基于DNA笼状结构的人工神经元计算模型构建方法

摘要

本发明公开了一种基于DNA笼状结构的人工神经元计算模型构建方法，包括：构造带有rA修饰的笼状结构、将笼状结构作为人工神经元模型的输入层，采用E6 DNAzyme作为神经元的权重；构建归一化模块，利用E6 DNAzyme Z1、Z2、Z3作为神经元的权重；利用E6 DNAzyme酶切带rA修饰的笼状结构构造归一化模块，酶切反应产生的不同输出作为归一化反应的输入，通过归一化反应实现加权和过程；通过链置换的可逆反应和链置换的反应速率构造线性阈值处理模块，即神经元的阈值函数；连接归一化模块和阈值处理模块，使归一化输出优先与“Threshold门”反应，反应完之后再与“Output门”反应，最终产生真正的输出，即最后连接各个模块构成人工神经元模型。

说明书

技术领域

本发明涉及属于生物计算领域，尤其涉及一种基于DNA笼状结构的人工神经元计算模型构建方法。

背景技术

迄今为止，DNA计算在理论、设计以及应用等方面都取得了很大的进展，在信息处理、分子智能、分子加密、纳米机器等多个领域已经得到深入的研究。目前大多数基于DNA分子的生物计算动态操作均依赖于DNA网络中DNA序列的链置换反应。DNA链置换的计算原理是DNA分子会始终向最稳定的状态迁移，在反应体系中，最稳定的互补DNA链会结合，其他的DNA链则会被置换。其具备反应速度快、灵敏度高、且高度并行等优点，也因此被广泛应用到DNA分子逻辑计算模型的研究中。

2011年，Winfree研究组以DNA链置换为核心技术构建了迄今为止最复杂的数字逻辑计算电路，涉及到的独立的DNA链达到130个，可以计算4位二进制数的开平方计算。这虽然在现代计算机上早就不是新鲜事，但在分子计算领域却是不可思议的突破。至今还没有人用其他的分子计算技术可以突破这一壮举。又设计了跷跷板门(seesaw gate)，以此为核心搭建了会“猜心术”的4神经元霍普菲尔德神经网络计算模型，展示了DNA计算在分子智能领域的更多可能性。

早在2010年，Johann Elbaz等利用核酶能够特异性切割底物的特性，通过调控核酶的结构，编程核酶对底物的切割，构建了一系列逻辑门(YES、AND、INHIBIT、XOR)，并且将它们级联组成更加复杂的DNA逻辑电路。

尽管L.L.Qian等已经实现了DNA神经网络模型的构建，但都是基于基本的链置换反应进行的，所涉及到的DNA链数量极多，实现所有的反应过程就比较繁琐复杂，极易产生泄漏。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于DNA笼状结构的人工神经元计算模型构建方法，具体包括如下步骤：

构造带有rA修饰的笼状结构、将笼状结构作为人工神经元模型的输入层，采用E6DNAzyme作为神经元的权重；

构建归一化模块，利用E6DNAzyme Z1、Z2、Z3作为神经元的权重；

利用E6DNAzyme酶切带rA修饰的笼状结构构造归一化模块，酶切反应产生的不同输出作为归一化反应的输入，通过归一化反应实现加权和过程；

通过链置换的可逆反应和链置换的反应速率构造线性阈值处理模块，即神经元的阈值函数；

连接归一化模块和阈值处理模块，使归一化输出优先与Threshold门反应，反应完之后再与Output门反应，最终产生真正的输出，最后连接各个模块构成人工神经元模型。

进一步的，构造带有rA修饰的笼状结构从而满足E6DNAzyme识别并切割带rA修饰的单链的特性、同时隐藏后续反应的toehold区域。

进一步的，将E6DNAzyme设置为不被消耗和反复使用状态、将其作为权重使酶切反应高效进行。

进一步的，将酶切反应产生的不同输出通过归一化模块实现加权和过程、使输出归一化。

进一步的，在阈值处理模块中Output门比Threshold门多N个区域。

进一步的，该神经元模型的各个模块相互连接自顶向下独立运行。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于DNA笼状结构的人工神经元计算模型构建方法，该方法首先通过E6DNAzyme特异水解DNA的特性，酶切带rA修饰的笼状结构(cage structure)；构造带权重的归一化模块；进而利用链置换的可逆反应和链置换的反应速率，实现线性阈值处理模块；最终实现模块的连接，构造人工神经元模型。该模型具有结构稳定、可定制、地泄漏、抗干扰等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为E6DNAzyme切割DNA笼状结构过程示意图；

图2为归一化模块示构造方法意图；

图3为阈值函数模块构造方法示意图；

图4为人工神经元模型构造方法示意图；

图5为酶切反应凝胶电泳图；

图6为部分归一化模块凝胶电泳图；

图7为阈值函数模块凝胶电泳图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

一种基于DNA笼状结构的人工神经元计算模型包括，包括输入层、加权和、阈值函数(激活函数)、输出层。

带有rA修饰的“鼓泡”DNA双链结构，即笼状结构SL1、SL2、SL3，作为神经元模型的输入层；

E6DNAzyme Z1、Z2、Z3作为神经元的权重且E6DNAzyme可重复利用；

酶切反应产生的不同输出作为归一化模块的输入，通过归一化模块实现加权和过程，使输出归一化。

通过链置换的可逆反应和链置换的反应速率，实现了线性阈值处理过程，即神经元的阈值函数。使归一化输出优先与“Threshold门”反应，反应完之后再与“Output门”反应，最终产生真正的输出。

首先，输入SL1、SL2、SL3，统一概括为SL链添加后会与权重Z1、Z2、Z3分别发生酶切反应，产生中间产物链CL1、CL2、CL3(统一概括为CL链)此过程输入与权重一一对应，不会发生串扰，如图1。其中输入链SL1、SL2、SL3笼状部分含有rA修饰以及E6DNAzyme的识别域，并且L链的3’端含有下一级归一化反应的toehold，此区域为A区域，这样的双链输入既满足与E6DNAzyme发生酶切反应，又隐藏了下一级反应的toehold。

其次，E6DNAzyme与SL链结合发生酶切反应，将SL链切割，切割后的片段CL链脱落，作为下一级归一化反应的输入，如图2。当存在多个输入SL链，对应的E6DNAzyme将输入切割后产生不同的输出CL链，CL链又分别对应于各自的“One”门(由MTQ链和CL*链复合而成)，即归一化处理层，不同的CL链与对应的归一化“One”门发生链置换反应，产生具有相同功能的中间产物链M1TQ、M2TQ、M3TQ(统一概括为MTQ链)。复合物One1门、One2门、One3门的区别在于CL*链的toehold区域不同，这样保证了CL链与CL*链的toehold区域一一对应结合，防止产生串扰；以及MTQ链的M区域不同，分别为M1、M2、M3，这样也是为了防止CL链与其它的One门产生串扰。

然后，中间产物链MTQ又作为下一级阈值函数模块的输入，如图3。所述的阈值函数模块包含复合物“Thre”门和“Outp”门，二者拥有相同的toehold区域(含有5个碱基)，区别在于“Outp”门比“Thre”门多出N区域，这样就致使中间产物链MTQ优先与“Threshold”门反应，反应完之后再与“Output”门反应，最终产生真正的输出。

最后，连接各个独立运行的模块，构造人工神经元模型，如图4所示。

一种基于DNA笼状结构的人工神经元计算模型及其构建方法，包括如下步骤：

1)将L链与S链按1:1的摩尔比在缓冲液中混合，并退火，使其结合为双链复合物SL链，其余的双链复合物One门、Thre门、Outp门均按照1:1摩尔的配比在缓冲溶液中混合，并退火；

2)将权重Z、One门、Thre门、Outp门根据实验需求，调节各部分浓度比，放入试管中；

3)按实验需求依次加入输入链SL，放置在25度环境中，使其反应12小时，观察结果；

4)步骤2)和步骤3)可根据实验需求设置多组实验对照；

5)步骤1)中的所述缓冲液为TAE/Mg

本发明采用带rA修饰的“鼓泡”双链结构，既满足了E6DNAzyme识别并切割单链的特性，又很好的隐藏了下一级反应toehold，保证各个输入与后续反应产生较低的泄漏。另外本方法通过链置换的可逆反应和链置换的反应速率，巧妙的使“Outp”门比“Thre”门多出N区域，实现了线性阈值处理过程，即神经元的阈值函数。

实施例：实例中用的材料、试剂等，如无特殊说明均可从商业途径得到。

实验中所使用的DNA链均购自上海生工，未被修饰的链用PAGE电泳纯化；被修饰了二硫化物和荧光基的链通过高性能液相色谱法提纯，相关DNA分子序列见表1。

TAE/Mg2+缓冲液配制为：40mM Tris，20mM乙酸，2mM EDTA，12.5mM醋酸镁调到pH＝8.0。

丙烯酰胺母液配制如下：配制500mL，浓度为45％的丙烯酰胺母液，称取217g丙烯酰胺和8g亚甲双丙烯酰胺，在37℃下溶解,加入去离子水定容至500mL。

表1 实施中用到的DNA序列

实施例1：归一化模块

(1)将带rA修饰的L1链(64个碱基)与小短链S1(39个碱基)以1:1的比例在1×TAE/Mg2+缓冲液里面混合，并从90℃退火至室温，形成带rA修饰的“鼓泡”的双链结构，其余的两个双链SL2、SL3也是如此；归一化门One1、One2、One3分别把MTQ链与CL*链按1:1的比例在1×TAE/Mg2+缓冲液里面混合，并从90℃退火至室温，形成One门复合物；

(2)将输入链SL1、SL2、SL3，E6DNAzyme Z1、Z2、Z3以及各个One门都放入同一试管中，浓度为0.6uM，放于25℃环境下，反应约12小时；

(3)图6是图2中对应产物的凝胶电泳图(归一化模块的部分反应图)，泳道1是One1门，泳道3是CL1链，泳道4是CL1和One1的反应道，泳道5是泳道4产物链M1TQ的对比道，由此可以看出，CL1和One1的反应产生了M1TQ，而且是可以完全反应的。

实施例2：阈值函数模块

(1)将Q链与Q*T*M_*链按1:1的比例在1×TAE/Mg2+缓冲液里面混合，并从90℃退火至室温，形成Thre阈值门复合物；同样地，将YQN链与N*Q*T*链按1:1的比例在1×TAE/Mg2+缓冲液里面混合，并从90℃退火至室温，形成Outp门复合物；

(2)将MTQ链与阈值门Thre门、MTQ链与Outp门按1:1的比例分别放置于试管4和试管5中，浓度为0.6uM；将MTQ链与阈值门Thre门、Outp门分别按1:1:1和2:1:1的比例放置于试管9和试管10中，浓度分别为0.6uM，放于25℃环境下，反应约12小时；

(3)图7是图3中对应产物的凝胶电泳图(阈值函数模块的部分反应图)，泳道4是M1TQ和Thre的反应道，泳道6 Thre*链、泳道7Q链是其对比道；泳道4是M1TQ和Outp的反应道，泳道8 YQN链是其对比道；泳道9和泳道10分别是M1TQ和Thre、Outp 1:1:1和2:1:1的比例下的反应道，泳道6 Thre*链、泳道7Q链、泳道8 YQN链是其对比道；由此可以看出，M1TQ优先于Thre阈值门反应，反应完之后，再与Outp门反应，产生真正的输出YQN链。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。