基于DNA自组装的计算模型和纳米结构的设计与研究

摘要

DNA自组装技术的原理是不受外界力作用的DNA分子瓦片，依照Watson-Crick碱基互补配对原则，自发的聚集在一起生成大分子晶体构成系统的过程。DNA分子是遗传信息的载体，具有典型的纳米尺度，其结构单元稳定灵活，编码性好，可操作性强，并且并行计算能力强，这些特性使得基于DNA分子的自组装技术在分子计算和纳米结构等方面都得到了很广泛的应用。随着人类需求的增多，传统的自组装技术已经出现了一些弊端，设计开发具有突出优势的自组装技术已经变得迫在眉睫。
　　本文主要从分子计算领域和纳米技术领域两个方面探讨了DNA自组装技术的应用，首先从两个方向阐述了DNA计算和DNA纳米结构两个领域的研究背景，以及国内外研究现状，其次提出了本文的研究内容及其意义。然后，分析了基于DNA计算的可行性，并针对目前进展和面临的问题，借助现有DNA瓦片的设计原理，详细阐述了一种结构简单，对称性强和稳定性高的新型DNA单链瓦片，并通过设计理论模型，仿真和实验的研究实现了DNA异或逻辑门，DNA累加器，DNA加法器，DNA减法器，DNA乘法器和DNA除法器，证明了该瓦片具有通过编码实现数据传递和快速完成任意复杂计算任务的能力。接着，在现有新型DNA分层sub-tile策略设计思想的基础上，按照设计方案，利用NUPACK工具设计序列，得到了可编程的DNA瓦片，在理论和实验两方面阐述了分层sub-tile策略在构造二维网格和三维纳米管方面的可行性，进一步讨论不同几何形状的瓦片对纳米结构形状，尺寸和产率的影响，证实了本文所设计的模型能够通过可编程的方式获得可控纳米结构。
　　最后，简要总结了本文主要采用的DNA瓦片结构，算法和模型的设计过程，和仿真及实验结果，讨论了DNA自组装结构对实验结果的影响以及改进方案，指出了未来可能的研究方向。本课题的成功实现为进一步的研究DNA计算和DNA纳米科技提供了更具优势的自组装工具，对于DNA纳米技术的研究具有很大的实践意义。