部分對應(yīng)的是通過酶切、酶連等生化過程獲得的代表計算結(jié)果DNA輸出分子。
4.按照權(quán)利要求2所述微流控芯片DNA分子計算機(jī)，其特征在于所述作為存儲介質(zhì)的DNA分子，在所述DNA分子存儲器的微流控芯片上，按照所述控制器發(fā)出的指令完成對所述DNA分子運(yùn)算過程和結(jié)果存儲。
5.按照權(quán)利要求4所述微流控芯片DNA分子計算機(jī)，其特征在于所述DNA分子存儲器的輸入部分對應(yīng)的是DNA空白分子和含有已知序列的DNA存儲單元分子，輸出部分對應(yīng)的是通過酶切、酶連等生化過程獲得的經(jīng)過“疊加操作”的DNA存儲分子。
6.按照權(quán)利要求5所述微流控芯片DNA分子計算機(jī)，其特征在于所述DNA存儲單元分子的種類數(shù)目與DNA分子運(yùn)算器中的DNA轉(zhuǎn)移分子的種類數(shù)目相對應(yīng)。
7.按照權(quán)利要求2所述微流控芯片DNA分子計算機(jī)，其特征在于所述檢測器針對DNA分子運(yùn)算器的DNA輸出分子進(jìn)行檢測，所述電子計算機(jī)根據(jù)檢測結(jié)果做出甄別判斷并對DNA分子運(yùn)算器和DNA分子存儲器發(fā)送指令，使得DNA分子分別在運(yùn)算器和存儲器的微流控芯片操作平臺上完成DNA分子運(yùn)算和DNA分子存儲。
8.按照權(quán)利要求7所述微流控芯片DNA分子計算機(jī)，其特征在于所述檢測器可為激光誘導(dǎo)熒光檢測器、電化學(xué)檢測器、紫外檢測器。
全文摘要
一種微流控芯片DNA分子計算機(jī)，主要包括以DNA分子為運(yùn)算介質(zhì)，以微流控芯片為操作平臺的DNA分子運(yùn)算器；以DNA分子為存儲介質(zhì)，以微流控芯片為操作平臺的DNA分子存儲器；以電子計算機(jī)和檢測器為核心的控制器；控制器分別與DNA分子運(yùn)算器和DNA分子存儲器的微流控芯片上的電極聯(lián)接。本發(fā)明首次采用微流控芯片技術(shù)取代目前DNA計算過程中廣泛使用的試管或表面操作，利用微流控芯片操作精確可控、以及可以高通量大規(guī)模集成的特點(diǎn)，為構(gòu)建一個嚴(yán)格意義上的DNA計算機(jī)提供了一種現(xiàn)實可能的平臺。
文檔編號G06N3/12GK1779703SQ20041010084
公開日2006年5月31日 申請日期2004年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月23日
發(fā)明者林炳承, 李博偉, 解華, 丁永生, 黃振德 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所