基于可编程DNA分子元件的自组装模型及其应用研究

Many engineering problems are shown to be NP-complete problems, which can not be solved efficiently by electronic computer. DNA computing models， especially DNA self-assembly computing models, are a powerful route toward feasible algorithms for solving NP-complete problem because of the high information density molecules allow. In addition, self-assembly of DNA molecules provides a powerful approach for construcing sophisticated synthetic molecular structures and devices. In this project, the DNA self-assembly model based on the programmable DNA molecule motif is presented. The main research cotnents of this projects are as follows: first, construct a uniform encoding method of DNA molecule motif according to the technology of DNA self-assembly, DNA orgami and DNA strand displacement; second, design the DNA self-assembly model which will be used to solved some NP-complete problems, such as graph vertex coloring problem and graph maximum clique problem; third, explore the application prospects of DNA molecule motif in DNA logic circuit and the construction of two or three dimesions nanostructures and devices.

现实社会中许多理论和工程问题都可以归结为图信息处理问题，特别是组合优化中的NP-完全问题。随着问题规模的增加，电子计算机对这类问题的求解难度也随之增大。在众多的非电子计算模式的新型信息处理工具的研究中,DNA计算备受关注。尤其是近年来，随着DNA分子自组装技术的发展，自组装模型在求解NP－完全问题上显示出了良好的内在并行性等优势。除此之外，DNA分子自组装技术还被用于设计和实现纳米分子器件、分子逻辑电路。本课题拟在已有的研究成果基础上，利用DNA分子自组装技术、DNA折纸技术以及DNA链置换技术等先进的DNA分子操作技术，构建多种可控的DNA分子元件；并在此基础上建立相应的自组装计算模型，探讨该自组装计算模型在图信息处理方面的应用；同时对可控DNA分子元件在分子逻辑电路，以及在二维或是三维纳米材料、纳米器件中构建中的应用进行探索。

DNA分子具有微小性、超强并行操作性等特点。近年来随着DNA纳米技术的发展， DNA计算在信息处理和纳米智能等领域得到广泛的关注和研究。本项目在建立可控分子元件的基础上，利用Nupack等软件，建立可用来编码DNA 分子tile和DNA origami 的编码方案，编码设计了四种DNA分子tile结构，分别是seed configuration system, nondeterministic matching system, verification system 和output system,建立一种用于求解图匹配问题的DNA自组装计算模型。利用美国北卡罗来纳州立大学Thomas H. LaBean教授的Mini-M13，设计以及基于DNA origami的用于求解最小子集和问题的自组装计算模型，并开展相关的实验研究。研究了DNA分子与纳米金复合物的性质，并利用该性质，建立一种分子寻址模型。本项目将DNA计算、纳米技术与NP-完全问题等有机地结合起来展开研究，所得到的计算模型经过理论和实验验证可用于较大规模的图与组合优化问题的求解，且实验技术稳定，对于DNA计算的自动化实现打下了一定的基础。利用肠杆菌乳糖操纵子和Crerecombinase. We used the ordinary differentia l equations (ODEs) to predict the dynamic behaviors of重组酶，构建了一个细胞记忆逆变器。