生化反应计算机的时钟振荡器
阅读说明：本技术 生化反应计算机的时钟振荡器 (Clock oscillator of biochemical reaction computer ) 是由 黄翰 马诚志 肖性龙 何同立 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于酶促反应的生化反应计算机的时钟振荡器,该时钟振荡器以物质或酶的浓度或活性作为信号,通过多种酶和物质间的相互催化作用实现化学信号的自反馈调控,从而输出周期性变化的化学信号。与传统的电子振荡器相比,本发明提供的时钟振荡器的输出信号为化学信号,因此该时钟振荡器能直接使用在生化反应计算机中而不需要进行电信号和化学信号的转换。与已有的基于DNA的时钟振荡器相比,由于酶促反应具有比DNA替换反应和DNA转录翻译过程都更快的反应速度,因此本发明提供的时钟振荡器能具有更高的频率从而能满足更高性能的基于生化反应的数值运算与逻辑计算。(The invention discloses a clock oscillator of a biochemical reaction computer based on enzymatic reaction, which takes the concentration or activity of substances or enzymes as signals and realizes the self-feedback regulation and control of chemical signals through the mutual catalytic action among a plurality of enzymes and substances, thereby outputting the chemical signals with periodic change. Compared with the traditional electronic oscillator, the output signal of the clock oscillator provided by the invention is a chemical signal, so that the clock oscillator can be directly used in a biochemical reaction computer without conversion of an electric signal and a chemical signal. Compared with the existing DNA-based clock oscillator, the clock oscillator provided by the invention can have higher frequency and can meet the requirements of higher-performance numerical operation and logic calculation based on biochemical reaction because the enzymatic reaction has higher reaction speed than the DNA replacement reaction and the DNA transcription and translation process.)
技术领域
本发明涉及生化计算机技术领域，具体涉及一种基于酶促反应的生化反应计算机的时钟振荡器。
背景技术
仿照自然界生物的调控的原理、构建高性能低功耗的生化计算机是当前一门极具潜力的学科，而在传统的电子计算机和生化计算机中，同步时序逻辑所依赖的时钟振荡器是重要的组成部分。目前的已有的基于DNA级联置换反应和DNA转录翻译体系的时钟振荡器，由于其所依靠的涉及DNA和RNA的反应的速度较慢，因此其时钟周期较长，往往需要数个小时，这难以满足构建高性能生化计算机的需求，需要寻找更高效的生化反应并以此构建新的生化反应时钟振荡器。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中基于DNA的生化反应时钟振荡器的反应速度过慢、时钟周期过长的缺陷，提供一种基于酶促反应的生化反应计算机的时钟振荡器，以物质或酶的浓度或活性作为时钟信号，通过酶活性的变化驱动其他物质和酶的浓度和活性变化进而构成负反馈的酶催化调节循环，从而实现时钟信号的自发周期性变化。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于酶促反应的生化反应计算机的时钟振荡器，所述生化反应计算机时钟振荡器包括时钟信号酶、反时钟信号酶、输出信号。
一方面，时钟信号酶的浓度或活性受反时钟信号酶的浓度或活性影响：当反时钟信号酶的浓度或活性为高时，时钟信号酶的生成会受到抑制，或时钟信号酶的消耗会受到促进，或时钟信号酶本身的活性受到抑制，导致时钟信号酶的浓度或活性下降；当反时钟信号酶的浓度或活性为低时，时钟信号酶的生成会受到促进，或时钟信号酶的消耗会受到抑制，或时钟信号酶本身的活性被激活，导致时钟信号酶的浓度或活性上升。
另一方面，反时钟信号酶的浓度或活性受时钟信号酶的浓度或活性影响：当时钟信号酶的浓度或活性为高时，反时钟信号酶的生成会受到促进，或反时钟信号酶的消耗会受到抑制，或时钟信号酶本身的活性被激活，导致反时钟信号酶的浓度或活性上升；当时钟信号酶的浓度或活性为低时，反时钟信号酶的生成会受到抑制，或反时钟信号酶的消耗会受到促进，或时钟信号酶本身的活性被抑制，导致时钟信号酶的浓度或活性下降。
因为上述的时钟信号酶和反时钟信号酶的浓度或活性的相互影响关系，时钟信号酶和反时钟信号酶能实现如下的负反馈振荡调节：考虑当时钟信号酶浓度或活性为高时，反时钟信号酶的浓度或活性受时钟信号酶的影响而上升，反时钟信号酶浓度或活性上升为高；而当反时钟信号酶的浓度或活性上升为高时，时钟信号酶的浓度或活性受反时钟信号酶的影响而下降，时钟信号酶的浓度或活性下降为低；而当时钟信号酶浓度下降为低时，反时钟信号酶的浓度或活性受时钟信号酶的影响而下降，反时钟信号酶的浓度或活性下降为低；而当反时钟信号酶浓度或活性下降为低时，时钟信号酶的浓度或活性受反时钟信号酶影响而上升为高浓度，此时时钟振荡器完成了一次振荡的循环，时钟信号酶重新回到初始的高浓度状态，并能再重复上述的循环，从而实现时钟信号酶的浓度或活性的周期涨落的振荡输出。以上的负反馈调节振荡循环可以简洁地用图2表示。
可选地，所述输出信号物质的生成和消耗速率受时钟信号酶和反时钟信号酶的浓度或活性影响，或输出信号物质的活性高低受时钟信号酶和反时钟信号酶的浓度或活性影响。因此输出信号的浓度或活性能随时钟信号酶和反时钟信号酶的浓度而变化并输出相应的周期振荡信号。而且，输出信号的浓度或活性变化不会影响时钟信号酶和反时钟信号酶的浓度或活性，从而保证输出的前馈传播、输出振荡信号时不会干扰时钟振荡器本身的振荡循环。
可选地，时钟信号酶和反时钟信号酶也可以由同一种物质充当，时钟信号酶的浓度或活性受自身的浓度或活性影响：当时钟信号酶的浓度或活性为高时，时钟信号酶的生成会受到抑制，或时钟信号酶的消耗会受到促进，或时钟信号酶本身的活性受到抑制，导致时钟信号酶的浓度或活性下降；当时钟信号酶的浓度或活性为低时，时钟信号酶的生成会受到促进，或时钟信号酶的消耗会受到抑制，或时钟信号酶本身的活性被激活，导致时钟信号酶的浓度或活性上升。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明公开的生化反应计算机的时钟振荡器，由于其输出的时钟信号是物质或酶的浓度或活性的化学信号，因此可以方便地与生化反应逻辑门和生化反应锁存器级联构成时序逻辑，并使用在生化计算机中，无需经过电信号与化学信号的转换。
(2)本发明公开的生化反应计算机的时钟振荡器，由于其基于的酶促反应反应速度快，因此具有更高的时钟频率和更短的时钟周期，能实现毫秒到皮秒级别的时钟周期。
(3)本发明公开的生化反应计算机的时钟振荡器由于不需要依赖DNA的转录和翻译，因此不需要依靠活细胞也能正常运行，能更灵活地使用。
附图说明
图1是本发明中公开的生化反应计算机的时钟振荡器的组成示意图；
图2是本发明中公开的生化反应计算机的时钟振荡器的振荡循环的状态转置图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种生化反应计算机的时钟振荡器，该时钟振荡器包含时钟信号酶A和反时钟信号酶B，同时涉及时钟信号酶A和反时钟信号酶B的失活后的产物：失活时钟信号酶A’和失活反时钟信号酶B’。时钟信号酶A与失活时钟信号酶A’之间能相互转化。时钟信号酶B与失活反时钟信号酶B’之间能相互转化。这些物质之间的转化涉及以下反应：
A′→A
B→B′
如上式所述，B能通过催化A转化为A’从而抑制A的活性；没有B参与时A’也能自发地转化为A重新获得活性；A能通过催化B’转化为B从而促进A的活性；没有A参与时B也能自发地转化为B’从而失去活性。
初始状态时，A的浓度为高，A’的浓度为低，B的浓度为低，B’的浓度高。因为A的浓度为高，在A的催化下B’转化为B，B浓度升高；当B浓度升高为高浓度后，B开始催化A转化为A’，A的浓度下降；当A浓度下降为低浓度后，B’的催化转化停止，而B的自发失活进行，B’浓度上升，B的浓度下降；当B的浓度下降为低浓度后，A的催化失活停止，而A’的自发转化为A重新获得活性的过程进行，A’浓度下降，A浓度上升为高浓度，此时A浓度为高浓度，A’为低浓度，B为低浓度，B’为高浓度，所有物质的浓度变为与初始状态相同，时钟信号酶的浓度由高转为低再转为高，时钟振荡器完成了一次振荡循环，并能继续进行上述的循环，不断输出周期振荡的时钟信号。
时钟振荡器的信号振荡通常需要依靠负反馈调节机制实现：当时钟信号值较高时时钟信号具有下降的趋势，当时钟信号较低时时钟信号具有上升的趋势。已有的生化反应时钟振荡器的负反馈调节机制往往通过生物的转录体系来实现，也就是通过DNA转录生成mRNA，然后mRNA翻译合成蛋白质，然后蛋白质产物又抑制DNA转录的方式来实现负反馈调节。由于转录和翻译过程速度缓慢，所以已有的基于转录体系的生化反应时钟振荡器的振荡周期都较长。而本发明提供的时钟振荡器基于酶促反应，通过时钟信号酶的浓度或活性控制酶促反应速率，进而控制反时钟信号酶的浓度或活性，再通过反时钟信号酶的浓度或活性控制时钟信号酶的浓度或活性，从而实现负反馈调节。因为酶促反应速率较快，因此本发明提供的时钟振荡器能具有更短的振荡周期和更高的振荡频率，能为高性能的生化反应计算机提供时钟信号。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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