基于DNA自组装的通用纳米信息处理系统的研究

Based on DNA nanotechnology, various supramolecular (functional units) may achieve computing, moving, targeted drug delivery and other functions, which can control the nanostructures accuracy of the atomic level.The existing functional units are very different in information encoding method and interacting protocals. This situation greatly limites the step in the march toward controlling biological systems with standard information-processing techniques, and the development of constructing complex nanorobots.Based on DNA self-assembly and origami, we focus on how to package DNA functional units, how to implement the interactivity between function units，and how to construct a general nano information processing system with reusable functional units. Research includes designing information standardized encoding rules, to achieve the information format consistency in a system; designing and packaging functional units, constructing functional unit libraries, including identification, input, logic operations, signal amplification, output and display functional unit libraries; designing the standardized communication interface between functional units; using functional units to combine a DNA sensor, which can verify the validity, completeness and fault tolerance of the constructed system. In the research, functional units can be flexibly combined into a new system. The research will provide some new methods and technology for the programmable, addressable nanorobots, and provide theoretical and technical support for building standard information-processing systems.

基于DNA纳米技术的各种超分子体（功能单元），已能实现简单计算、移动、靶向送药等功能，其纳米结构的控制精度达到了原子级。目前已有的功能单元信息编码规则、交互协议和数据输入输出方式各不相同，极大限制了用标准信息处理技术来控制生物系统和构建复杂纳米机器人的发展。本项目基于DNA自组装和折纸术，研究功能单元封装技术，构成功能基元，实现基元交互，构建可重用基元的通用纳米信息处理系统。研究内容包括信息规范化编码设计，实现功能基元输入输出信息表示的一致性；实现功能单元封装，构成功能基元，建立基元库，包括识别、输入、逻辑运算、信号放大、输出和显示功能基元库；设计基元间规范化通信接口，实现基元标准交互协议；利用基元组合配置DNA传感器，验证组合系统的有效性、完整性和容错性。功能基元可灵活配置构成新系统，为设计实现可编程、可寻址的纳米机器人提供新方法和新技术，为建立标准信息处理系统提供理论和技术支撑。

基于 DNA 纳米技术的各种超分子体（功能单元），已能实现简单计算、移动、靶向送药等功能， 其纳米结构的控制精度达到了原子级。本项目基于 DNA 自组装和折纸术，研究功能单元封装技术，构成功能基元，实现基元交互，构建可重用基元的通用纳米信息处理系统。研究内容包括信息规范化编码设计，实现功能单元封装，构成功能基元，建立基元库，设计基元间规范化通信，利用基元组合配置 DNA 传感器，验证组合系统的有效性、完整性和容错性。功能基元可灵活配置构成新系统，为设计实现可编程、可寻址的纳米机器人提供新方法和新技术，为建立标准信息处理系统提供理论和技术支撑。.项目进行的4年期间，在DNA自组装理论、应用和实验研究获得了如下成果：.（ 1）设计实现DNA信息编码，开发出相应软件；.（ 2）建立计算基元，可以实现信息输入、逻辑运算、信号放大、输出和显示；.（ 3）完成DNA螺旋除法器的设计和原理性实验；.具体体现为：.已授权专利5项，在申请专利4项。发表论文28篇，其中SCI索引21篇。博士毕业5人，硕士毕业8人。