基于核酸系统的复杂分子逻辑电路研究

Nucleic acid system with DNA, RNA as the core, plays a central role in information processing at the molecular level. In recent years,biological molecular circuit is a frontier research field at the cross area of computer science and molecular biology. This project intends to use the DNA self-assembly,strand displacement and nanoparticles to study the complex molecular logic circuit, eventually build molecular computational device at nano-scale, explore the construction of molecular interface circuit of other molecular system and procedures of the detection and control accurately. The key research contents include: 1) the principle of design and analysis of the molecular logic circuit, including nucleic acid sequences encoding algorithm, signal reconstruction mechanism and the exchange mechanism for control and data information between molecular circuit and other molecular systems; 2) study the stability of general molecular logic gates and flip-flops, construction of complex molecular logic circuit,design of biological experiment to test, exploring construction of molecular devices with computing and storage capacity finally, study the design of molecular logic circuit design and simulation modeling method; 3) explore the application in the biochemical detection and medical diagnosis etc.,construct a logic probe for intelligent detection and analysis. This study has potential application in nano-scale control, testing, processing and program therapy, and construct a new connection between the computation, biology and medicine.

以DNA、RNA为核心的核酸系统，在分子层次起着处理信息的中心作用。生物分子电路是近年来计算与生物交叉产生的前沿研究领域。本项目拟利用DNA自组装、链置换和纳米颗粒等生物技术，研究复杂分子逻辑电路，构建纳米尺度的分子计算装置，探索分子接口电路实现对其他分子系统精确而程序化的检测与控制。重点研究内容包括：1）研究分子逻辑电路设计与分析的原理，包括核酸序列编码算法、分子信号重建机制以及分子电路与其他分子系统之间进行控制和数据信息的交换机制；2）研究稳定通用的分子逻辑门和触发器件，搭建较为复杂的分子逻辑电路，探索构建具有运算和存储能力的分子装置，设计生物实验验证方案，研究分子逻辑电路仿真方法；3)探索其在生化检测和医学诊疗等方面的应用，构建逻辑探针进行智能检测分析。这项研究将在纳米尺度控制、检测、加工以及程序疗法等方面有着潜在的应用，在计算、生物和医学之间构建一种新的联系。

以DNA、RNA为核心的核酸系统，在分子层次起着处理信息的中心作用。合成生物学的发展，使得我们能够建立分子电路去编程细胞行为和功能。这在生物和医学的纳米层次的信息处理方面，能够建立多种应用。. 本项目拟利用DNA自组装、链置换和纳米颗粒等生物技术，研究复杂分子逻辑电路，构建纳米尺度的分子计算装置，探索分子接口电路实现对其他分子系统精确而程序化的检测与控制。主要研究内包括：1）研究了分子逻辑电路设计与分析的原理，包括核酸序列编码算法、分子信号重建机制、分子计算模型的计算能力以及分子电路与其他分子系统之间进行控制和数据信息的交换机制；2）利用DNA链置换反应、DNA酶、DNA适配体、切口酶链置换机制、DNA Origami和纳米金颗粒等机制构建了一系列的基本逻辑门，在此基础上，利用两环结构、纳米金颗粒和DNA联合复合体、DNA分子电路动态控制机制在较大规模上实现了信号重建、时序逻辑和级联电路。3）构建了一个包含蛋白和DNA的逻辑运算系统实现了两通道的选择器，可以用于在蛋白系统和核酸系统之间构建接口电路。研究了一种高灵敏度的基于催化的逻辑运算，所有的设计通过湿实验进行验证，实现了无标记的纳米金颗粒用于DNA分子逻辑运算，可以扩展至构建DNA纳米金颗粒装置用于医学诊断、生物传感和分子机器人。利用利用纳米微颗粒和拉曼光谱,提出了一种单分子级别的检测芯片；基于纳米传感器和嵌入式系统，构建了一个通用的便携式传感检测平台，研究建立分子计算结果的检测装置。. 在国内外重要学术期刊发表论文23篇，其中SCI收录22篇，EI收录会议论文1篇。其中项目负责人第一或者通讯作者13篇，其他参与人第一或者通讯作者7篇；第一标注14篇，第二标注3篇；总共被引用120次（包含自引），单篇最高引用30次（包含自引）。申请发明专利3项。培养硕士毕业生14人。