【文獻推送】Adv. Mater. | 發卡DNA-銀簇作為通用雙信號產生器「點亮」各種伴隨DNA邏輯門和級聯電路

2021-02-19 黃碩課題組

邏輯門是集成電路中的基本組件，近二十年來基於DNA設計的邏輯門研究方向一直在快速發展。今天和大家分享一篇基於DNA材料設計的邏輯門：Illuminating Diverse Concomitant DNA Logic Gates and Concatenated Circuits with Hairpin DNA-Templated Silver Nanoclusters as Universal Dual-Output Generators。文章的通訊作者是長春應化所的汪爾康院士和任江濤副研究員。                           

為克服傳統基於矽的數字設備的局限性，人們已經構建了多種分子邏輯門和電路。DNA特殊的雙螺旋結構和高度特異性的鹼基互補配對原則使其適合用於構建邏輯門。基於DNA的邏輯系統已經從基本的邏輯門（是，或，與，禁止等）發展到高級的邏輯設備。儘管已經取得了巨大的成就，仍有一些重要的問題需要解決。比如許多的DNA邏輯設計中需要共價標記報告分子1，耗時耗力；而為了產生超過一種信號輸出往往需要引入多種信號產生器，這又增加了邏輯平臺的複雜性且不利於不同邏輯系統的組裝。以經濟的方式探索一種簡單、非共價的邏輯平臺是迫切需要的。本文利用發卡DNA原位生成的銀簇作為一種雙信號產生器，設計了多種伴隨DNA邏輯門和級聯電路。

圖1是全文設計的基礎：在一段發卡DNA的兩端原位還原合成銀簇，該銀簇在不同的激發波長下有兩個發射螢光峰（弱發射峰，F565；強發射峰，F630），此雙螢光發射峰強度作為雙信號報告器。當外來輸入DNA與發卡DNA互補配對而打開發卡使得銀簇分離，進而螢光發射峰的強度發生轉變（強發射峰，F565；弱發射峰，F630）（圖1A，1B）。目前尚未有清晰的機理能解釋此現象2。此體系中的銀簇作為非共價的信號報告器避免了繁瑣和昂貴的標記步驟，同時銀簇的雙信號特徵減少了設計多種輸出信號的麻煩。存在/缺少輸入分別被定義為「1」和「0」，輸出的歸一化後的螢光強度高於/低於0.35分別被定義為「1」和「0」，其中黑色柱是F565發射峰螢光強度，紅色柱是F630發射峰螢光強度。圖1C，1D，1F分別是幾種初級得邏輯門設計：如圖1C中所示，沒有IN1輸入（輸入為0）時，雙螢光發生峰強度沒有變化（0,1）；當輸入IN1 DNA鏈（輸入為1），發卡的打開使得螢光發生峰強度反轉（1,0）；圖1D中，IN2或者IN3的輸入（0,1；1,0；1,1）會打開發卡DNA（1,0）。對於圖1E則是只有單獨存在IN3鏈時，發卡才會被打開，而IN4鏈與IN3共同存在時會彼此雜交而抑制IN3打開發卡DNA的功能。不同鏈的輸入產生了不同的邏輯門（YES/NO，OR/NOR，INHIBIT/IMPLICATION）。

圖1. 發卡DNA-銀簇邏輯門設計原理

異或門（XOR）和同或門（XNOR）是許多先進邏輯設備（如奇偶發生器/檢驗器，半加法器/減法器等）的基礎單元。作者藉助輔助DNA鏈實現了這一邏輯門設計（圖2）。異或門是指全0或全1才輸出為0，同或門是指全0或全1才輸出1。如圖2A中所示，僅當X1或則X2單獨存在時（0,1；1,0）才會打開輔助鏈，釋放IN2，進而打開發卡鏈，輸出信號（1,0）。文中基於異或門/同或門進一步設計了雙輸入的奇偶生成器和三輸入的奇偶檢驗器級聯電路。

圖2. XOR/XNOR邏輯門

MAJ/MIN邏輯門是許多複雜邏輯系統（如全加器和全減器）的重要元素，即僅當超過一半的輸入為「1」時，輸出的MAJ為「1」且MIN為「0」（此處的MAJ指F565，MIN指F630）。圖3是MAJ/MIN的邏輯門設計。平臺中除了發卡DNA-銀簇之外還加入了3個輔助雙鏈，輸入則為3條單鏈DNA（M1，M2，M3）（圖3A）。僅當2條以上的輸入單鏈存在時（1,1,0；1,0,1；0,1,1；1,1,1），發卡才會被打開（1，0），即此時F565為1，F630為0（圖3B，3C）。當增加一個輸入IN4鏈時（圖3B, column a），輸出信號被反轉（0，1），這表明IN4作為第4種輸入具有一票否決權。

圖3. 3-輸入MAJ^MIN邏輯門

小結：作者以髮夾DNA-銀簇材料為基礎設計了各種伴隨相反邏輯門（如OR^NOR，INH^IMP和XOR^XNOR等）以及具有特定功能的級聯邏輯電路。文中的邏輯系統有以下優勢：1）髮夾DNA-銀簇作為非共價信號發生器的使用避免了繁瑣而昂貴的標記步驟；2）髮夾DNA-銀簇雙發射峰所產生的伴隨特徵有助於減少設計多個邏輯門的時間和成本。3）消除複雜和不穩定成分（如有機染料或過氧化氫）以及通用閾值的定義賦予了此DNA邏輯系統獨特性，如易於集成和可重複性。此項研究不僅擴大了具有成本效益的邏輯系統範圍，而且還將激勵大家利用更多新型DNA功能化材料創建複雜和智能的邏輯網絡。

 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201908480https://doi.org/10.1002/adma.2019084801. R. Peng, X. Zheng, Y. Lyu, L. Xu, X.Zhang, G. Ke, Q. Liu, C. You, S. Huan and W. Tan, J. Am. Chem. Soc., 2018, 140,9793-9796.2. W. Zhou, J. Zhu, D.Fan, Y. Teng, X. Zhu and S. Dong, Adv.Funct. Mater., 2017, 27,1704092.

【本文作者】

王莎

黃碩課題組博士生

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