自组装分子荧光传感DNA计算模型

This project focuses on a molecular computing model, based on the hot fields of DNA self-assembly technique, nanoparticle assembly technology and fluorescence sensing technology. In the research, the project has relationships to the areas of nano machines and fluorescence molecular detection, and DNA computing logic system. First, in aspect of theoretical innovation and model design, innovative design of DNA origami self-assembly structure should be constructed, including design of space, location and transformation, etc. At the same time, on demand of the calculation model, a variety of control methods should be introduced, such as chain replacement, light regulation and technology, magnetic nanoparticles basic manipulation. In addition, using basic modularity, more complex model should be assembled to perform logic computing function and dynamic data control. Finally, the computing model will be combined with complex gene detection. The project here has important effects in both theory and application.

本项目拟结合DNA自组装、纳米颗粒组装和荧光传感技术，围绕分子计算、纳米机器和荧光分子检测等多个前沿交叉领域，对DNA计算中复杂荧光逻辑回路和并行分子计算展开多角度研究。首先，对算法理论和模型进行设计，包括DNA 计算模型算法、模块结构和逻辑关系等方面；其次对模型所需的纳米结构进行设计仿真，如三维结构、修饰位置和微变构等方面。在此基础上，围绕计算模型的需求，引入荧光分子传感回路、链置换、光调控和磁性纳米颗粒等操控技术，实现复杂数据流的处理。另外，利用基本模块可组装性，构建多层次复合计算模块，实现复杂计算体系和动态控制。最后，将计算模型与复杂基因网络信息检测相结合，拓展DNA计算的应用范围。该项目的开展具有重要理论和应用价值。

DNA计算模型是近年来前沿热点研究领域。其在高并行计算、海量数据处理和合成生物技术领域有着重要的应用。本项目结合热点领域技术，对复杂分子荧光计算模型展开多角度研究。项目主要研究内容包括如下。首先，在理论和模型设计方面，结合可重构模型、双催化模型、nicking酶机制等方法，对分子算法和自组装结构进行创新设计。通过设计构建逻辑运算、级联放大、催化循环等多种分子电路计算，研究了纳米结构及纳微信号变化，对DNA计算系统进行结果判断和计算输出。项目总体执行情况良好，实现所有既定的研究计划。项目开展四年来，围绕研究目标，课题组进行了多层次研究。发表SCI科研论文6篇，影响因子大于10的论文4篇；申请相关专利2项。取得如下多项主要研究进展。.（1）可编程别构DNA信号网络.我们开发了一种可编程变构DNA调控的通用策略，可以通过改变构象信号的尺寸、位置和数量来微调。通过对变构信号的编程，实现了扇出/扇入DNA逻辑门和多层DNA级联网络，并扩展了通过可调DNA折纸纳米机器远距离传输变构信号的途径。这一策略将使可编程和复杂的变构DNA网络和纳米设备成为可能，用于纳米工程、化学和生物医学应用。相关成果于2022年发表在《Science Advances》期刊。.（2）基于级联链置换的熵驱动双重催化DNA电路信号放大策略.我们构建了一种在熵驱动的DNA电路中实现的反应物的缺口酶辅助回收策略，在该策略中，双链DNA废物能够还原为活性成分可以参与下一个反应周期。这种策略提供了一种简单而通用的方法，用于创建更有效的熵驱动DNA电路的分子编程和合成生物学，在纳米孔检测、分子计算以及纳米机器等领域具有广泛的应用前景。成果于2019年发表在《J. Am. Chem. Soc.》期刊。.（3）基于origami表面aptamer修饰识别的固态纳米孔检测系统.我们开发了一种利用适配体/靶结合的表面修饰纳米孔检测技术。通过分子修饰引起微小的结构和电荷变化，导致纳米孔易位信号的显著变化，从而实现利用适配体/靶结合的表面修饰的纳米孔检测。成果发表在2021年《Biosensors and Bioelectronics》期刊。