基于DNA链替换反应的DNA分子计算

Based on the DNA chain displacement modulated by the toehold, the strategy for the realization of the DNA molecular computation is proposed in this project. In parallel with the “sentence” in the computational program, a set of single DNA chains (or hybridized double DNA chains) are utilized to construct the “sentences”, whereas the sequences of the branch migration reactions modulated with toehold are designed to play the similar role of “algorithm” in the established DNA computing strategies. Based on this principle, 4 “elementary reactions” that are similar to the “elementary functions” in computational program are built. To optimize these “elementary reactions”, the dynamic behaviors of the DNA chain displacement modulated by toehold, of cascades of two or more “elementary reactions”, response of the outputs to the inputs and comparison with theoretical predictions will be systematically investigated. Furthermore, in the principle of the Brusselator Model of Oscillating Chemical Reactions, the versatility and efficiency of the utilization of these “elementary functions”, the dependence of outputs on the inputs after cascading, origin of errors in the dynamic processes will be examined via the cascade of these “elementary functions” into complicated functions for the realization of some complex tasks. Under support of this fund, a set of “standard functions” and the methods for the usage of these functions in constructions of DNA molecular computing will be established.

本项目将采用基于toehold调控的DNA链替换反应构建DNA分子计算。类比于计算机程序中的“语句”，DNA单链（或杂化双链）被用于构建计算“语句”；toehold调控的分支迁移反应，其决定了DNA单链或双链间反应的逻辑规则，在此将被用于实现类似于计算机程序设计“算法”的功能。基于上述原理，我们将构建四个“基元反应”，对应于DNA计算策略中的四个“基本函数”，并将系统研究toehold调控链替换反应的动力学特性; 考察两个或多个toehold链替换反应级联的动力学特性; 输入—输出曲线呈理想响应的反应条件及其范围。以布鲁塞尔模型体系构建多个“基本函数”级联的复杂运算程序，籍此研究输入变量和输出变量的依赖关系，并考察误差起因及误差出现的规律，同时系统研究多级“标准函数”级联效率。通过此项目，我们将提供一套标准函数及其使用基本函数构建复杂运算的DNA分子计算方法。

类比于计算机程序设计，DNA作为信息携带分子，其序列可被用于程序设计的 “语句”，Toehold介导链替换反应可被用于建立DNA单链或双链间反应的逻辑运算规则，从而实现类似于计算机程序设计“算法” 的功能。在此框架下，本项目采用理论计算与实验结合围绕Toehold 介导的DNA链替换反应建立DNA分子计算体系开展研究，具体包括：（1）发展了可级联 “组合底物”的基元组件，其在构建 DNA分子计算体系中表现了比常规底物更加优异的抗泄漏性能和优异的动力学行为，被证明可用于构建多输入“与”逻辑门和建立复杂的DNA反应网络；（2）构建了基于Toehold调控的DNA链替换反应诱导球形核酸组装的信号输出系统，其在单链核酸（DNA或RNA）检测应用中，检测浓度比直接加入DNA连接链的策略检测限提高两个量级；将该策略用于单碱基检测，碱基无论突变、插入或缺失都可通过DNA链替换反应速率监控而进行有效地识别和区分；结合DNA链替换反应和球形核酸的解组装，不借助任何实验仪器即可实现核酸分子的灵敏检测，在疾病实时检测方面具有应用潜力；（3）基于DNA反应网络和纳米金和纳米棒信号输出级联的策略，构建了多个复杂逻辑门运算器件，其不仅可以同时检测多种目标核酸分子，还在复杂逻辑运算方面具有潜在的前景；（4）发展了基于双链燃料链催化DNA分子计算体系，并用于细胞及体内环境中miRNA的检测；（5）发展了基于光响应和pH响应的球状核酸循环网络，并应用于microRNA在乳腺癌细胞中的空间特异性释放，被释放的microRNA引起基因沉默，抑制细胞活性和诱导细胞凋亡。.本项目研究结果共发表学术论文37篇，得到了同行们的广泛引用，培养博士研究生4名，博士后2名。