文摘
纳米结构与信息处理在许多领域扮演着重要的角色。这是一个很好的方法来应用DNA纳米结构由DNA折纸分子结合混合连锁反应。摘要分配问题映射到DNA折纸衬底上的组合图。相对应的图有几个模块的时间效率矩阵赋值问题。开始一系列相应的模块是杂化的发夹结构的起点,和相应的模块打开发光。可行的解决问题的办法可以通过观察发光荧光打开模块的数量。所有打开的荧光数字模块添加相同的折纸衬底,然后在不同的试管比较不同的打开方法,获得最优解。
1。介绍
DNA纳米结构被越来越多的研究学者,而且它已经成为纳米材料构建的主要方式。DNA纳米结构从一维到二维和三维结构在相关问题上发挥着越来越重要的作用1- - - - - -4]。2006年,Rothemund提出了一种新的DNA nano-self-assembly method-DNA折纸(5]。DNA折纸是一种噬菌体的DNA链作为支架。我们称之为脚手架链使用多个来回折叠装订链修复的形状,我们可以得到一个复杂的二维结构。DNA折纸装配效率高的优点,可编程性纳米结构和纳米结构可寻址能力。DNA折纸可以建造许多复杂和多样的纳米结构,及其基质装配功能性碳纳米管有很大优势,纳米粒子,和蛋白质6,7]。柯等人设计和建造一个四面体三维分子容器由DNA折纸。三维分子笼具有较高的稳定性和潜在应用前景奈(8]。Tikhomirov微米尺寸和他的团队提出了一个分形组装方法DNA折纸数组与任意模式。摘要广场DNA折纸瓷砖表面模式作为基本建筑单元构造模式如蒙娜丽莎和公鸡。的建设和成功实现装配方法证明DNA折纸的可寻址能力(9]。王等人使用DNA折纸纳米结构直观地观察细胞吸收和转移的肿瘤细胞(10]。DNA折纸可以构造高度复杂的纳米结构,具有广泛的潜在应用奈。事实上,DNA折纸已广泛应用于逻辑操作,单分子检测和其他领域(11,12]。DNA折纸作为基本模板,碳纳米管和蛋白质结构功能金属纳米粒子的组装(13- - - - - -15]。
混合连锁反应(HCR)是一个DNA分子结构的交互方法短剑和皮尔斯在2004年提出的。它使用竞争之间的杂交核酸探针作为核酸纳米结构自组装的能源来实现信号放大(16]。杂化的连锁反应可以在室温下进行。它很容易操作,降低实验成本。通过结合HCR G-quadruplex,东等人设计了一种荧光标记检测的传感器目标DNA。当目标DNA链存在,它打开两个发夹探针,与触发链。HCR形式双长链和释放G-quadruplex检测目标DNA通过改变前后的荧光强度的反应(17]。肖等人设计了一个各种各样的化学发光成像技术针对杂交连锁反应扩增的DNA微阵列和相邻的绑定(18]。本文得到正确的解决方案的逻辑电路的基础上混合连锁反应。曹国伟等人与混合集成DNA折纸连锁反应设计一个单分子DNA导航器来解决迷宫问题。在这个设计中,2 d折纸模型作为基础,和near-end-chain交换基于混合连锁反应级联反应用于单向放大的基础。最后,迷宫的正确路线问题是通过原子力显微镜观察(19]。它已经被证明具有良好的应用前景,如混合连锁反应结合DNA折纸结构(20.- - - - - -32]。
DNA纳米结构和混合连锁反应被用来设计折纸衬底上的图。开始链放入反应溶液和杂化的发夹结构,打开相应的模块。序列的DNA链模型是精心设计,确保系统稳定的解决方案没有任何反应。用折纸的发夹结构反应底物溶液中,打开相应的模块,荧光发光。通过添加的荧光数据打开模块在同一折纸衬底上,我们可以得到可行的解决方案。
2。背景知识
2.1。DNA折纸和混合连锁反应
DNA折纸折叠长M13mp18噬菌体DNA链来回和使用多个短链的形状来获得精细和复杂的结构。DNA链的设计相对简单,装配效率高。的选址可以通过重新设计短链(短链)和脚手架链(长链)互补。
混合连锁反应(HCR)是一种新的信号放大和皮尔斯提出的方法。它设计不同的寡核苷酸和使用一个小的核苷酸链作为引发剂诱导DNA寡核苷酸相互杂交形成的空间结构。反应条件温和,操作简单。反应原理如图1。
C1和C2是两个发夹DNA链中稳定的解决方案。他们是由粘结束,双链“茎”,和单链循环,如左边的图所示1。T是链开始,这是一条DNA链由两部分组成的。当链开始补充道,与粘性末端的两个片段杂交,干的C1和发卡环节C1被打开,见图的中间吗1。接触的部分C1其中杂交与C2,发夹的部分C2打开,如右侧图所示1。接触的部分C2继续与下一个杂交C1打开夹结构,反过来,直到重复反应C1和C2在解决方案都已疲惫不堪。最后,很长一段DNA纳米线组装自发交替杂交的C1和C2就形成了。每个启动链相当于DNA纳米线的生长。
2.2。分配问题
分配问题是一个特殊的整数规划问题。有一定数量的任务和相同数量的人。每个人都可以完成任务,但是时间成本是不同的。所以,我们需要找到一种任务最小化总时间(或完成任务的总效率是最高的)。这类问题被称为分配问题。
它是生活中经常遇到。每个人都有不同的专业知识和完成任务不同,所以效率也不同。在实际的分配问题中,为成本我th人完成jth的任务是Cij。然后,n个人和n任务是结合一个接一个n2成本,这都列在一个矩阵的系数矩阵赋值问题。
3所示。DNA折纸模型
3.1。模型组成和设计
分配问题,提出了一种组合图形的发夹结构DNA折纸。它映射到效率矩阵或时间的分配问题。结合了 模块,每个模块都有一个相应的发夹结构,对应于所需的效率和时间一个人去完成一项任务的问题。在图的每个模块,第一个链是一种常见的发夹结构,和其他与荧光分子信标组和淬火组标记,如图2。折纸基质是由图中灰色表示。折纸衬底,有短链(图中浅紫色)延长相应的距离,和它们连接分子信标和普通发夹结构。相邻的发夹结构,每个模块之间的距离是可以连接的距离打开辅助链(中间链)。模块之间提供足够的空间,使同一个模块完全反应,避免了不同模块之间的交互。
分子信标和发夹结构:它们是由几个oligoglycosidic酸片段。“环”是一个链,两个互补段形成双链,另一段是互补的粘性末端短链从折纸基地修复折纸衬底上的链。分子信标有两个更多的粘性以发光荧光组和淬火组比普通发夹结构。他们不点亮时没有打开;他们只是打开而开始链和辅助链。分子信标固定在折纸衬底可以代表效率(所需的时间)的分配问题。通过这种方式,它可以用于图形设计来解决最优问题。
DNA折纸衬底的发夹结构可以稳定的解决方案。打开发夹结构,相应的添加链开始,其结构是由两个寡核苷酸片段,如图3(一个)。只有相应的启动链可以打开相应的发夹结构。打开后第一个发夹结构的每个模块,中间链需要打开所有的其他分子信标模块。中间链也可以稳定存在于解决方案在不增加链开始。中间链是由四个oligoglycosidic酸部分,如图3 (b)。
(一)
(b)
3.2。图形模型实现
根据模型的构成,结合图反映了分配问题设计矩阵。图有nn模块。每个模块从一个普通的发夹结构的分子信标紧随其后。的发夹结构的每个模块都是不同的,而另一分子信标是相同的。,因为第一个起点的发夹结构的每个模块只能打开通过添加相应的链开始,我们将设计的分子信标模块后的发夹结构的起点是一样的,这可以极大地简化设计和模型构建。发夹结构的起点是一样的分子信标基地;只有基本的分子信标在绑定标记和一个结开始链的不同,如图4。在折纸衬底上的复合模式,所有起始发夹结构可以被视为由五oligoglycosidic酸片段,和随后的分子信标可以被视为由五oligoglycosidic酸片段,荧光组织和淬火组织。其中一个补充的短链的粘性末端扩展基地,和所有的发夹在这一节中有相同的结构。其余的部分发夹结构如图所示4马克,我们用信件。三个部分的设计是相同的所有发夹结构。有两个互补的领域形成双链,命名年代和年代 段,分别和一个段是一个环形结构,命名o段。与起点的发夹结构相比,这两个粘的年代和年代 段的分子信标发光荧光组织和吸收性荧光猝灭组。然而,oligoglycosidic酸片段将开始不同链和发夹结构的每个模块,标记一个我,b我,c我为其他分子信标,…,这部分的设计是一样的,我们标记段e。
折纸基地和中间链已经提前在解决方案,然后开始链打开对应模块添加到解决方案。开始添加链时,打开的发夹结构的起点。开幕式流程如图5。的相应部分的起始链补充相应的部分开始发夹结构打开发夹结构。相应地,起始发夹结构和中间链互补,然后打开中间链。中间链可以继续补充分子信标,分子信标打开,使图形发光。
生物算法基于混合连锁反应分配问题的计算模型如下:(1)的分配问题n实现者和n任务,所有可能的解决方案n对应!n!打开模块的不同组合的DNA链。(2)构建DNA折纸组合图(n)相应的变量,并把它们放在试管(n!在总)。添加一组DNA链开始每个试管,并执行DNA混合连锁反应。(3)反应完成后,每个测试管的组合模式打开发夹结构模块,对应于一个任务完成模式,这是问题的可行解。(4)通过对比发光荧光数字在不同的试管,不同方式的效率,然后确定最优解。
3.3。案例分析
为了说明DNA计算的可行性解决分配问题,给出了指派问题的一个例子来验证它。
分配问题的计算过程的效率值在表1如下。
它可以看到从上面的算法,分配问题的三个实现者完成三个任务,所有可能的解决方案是3 != 6,对应于DNA折纸基地9个模块组成的组合图。每个模块由一个共同的发夹结构的起点,一个发光的分子信标在后面。分子信标的数量对应于一个实现者完成任务的效率。因为可能的解决方案是6日,设计折纸衬底投入6试管。一组子链被添加到每个管,在室温下杂化。每组链开始链对应三个模块在不同的行和列。这样,在每一个试管,三个模块在不同的行和列是发光了。反应后,DNA链上的折纸衬底如图6。通过观察荧光的每个管,一个荧光数量最少的是最优的解决方案。最后,折纸基地开放荧光数量是最少的一个1,b2,c3,即最优解(1,0,0,0,1,0,0,0,0,1)。
4所示。模拟
本文基于DNA的DNA折纸模型构造纳米结构,可以用来解决分配问题。仿真结果与系统的预期结果一致。分子信标作为反应物和反应浓度逐渐接近0。中间链趋于稳定的浓度。仿真结果表明,该模型具有良好的性能与以前的工作相比。
5。结论
摘要DNA纳米结构是结合混合连锁反应建立DNA折纸模型,解决分配问题。我们设计折纸的发夹结构基础,可以解决简单的分配问题。通过添加链开始,打开相应的模块来获得最优解。随着分子生物学和生物工程的发展,这种方法预计将有更多的可重用性的进展,可以进一步扩大解决更复杂的问题。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。