61、基于聚合酶链置换反应的分子计算

基于聚合酶链置换反应的分子计算

1. 引言

DNA 计算领域自 Adleman 的早期成果以来，已经取得了许多重大突破。近年来，DNA 计算工作主要集中在无酶计算架构，即仅使用 DNA 的电路和设备。设计这类系统的初衷是构建生物结构更简单的机器，这样做有诸多好处，比如无需依赖温度控制系统。不过，最近基于酶的系统再次受到关注。这些系统同样利用链置换进行计算，与无酶架构类似，但链置换过程由聚合酶催化。这种酶的使用为这类系统的设计和开发提供了一种新方法。本文将探讨两种计算途径，即 DNA 电路和化学反应网络，并介绍基于聚合酶的系统的操作方法和协议。

1.1 逻辑电路

DNA 计算的基本单元包括 DNA 链和一些辅助酶，如连接酶、聚合酶、切口酶等。例如，Adleman 利用 DNA 杂交和连接解决了有向图的旅行商问题。近年来，一些架构采用无酶的 DNA 链置换逻辑电路，还有一些机器人架构利用 DNA 酶和 RNA 靶标实现行走器功能。流行的 DNA PEN 工具箱除了 DNA 链外，还使用聚合酶、核酸外切酶和切口酶三种酶来实现计算功能。本文将重点介绍最近基于聚合酶的单链 DNA 架构，该架构利用具有链置换活性的聚合酶来计算逻辑电路。

1.2 化学反应网络

化学反应网络（CRNs）传统上用于模拟自然中均匀混合溶液的物种动态（如细胞调节）。在 DNA 纳米技术中，由于大规模 DNA 逻辑系统的巨大成功，人们意识到 CRNs 可以作为基于合成 DNA 的分子系统的编程语言。随机 CRNs 在一定容错假设下具有图灵通用性，而确定性 CRNs 的具体限制尚待明确。一个 CRN 可以定义为有限集合 E 上的有限反应集合 S，反应物以速率 k 转化为产物