基于DNA逻辑电路的智能分子诊断技术

Molecular diagnostic technology plays an important role in disease prevention and treatment, which is expected to realize intelligent identification and output if combined with DNA logical circuit; further research in its design theory, influential factors and sensing properties can provide theoretical foundation for intelligent molecular diagnosis. This project will starts from building an intelligent DNA logical operation model for genetic markers, designs DNA nano-probe used for surface enhanced Raman, conducts mixing and separating control on the detection probe with microfluidic chip, monitors the DNA logical circuit operation process through Raman mapping and micro Raman measuring technology and tests the output, to realize the intelligent detection and diagnosis of the gene segment related to the disease. Further, multiple gene segments related to complex diseases are selected to establish more complex logical circuit model; based on the diagnostic standards of disease, the intelligent calculation of gene segments and their input / output process will be realized; continuous, sensitive, real-time, dynamic and specific new intelligent DNA molecular technique will be developed; and a new technical platform will be provided for the study of DNA sensing and DNA calculation in practice.

分子诊断技术在疾病预防和治疗方面发挥了重要的作用，与DNA逻辑电路结合可望实现智能化地识别和输出。深入研究其设计理论、影响因素和传感性能可为智能分子诊断提供理论依据。本项目将从构建基因标志物的智能DNA逻辑运算模型入手，设计用于表面增强拉曼的DNA纳米探针，采用微流控芯片技术对检测探针进行混合和分离控制，通过拉曼mapping和显微拉曼测量技术对DNA逻辑电路运行过程进行监控，对输出结果进行检测，以实现对疾病相关基因片段的智能检测和诊断。进而选取复杂疾病相关的多种基因片段，建立更复杂的逻辑电路模型，根据疾病的诊断标准，实现基因片段及其输入/输出过程的智能运算，开发出连续、灵敏、实时、动态和特异的智能DNA分子诊断新技术，为DNA传感和DNA计算实用化研究提供新的技术平台。

本项目研究探索了DNA逻辑电路的构建原理，革新了分子时序逻辑电路的底层设计架构，设计了多个DNA信息处理电路。在此基础上，将DNA信息处理电路应用于单碱基突变核酸的智能传感分析中，为突变核酸的智能诊断平台构建提供理论基础。此外，我们还探索了SERS增强基底材料的新型合成方法，基于此开发出具有良好SERS增强及光吸收性能的纸基与三聚氰胺海绵材料，为拉曼光谱检测及海水淡化领域提供了新的可行性方案。主要研究如下：.1）设计了用于构建分子信息处理电路的反应动力学竞争策略，用于构建DNA优先编码器与DNA键盘锁逻辑电路，实现了分子层级上优先级处理与信息智能保护功能。2）设计DNA分子电路的冗余机制，用于备份逻辑电路的运行结果，以增加分子逻辑电路运行的可靠性。3）重构DNA时序逻辑电路底层设计，设计新型寻址激活机制，实现首个统一输入与输出分子的DNA寄存器时序逻辑电路。4）设计了DNA 4-2编码器逻辑电路，并应用于单碱基突变核酸的智能检测中，实现了对寡聚核苷酸序列突变与否以及突变位点的精确识别。并因此受邀撰写单碱基突变核酸检测相关综述。5）开发镁离子介导的一步法制备稳定，高负载球状核酸的方法。6）构建基于微流控SERS的DNA检测平台。7）在探索新型纳米金SERS基底的同时，发展了纳米金纸基复合材料的快速一次成型的平板加热法。8）在纳米金纸基材料的基础上进一步发展出能应用于光热海水淡化领域的具有抗盐与SERS增强功能的纳米金沉积海绵。.项目执行期间，在Chem. Comm.和J. Mater. Chem. A等优秀学术期刊上发表论文7篇，申请专利2项，培养硕士研究生10名，参与学术交流9次。