自组装DNA纳米芯片分子信号综合检测系统

本项目对DNA纳米芯片检测系统展开多层次多角度研究。同时，面向应用和需求，推出具有自主知识产权的，实用化、小型化DNA自组装纳米芯片检测系统。DNA纳米芯片是纳米级的微器件，通过DNA分子自下而上自组装、自识别技术构建特定的纳米芯片结构。利用该纳米操作平台，进行多种类多目标检测：基因、抗原和活体细胞、纳米光学信号、纳电子信息和结构变构等。和传统仪器相比较具有纳米化、高并行、灵敏度高、活体细胞体内操控、成本低、集成自动化和分析速度快等特点。研究中，通过建立多种技术相结合的研究体系（纳电子技术、荧光标记技术、纳米颗粒技术、实时AFM技术、磁性颗粒技术和碳纳米管技术等）对DNA纳米芯片检测系统的稳定性、重现性、灵敏度等性能进行研究。从整体上看，该领域研究与生产科研领域息息相关，因此，对DNA纳米自组装芯片展开深入的研究具有重要意义。

电子计算机在处理NP-完全问题以及大数据问题上“力不从心”，特别是其工艺制造技术即将达到极限；本质上，电子计算机是基于图灵机模型的串行结构，而图灵机数目是可数个。但实际中要识别的数据是不可数的，因此，电子计算机很难处理众多类型的数据，例如停机问题等。基于此一直寻求新型体系结构的计算机。项目组提出了大规模型，和探针型新型计算机的数学模型，上述两种模型中的一个关键技术是检测问题。本项目重点研制适用于基因工程，特别是DNA计算机中的快速准确检测系统--“自组装DNA纳米芯片分子信号综合检测系统”，以100nm×140nm型DNA芯片检测系统与分子与纳米技术为主体的生物材料的生物计算机。. 将DNA自组装与链置换技术相结合，构建了DNA分子逻辑计算模型。针对不同种类分子、不同系统复杂性、以及相同体系内不同作用因素，实现对海量分子的并行操控；研究结合了DNA链置换和纳米颗粒沉降技术，构建了一级和二级逻辑技术体系。通过信号输入，可以仅通过肉眼观察，获得计算结果，具有重要应用意义。工作利用DNA纳米荧光信标技术，首次构建了具有信号输入功能的巯基DNA信号逻辑开关体系。将只具有结构功能的组成分子，扩展为具有信号识别功能的逻辑开关。在此基础上，扩建双线逻辑开关。特别提出了一种新颖的计算模型—探针机。证明了图灵机是探针机的一种特例。给出了一种可实现的模型，即纳米-DNA探针机模型。该成果将发表在IEEE Trans. On Tnnls上。采用自底向上的DNA可编程自组装技术构建了100nm×140nm的长方形DNA芯片基底，在芯片上可以有序固定12×18=216个不同的DNA探针，进行基因检测、筛查。该模型我们在中期验收时，给出了30nm×60nm，原计划在本项目结题时其规模达到60nm×90nm，但实际上我们研制出了100nm×140nm，因此所挂有的探针是216个，该检测系统，具备基因检测、筛选的能力，可以应用于乙肝，艾滋病毒等特征基因片段的快速检测。这一可编程自组装DNA芯片基底也可以作为多肽、纳米金颗粒的可编程组装平台，开展纳米电子器件、生物医药等领域科学研究。

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