DNA自组装模型在生物传感器设计中的研究与探索

Detection of water environment is the key point to solve the water pollution, meanwhile the development of biosensor technology has provided more effective instruments for the detection of water environment, especially the detection of drinking water. Biosensor technology is a new and important monitoring technology of environmental monitoring. The core of this task is the molecular beacon self-assembly, and the object of study is the design of biosensor. The aim is to improve the performance of the biosensor. This task will design the biosensor to detect the pathogen and the virus in the water, and studying the application of the design of the biosensor’s probe around the problem of detection of the drinking water combining the merits of the nanogold and magnetic particle. And the task will analyze the improvement of the sensitiveness to the sensor and the response time. Based on the research of the DNA self-assembly mechanism’s reaction mechanism and the testing principle of biosensor, the task will further research and design biosensors based on the DNA self-assembling . Main content include: 1, fully tap the molecular beacon information expression, construct molecular beacon probe to detect pathogenic microorganisms;2, the deep research in nanogold and magnetic particles, based on the advantage of molecular beacon DNA biosensor electrodes;3, detect the designed sensor on the sensitivity and response time using the pathogenic microorganisms in huaihe river.

水环境监测是解决水环境污染的首要问题，而生物传感器技术的发展为水环境监测尤其是饮用水质量的监测提供了更为有力的工具，是环境监测中一项新型的、重要的监测技术。本课题以分子信标自组装为核心，以生物传感器的设计为主要研究对象，以提高生物传感器的性能为目标，围绕着饮用水源的监测问题结合纳米金和磁性粒子的优点，对其在生物传感器探针设计中的应用进行探索研究，设计出用于检测水体中病原体和病毒的生物传感器，并分析其对传感器灵敏度和响应时间方面的改善和提高。在对DNA自组装反应机理和生物传感器检测原理的研究基础上，将深入研究与设计基于DNA自组装的生物传感器。主要内容包括：1、充分挖掘分子信标的信息表达，构建分子信标探针；2、对纳米金及磁性粒子深入研究，结合分子信标的优势研制DNA生物传感器的电极；3、以淮河水体中病原微生物的检测为手段来检测所设计的传感器在灵敏度和响应时间上的提高程度。

DNA生物传感器在环境监测领域具有广泛应用。DNA自组装模型是一种自底而上的、从无序到有序的不断自我修正、自我完善的高精度计算模型。设计基于DNA自组装模型的生物传感器以及探索其在环境污染监测中的应用具有重要意义。课题针对目前自组装模型中DX tile分子结构的不足以及分子信标结构的特点，充分挖掘了分子信标这种特殊的“发夹”结构表示信息和处理信息的能力，给出分子信标自组装在求解最大团问题、最大权团问题、最大匹配问题、0-1整数规划问题等组合优化问题中的计算模型，并通过建模和仿真验证了分子信标自组装计算模型的可行性和计算效率，提高了现有的分子信标自组装计算模型的计算深度和广度。除了传统的DNA tile自组装模型外，课题还研究了当前组装效率更高的两种新兴自组装技术，DNA折纸术和DNA链置换。利用DNA折纸术可以高效的构造不同分子结构的特点和DNA链置换可编程的能力，建立了以DNA折纸术为基底的通用型自组装DNA计算系统，实现了0-1整数规划问题、逻辑计算、背包问题等数学问题的DNA折纸计算模型的构建，通过Visual DSD软件仿真和复杂度分析，评估了DNA折纸计算模型的可行性和稳定性，扩大了DNA折纸计算模型的应用范围，挖掘出DNA折纸术和DNA链置换这两种新兴的自组装技术在解决大规模数学问题中的能力。通过研究纳米金与磁性粒子对于电极的结合率和固载量的影响以及分析现有生物传感器的缺点，课题提出了结合纳米金和磁性纳米粒子的RNA分子作为生物传感器的设计策略，这个策略相比较常规的生物传感器具有更高的亲和力和灵敏度。