可控分子元件的DNA自组装模型与应用研究

DNA nanotechnology can not only provide new approach and technology for manufacturing nanodevice and study of electronic device in molecular level，but also has its particular application value in DNA computer ，nanobiological machine, gene therapy and so on . Using biological molecular and related enzyme as elementary material, molecular self-assembly models can construct molecular device through controllable biochemical reaction to implementing transfer and process of information . Based on the development of AuNPs , strand displacement and biochip technology , the project covers both theory and experiment research of designing model for molecular device self-assembly and its application. It can be implemented through the following ways ： ⑴we intend to construct a bio-devices or self-assembly primitive can be used to perform information transmission and processing based on the technological theories of molecular self-assembly, DNA strand displacement and biochip. ⑵we expect to expand the application of molecular device in the information transmission and processing via the routes of programming and designing DNA self-assembly primitive and molecular device , and explore the ability of molecular device by constructing a gene network to processing information and discuss the biological computing problems; ⑶ The molecular device is utilized to construct a controllable self-assembly model validated by biochemistry experiments such as AuNPs, magnetic bead , gel electrophoresis and fluorescence labeling

DNA纳米技术不仅为纳米元件的制造和分子级电子元件的研究提供了新的方法和技术，也在DNA计算机、纳米生物机器及基因治疗等方面有特殊的应用价值。分子自组装模型以生物分子及其相关酶为基本材料，通过可控的生化反应来构建分子元件，进而完成信息传递与处理。本项目以当前纳米金颗粒技术、链置换技术及生物芯片技术的发展为基础，对分子元件的自组装模型构建及其应用进行理论和实验研究。主要通过以下方面实现：⑴拟基于分子自组装、DNA链置换技术和生物芯片技术理论构建分子元件，构造一种可执行信息传递与处理功能的生物分子元件或自组装基元；⑵拟通过DNA自组装基元与分子元件的编码设计，研究分子元件在肿瘤细胞周期中的生物信息传递与处理能力, 探讨分子元件通过构建基因网络处理信息的能力及生物计算问题；⑶拟通过分子元件构建可控的自组装模型，利用纳米金颗粒、磁珠、凝胶电泳、链置换和荧光标记等技术，进行生化实验验证。

本项目旨在研究并开发可控的DNA自组装模型并研究其应用前景。我们根据该领域国际、国内的最新研究进展，主要研究可控的自组装DNA计算模型，实现不同的DNA计算以及在某些具体问题上的应用，分析了生物计算机发展过程中可能出现的相关技术问题，并探索其解决实际问题的能力。同时，我们认为生物计算的思想可以用来分析和研究人类疾病的发生发展规律和调控机制。首先对可控的DNA自组装模型处理生物问题的能力进行了研究，并探索其在NP完全问题—图的连通度问题、神经网络、活体细胞中的基因调控等方面的可行性和应用。通过设计不同的自组装模型以及逻辑计算模型，设计了各种自装置逻辑模型，探讨了可控的DNA自组装模型对信息表达及处理方面的特点。利用不同的方法，构造不同的自组装逻辑模型，进而对DNA计算的机理进行研究。在研究中，对可控DNA分子的可控条件进行深入的研究，引入了核酸分子特异性识别、酸性条件下结构发生转变和纳米金颗粒诱导等性质，实现了多种新型逻辑模型。其次，我们对可控DNA自组装在实际问题中的应用进行了探讨，分析和讨论了在图论、基因调控、金属离子等方面的问题。在研究可控的DNA自组装过程中，我们加入了一些新型的基于DNA链置换的生物逻辑模型和基于金属离子的G四联体的逻辑模型，并引入了一些新型的生物工程技术和仿真技术，为之后的研究提供了一定的理论依据和现实意义。