基于DNA自组装纳米芯片的分子计算模型研究

DNA molecules have natural micro specific effects, which makes DNA computing has the capabilities such as the large capacity and high-density of information storage, and parallel computing. DNA computing becomes one of important ways to develop non-traditional high-performance computing. However, it remains an important scientific problem how DNA computing models are implemented. In recent years, the development of DNA self-assembly chip provides a solid foundation for the nano manipulation, especially the “bottom-up” DNA self-assembly technology with the nanoparticle manipulation technology provides more ways and better accuracy to implement DNA computing. In this project, we investigate DNA computing models based on DNA self-assembly nano chips. The problems to be investigated include how to do numerical calculation by using the manipulation of nanoparticles; how to store information with high-density and large capacity by orderly arrange nanoparticles on DNA origami plane; how do design and construct logic computing units by DNA self-assembly technology; how to design smart nano devices with specific functioning that use DNA computing models as controls modules. The expected research results include new methods for information storage and encryption based on biological materials, and new technologies for parallel manipulation and real-time detection of massive molecular.

DNA计算凭借DNA分子天然的微观分子特异性效应，具有大容量高密度信息存储和并行计算能力，是发展非传统高性能计算的重要途径之一。如何实现DNA计算模型一直是一个有待解决的重要科学问题。近年来，DNA自组装芯片的发展为纳米微观操控提供了坚实的基础，特别是“自底向上”的DNA自组装技术结合纳米颗粒操控技术将为DNA计算提供更多的实现途径和更高的操控精度。因此，本项目拟开展基于DNA自组装纳米芯片的分子计算模型研究。研究内容包括利用纳米颗粒的操控进行数值计算；利用DNA折纸平面上对纳米颗粒进行高密度有序排布，实现大容量信息的存储；基于DNA自组装技术设计逻辑计算元件等；用分子计算模型作为控制模块，设计实现特定功能的智能纳米装置。研究成果将为基于生物材料的信息存储和信息加密提供新方法，以及对海量分子实施并行操控和实时检测的新技术。

DNA计算具有并行计算和大容量存储的特性，是发展非传统高性能计算的重要途径之一。本项目主要研究基于DNA自组装纳米芯片的计算模型，及DNA计算在信息加密、智能载药等方面的应用。围绕DNA计算电路构建、DNA自组装纳米结构制备和调控、DNA计算在信息加密和载药领域的应用等问题开展了研究。. 在DNA分子计算电路方面，开展了对小分子、环境温度、多生物分子信号响应的计算模型研究。建立了DNA/蛋白酶双催化计算模型，构建了多输入响应的RNA体外转录的调控方法，为多生物分子并行检测提供了计算电路模型；基于聚合酶链置换反应，提出了模糊链置换计算模型，设计制备了能识别DNA序列模式的分子电路，降低传统DNA计算电路设计复杂度；建立了响应环境温度变化的DNA计算模型，设计制备了DNA分子随温度切换的逻辑电路，为基于局部温度变化的肿瘤诊疗提供了新工具。. 在自组装纳米结构制备和调控方面，开展了DNA自组装变构及组装路径调控研究。提出了基于聚合酶链置换的DNA折纸变构新方法，建立了聚合酶驱动的DNA剪纸技术，将同一折纸剪裁成不同几何形状和英文字母，为基于DNA纳米技术的信息加密提供了新思路；提出小分子调控的DNA折纸变构方法，并利用小分子调控DNA折纸的组装路径，为自组装纳米芯片构象的精确调控提供了技术基础。. 在DNA计算应用方面，开展了DNA纳米管和DNA四面体等药物载体的设计和制备研究，并将其应用于内耳药物递送。提出了单链Tile自组装形成纳米管的新方法，为智能载药提供了低成本纳米载体；利用功能化的四面体DNA结构，构造了具有穿透性和靶向性的纳米药物载体，为内耳疾病给药提供了新思路，有望降低手术治疗风险。. 在项目的资助下，课题组在Angew，NAR，Nanoscale等国际期刊上发表论文23篇。申请发明专利5项，其中授权1项。培养博士2名，硕士10名。举办学术研讨会1次，协办国际会议3次。