9、利用可编程分子DNA设备实现高保真DNA杂交

利用可编程分子DNA设备实现高保真DNA杂交

1. 引言

DNA杂交是涉及核酸的最基本反应，也是许多生物技术和纳米技术应用的基础。例如，它在DNA酶促反应（如限制性切割）、聚合酶链式反应（PCR）、DNA杂交阵列以及DNA纳米技术（如构建DNA晶格和DNA折纸）中都起着关键作用。

然而，DNA杂交反应存在一些关键限制。其特异性（即给定单链仅与其精确互补链杂交的可能性）严重依赖于互补链的长度。对于长链DNA，完全杂交的双链DNA与存在少量错配碱基的双链DNA之间的杂交能量差异不显著。在适当的溶液条件和温度下，中等长度（5 - 15个碱基）的DNA杂交反应可以具有高保真度，但当链长足够长（如25个碱基以上）时，杂交反应的特异性会显著降低。这种特异性的降低在存在与目标序列有相同片段的竞争链的情况下更为明显，这严重限制了依赖杂交反应的生物技术和纳米技术应用的规模和准确性。

2. 高保真DNA杂交问题描述

在含有不同DNA序列的溶液中，指定其中一个序列为目标序列s，假设目标DNA链s相对较长（至少60到数百个碱基）。如果目标单链DNA（ssDNA）的所有碱基都与其他ssDNA上的互补碱基发生（沃森 - 克里克）杂交，没有单链区域，则称该目标ssDNA完全杂交。精确高保真DNA杂交问题是使溶液中每个目标s实例完全杂交，而其他任何链的实例都不完全杂交。但在实际中，这个要求过于严格，因此我们考虑一个近似版本的高保真DNA杂交问题。

引入Levenshtein距离来衡量两个序列的编辑差异，允许的DNA序列编辑操作包括插入、删除或替换单个碱基。如果溶液中的ssDNA除了b个碱基外，其余所有碱基都与其他ssDNA上的互补碱基杂交，则称该ssDNA为b - 杂