基于链置换的微流控DNA自组装系统研究

Most of these proposals implement the computation by performing a series of biochemical reactions on a set of DNA molecules, which require human intervention at each step. Thus, one difficulty with such methods for DNA computing is the number of laboratory procedures, each time consuming and error-prone, growing with the size of the problem. Based on DNA self-assembly,the project intends to integrate information technology for control and detection, and coordinate different layers for software, hardware and molecules programming to build an automated and scalable DNA self-assembly system. On this basis, the architecture of the DNA self-assembly system will be proposed, which consists of four different abstract layers, such as application layer, model layer, experiment layer and microfluidic chip layer, which correspond to work allocation and task arrangement for different fields.This research project aims to further improve the reliability and controllability of DNA self-assembly. This results will provide not only the new methods of modeling and analysis for DNA self-assembly, but also powerful technical supports for the field of information processing.

当前DNA自组装模型针对特定问题需设计特定实验，并且在实验过程中存在易错、耗时的人工操作。本项目拟在DNA自组装框架基础上，综合微流控技术、链置换技术设计并构建微流控DNA自组装系统。以揭示分子自组装的本质规律,实现分子操作的可控性研究。主要内容包括：(1)研究分子自组装的动力学行为及分子间的调控机制，结合链置换技术建立可操控的DNA自组装系统模型；(2)开发分子操作的高级语言，借助于微流控和计算机控制技术，通过软、硬件编程的相互协调来构建一个由应用层、模型层、实验层和芯片层组成的自动化、可编程的微流控DNA自组装系统；(3)设计系统的硬件基础、指令系统、处理系统和数据结构。并用该系统设计分子逻辑电路及解决图顶点着色问题以验证系统。本项目的研究旨在进一步提高DNA自组装的可靠性和可控性，研究成果不仅为DNA自组装提供新的模型和方法，还将为其应用于信息处理领域提供强有力的技术支撑。

DNA自组装是利用DNA分子之间的碱基互补配对原则，以各种生化酶或其它物质为处理工具，通过可控的特异性反应处理DNA分子来生成纳米大小的结构、解决或处理一些困难问题。本项目首先利用DNA链置换反应的级联来编码荧光分子的位置信息，设计了一种构建在DNA双螺旋结构上的多通道输入、多功能的光激性逻辑计算单元。并基于SST自组装技术，设计了一个具有完全可寻址的DNA纳米操作平台，并在该平台上利用DNA链置换技术实现了光激性分子逻辑电路。其次，在DNA自组装技术基础上，深入研究基于微流控技术的DNA自组装结构，进一步讨论微流控DNA自组装模型的优缺点，提出了一种通用型DNA计算机的体系结构设计方案。在此基础上，提出了一种基于三维电极阵列的微流控DNA计算机方案，设计实现了一个通用的DNA计算平台，作为实例用于求解最小顶点覆盖问题。最后，设计了一种基于微反应腔级联、气动微阀控制的微流控DNA计算机芯片，用于实现求解图顶点着色问题，并验证了DNA计算机通用性、自动化控制、可扩展等优点。本项目的成果为DNA自组装模型的理论与应用研究提供了新的技术支撑。通过本项目的实施，获河南省科学技术进步奖二等奖1项、三等奖1项；获河南省自然科学优秀学术论文奖二等奖2项；通过“国际先进水平”的省级科技成果鉴定6项，发表学术论文37篇，其中SCI收录17篇次，EI收录11篇次。获授权发明专利6项。