DNA自组装在分子计算和纳米技术等方面应用的研究

【摘要】： 相比于传统的自上而下的形状构造方法,自下而上的自组装方法无疑是重要的新型结构(特别是纳米级结构)制造方法。对于DNA的知识、技术积累和DNA自身的编码能力使得基于DNA的自组装方法成为最有潜力的自组装方法。1989年,Seeman首次提出了一种十字形结构作为DNA自组装的基本单元。1994年,Adleman首次用一维线性DNA自组装解决了一个数学上的组合问题(哈密尔顿路径问题),证明了DNA分子潜在的计算能力,并由此开创了DNA计算(又称分子计算)领域。近十年中,DNA自组装在分子计算、生物物理、纳米技术等各个方面的潜力都得到了广泛的发掘。 本文主要针对DNA自组装在分子计算和纳米技术这两个领域的应用展开了研究,全文由以下四个部分组成: 第一部分绪论介绍了有关DNA的基础知识,DNA计算的研究背景和DNA自组装的研究背景。DNA的基础知识主要包括DNA的结构、DNA的操作以及DNA的检测和阅读,这部分的介绍不仅包括了常用的基本技术,也包括了新近发展起来的电化学DNA芯片、原子力显微镜等技术。DNA计算的研究背景主要介绍了两个经典实例,一个是Adleman实验,另一个是用DNA发夹结构来解决SAT问题。这两个算法的本质都是利用了DNA的自组装。DNA自组装的研究背景主要介绍了三种经典的自组装模块:DX模块、TX模块和十字形模块;同时介绍了2006年Rothemund发明的DNA折纸术,该发明无论在方法上还是技术上都是DNA自组装领域的巨大突破。 第二部分是DNA自组装在分子计算方面的应用。首先,本文提出了一种用一维线性DNA自组装的方法来实现两个非负二进制整数相加的算法。该算法只需要恒定的几个实验步骤,即对于n位二进制加法而言,实验步骤数并不随着n的增加而增加。与之前的各种DNA加法的算法相比,该算法具有更显著的简单易操作的优点。接着,在一维线性DNA自组装加法算法的基础上构造出DNA计算机加法器样机。该样机结合了微机电系统,用电化学DNA芯片将检测到的加法结果输出为电信号,且通过软件可以对整个实验系统进行调试。最后,本文还比较了电子计算机的发展历史和目前DNA计算机发展的阶段,作为对DNA计算领域的一个有趣的反思和展望。 第三部分是DNA自组装在纳米技术方面的应用。首先,本文用DNA在纳米尺度构造了中国地图形状。所构造的纳米结构由DNA折叠而成,直径约150纳米,分辨率约6纳米。通过原子力显微镜观测到的图形与设计图形几乎完全一致。该图形采用了基于DNA折纸术的构造原理,并进一步证明了DNA折纸术具有构造几乎任何复杂二维纳米级图形的能力,为基于自下而上方法的纳米构造技术提供了新方法。接着,本文就DNA折纸术的一个发展方向进行了更深入的研究:和DNA金属化相结合构造分子电子器件。电感是最基本的电子器件之一,因此本文以电感形状为目标折叠出宽度在20纳米以内的DNA纳米结构,并进一步讨论了DNA金属化的具体方案。 第四部分是总结与展望,回顾了本文所涉及的各项工作的内容和意义,并对将来可能的研究进展和发展方向做出了预测。