DNA Tile计算简述

自1953年Watson和Crick首次提出DNA双螺旋结构以来,DNA作为遗传物质、信息载体和纳米材料被广泛研究,并成为多个领域的研究对象,如基因工程、DNA酶、生物信息学、信息存储、DNA纳米技术等.DNA作为一种天然的纳米材料,具备自组装的能力(A-T、C-G),使其在纳米结构领域成为备受瞩目的材料之一.以DNA构建的纳米结构形态不一,其构建的方法则主要分为两种:DNA Tile和DNA折纸.文章主要阐述DNA Tile的发展历程及其在纳米结构构建领域的应用,并着重介绍DNA Tile在计算领域的广泛应用.     

基于sub-tile的对称有界DNA结构自组装及应用

使用一种基于DNA sub-tile的自组装策略,通过模块化的方式灵活构建多种刚性DNA tile,同时利用DNA tile 的对称性,创建多种有限尺寸,空间可寻址的纳米网格结构,并阐述其可能在癌症治疗中作为小分子纳米药物颗粒运载工具,实现定向给药的潜在应用.     

DNA折纸术——全编程的信息工具

DNA作为信息分子在构建2D及3D几何形状的纳米级结构上有多种优点.二维和三维结构的组装可以通过DNA链的组合、DNA块的拼接实现.而随着DNA折纸术的出现,更是实现任意平面结构设计的可能.DNA二维平面的设计已被证实是图灵等价的.本文主要介绍基于DNA折纸的计算模型及DNA折纸术在信息领域方面的应用.     

一种新型DNA纳米结构的构建与结晶

DNA三角形纳米结构的拐角是由DNA同源重组中的Holliday基序构成的.为进一步研究DNA三角形纳米结构,对其拐角截断并引入黏性末端到其基序上,使其能够自组装成为一种新型DNA纳米结构.对该DNA纳米结构进行凝胶电泳分析,发现其迁移速率要比DNA三角形迁移速率小.在这种没有扭曲张力的情况下,该基序只是自组装形成一个二聚体结构,而不是三聚体结构(DNA三角形).对该新型DNA纳米结构进行结晶,并合成得到了硒代核酸,同时也得到了较高质量的硒代单晶,以帮助相位测定.希望对其晶体结构进行测定研究,以便发现该新型DNA纳米二聚体结构和该Holliday基序组装的三维结构,从而更深入地认识DNA纳米材料的组装规律.     

基于DNA纳米结构的药物递送系统用于癌症治疗的研究进展

DNA作为生物界中用于传递遗传信息的物质,具有良好的生物相容性.因此,以DNA为模板自组装的DNA纳米结构在无转染剂时能顺利通过细胞膜,且高效无毒.与其他纳米材料相比,DNA纳米结构还具有高度的可编程性和精确的可寻址性,体内稳定性和易于修饰等优点.近年来,随着DNA纳米结构的发展,其特异性的靶向识别能力以及高载药量的优...     

DNA纳米机器药物递送研究进展

 天然分子机器是细胞正常功能（包括DNA复制、细胞内物质运输、离子平衡和细胞运动等）的重要执行者。受天然分子机器的启发,人工分子机器的概念被提出并逐步实践。DNA分子独特的理化性质使得其可作为自组装基元用于构建分子机器类纳米结构。DNA纳米结构具有形状可设计性、精确的可寻址性、结构动态响应性及良好的生物相容性,可以作为一种良好的药物递送载体材料。通过可寻址的负载特定功能元件从而构建DNA纳米载体和治疗型DNA纳米机器,可以靶向性地将药物传递到病变组织和细胞,响应性地释放药物,提高药物的细胞摄取率并降低其毒副作用,有望成为优秀的药物递送系统。基于DNA纳米结构的药物载体已经被用于递送小分子药物、寡核苷酸类药物和蛋白药物。以每类药物分子中的典型药物为例,介绍了DNA纳米载体和DNA纳米机器药物递送系统的研究进展,并讨论了其所面临的挑战及可能的发展趋势。     

DNA分子的电性质研究进展

DNA(脱氧核糖核苷酸)分子的电学性质关系到生命信息静态的存储和动态的释放,因此一直备受关注.但仅是随着物理实验手段在生物学研究领域的广泛应用,特别是纳米观测和纳米操纵技术的提高,才使研究单个DNA分子的电学性质成为可能.从20世纪90年代以来开展的大量研究工作表明,探明DNA的电学性质不仅能够帮助理解DNA复制和修复的物理机制,而且指出作为天然的纳米结构材料,DNA分子在分子器件学领域具有巨大的应用潜力.回顾了DNA电学性质的研究成果,并对DNA分子在材料学及分子器件学领域的应用前景作以展望.     

纳米金在DNA电化学传感器中的应用研究

利用自组装单分子膜原理,通过层层组装的方法将金纳米粒子(AuNPs)和DNA探针分别固定到金电极表面制备成探针电极。结果表明纳米金可以使响应电流大大增强,有利于提高检测的灵敏度;同时DNA自组装到纳米金修饰的金电极上,形成一层致密的分子膜,可使响应电流下降。     

超高密度信息存储材料及技术研究进展

信息技术的飞速发展,要求不断开发出具有更高信息存储密度及更快响应速度的材料和器件,因而在纳米尺寸上实现信息存储功能的新型超高密度信息存储材料已成为当前信息领域一个发展速度快、学科交叉多、竞争十分激烈的研究热点.简要介绍了近年来该领域主要的研究方法,并着重对利用扫描隧道显微镜/原子力显微镜(STM/AFM)写入信息的存储材料的最新研究进展进行了综述.     

基于“DNA折纸术”设计图着色问题的解决方案

色数是图论中的一个重要的参数,其属于著名NP(Non-deterministic Polynomial)-完全问题范畴.巨量的着色方案使验证变得相当困难,以至于在传统计算机上无法实现.目前已经有多种算法用于研究图定点着色问题,比如遗传算法,粒子群算法,神经网络算法和模拟退火算法等.随着DNA自组装技术与DNA计算机研究的展开,一些NP-完全问题以及NP-难问题的计算模型被相继提出.除了传统的DNA分子结构被用作计算材料外,其他的DNA分子结构也被用于分子生物计算,比如质粒DNA分子、分子信标结构以及DNA Tile等.采用DNA纳米折纸结构编码信息,借助于纳米结构之间的粘性末端进行自组装,给出了一种非确定性的图着色模型.通过创建数以亿计的参与计算的DNA纳米折纸结构,该算法可以并行的测试每种可能的着色方案.     

基于金纳米粒子/石墨烯修饰电极的电化学DNA阻抗传感器的制备

报道了一种基于金纳米粒子/石墨烯修饰玻碳电极的电化学DNA阻抗传感器.首先在玻碳电极表面修饰一层石墨烯,然后通过电化学方法在石墨烯表面沉积一层金纳米粒子,探针DNA(含巯基)通过金硫键连接在金纳米粒子表面.电化学阻抗技术用于DNA传感器的组装表征及其特殊序列DNA的检测.在最佳的实验条件下,传感器响应信号与互补靶DNA浓度的对数在1.0×10-12-1.0×10-7M呈良好线性关系,其线性回归方程:ΔRct(Ω)=1526.6+109.9lgC,相关系数R为0.9970,检出限为3.5×10-13M(S/N=3).此外,该传感器具有良好的选择性,它能识别单碱基错配序列的靶DNA.     

基于自组装纳米颗粒探针的全错位排列问题的DNA计算模型

全错位排列问题是组合数学中的一类重要问题,可转化为范式的形式,利用自组装纳米颗粒探针对满足性问题进行求解。将纳米金颗粒和DNA序列进行结合,形成纳米金颗粒探针的识别区,并且成拱形结构。当识别区与其补链发生杂交反应时,拱形结构打开并发出荧光,从而给出了全错位排列问题的一种新的DNA计算模型。与传统的DNA计算模型不同,本文将纳米技术和DNA计算理论相结合。     

纳米自组装薄膜制备及应用研究进展

随着纳米技术的进步,为实现纳米材料各种应用功能,需要制备不同的纳米组装薄膜材料。本文对纳米组装薄膜制备、薄膜制备过程中分子间相互作用、外界刺激下协同作用以及未来发展方向进行了详细综述。在膜纳米结构中,制备薄膜主要有3种方法:自组装单分子膜(SAM)、层层自组装(Lb L)以及LB膜技术。SAM技术能够有效、精确地制备表面纳米结构。层层自组装技术及LB技术能够有效地控制并制备层状纳米结构。层层组装方法常用于制备面积较大的层状纳米结构;LB技术主要是利用其制备过程中独特的动态界面实现对超薄膜的制备。     

纳米孔DNA测序:我们在哪了?(英文)

纳米孔DNA测序技术是一类重要的DNA测序技术,可以实现长链DNA序的快速读取.一个DNA分子可以以毫秒每碱基,甚至更快的速度通过纳米孔,从而有可能实现在1 h以内完成人类全基因组测序.与下一代DNA测序技术(next generation DNA sequencing,NGS)相比较,纳米孔DNA测序技术可以实现单分子测序,无需使用酶进行样品扩增.纳米孔DNA测序技术是后NGS时代极具潜力的DNA测序技术.本文将介绍纳米孔DNA测序技术的研究现状,并讨论在这个快速发展的领域当中面临的挑战和机遇.     

0-1整数规划问题的DNA四面体步行者计算模型

DNA折纸术是一种新型的自组装方法,广泛应用于DNA计算中。基于DNA折纸术设计了一个DNA四面体步行者,并将DNA四面体步行者应用于求解0-1整数规划问题。通过DNA四面体步行者的行走,来找出所有可能解。最后,通过DNA四面体步行者所携带的纳米金颗粒的个数来判断是否是0-1整数规划问题的可行解。该模型求解错误率低,具有很强的可控性和实用性。     

一种基于DNA自组装模型求解最大团问题的算法

基于tiles理论模型和已有DNA自组装模型,结合最大团问题给出基于DNA自组装模型的算法设计,得到具体设计初始分子、规则分子和检测分子所需的DAE块种类.在此基础上采用荧光标记和凝胶电泳生物操作提出了一种求解最大团问题算法.该算法设计tiles的种类为Θ(n2+|E|),其生物操作复杂性为Θ(1).此算法降低了实验的复杂度,而且保证了实验的易操作性和结果的准确性。     

自组装DNA计算研究难点与展望

随着DNA计算领域研究的深入,自装组DNA计算的研究成为了并行计算领域的研究热点,在本文中,作者主要分析讲述当前自组装DNA计算的几种结构形式：一维的、二维的以及三维的自组装DNA分子结构特点和发展现状,并且提出现在自组装DNA计算发展的难点以及今后的发展展望。随着多学科交叉融合力度的加大,自组装DNA计算将会成为生物信息学、应用数学、计算机仿真学、智能计算、纳米材料科学等多领域专家的重要研究方向。     

3D DNA origami designed with caDNAno

For about three decades, DNA-based nanotechnology has been undergoing development as an assembly method for nanostructured materials. The DNA origami method pioneered by Rothemund paved the way for the formation of 3D structures using DNA self assembly. The origami approach uses a long scaffold strand as the input for the self assembly of a few hundred staple strands into desired shapes. Herein, we present a 3D origami "roller" (75 nm in length) designed using caDNAno software. This has the potential to be used as a template to assemble nanoparticles into different pre-defined shapes. The "roller" was characterized with agarose gel electrophoresis, atomic force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM).     

纳米金的制备、表征及应用研究

纳米金材料基于其良好的光学和电子学特性,近年来已成为科学家们研究的热点之一。实验以氯金酸为原料,柠檬酸三钠为还原剂,采用经典的柠檬酸三钠还原法制备出纳米金溶液,利用目测法、紫外-可见分光光度法和扫描探针显微镜法对其进行表征,结果表明:纳米金粒子尺寸均匀、呈球形单分散分布。利用自组装单分子膜原理,通过层层组装将纳米金粒子和DNA探针依次固定到玻碳电极表面制备探针电极,利用电化学工作站检测其信号,结果表明纳米金标记DNA探针可显著增强目标DNA的检测信号,提高检测的灵敏度,并使响应电流增强。     

DNA芯片在最短公共超串问题中的应用

DNA芯片技术是近年来生命科学与信息科学的新兴研究领域,其突出特点在于它的高度并行性、多样化、微型化以及自动化.最短公共超串问题是计算机科学中的NP-完全问题.笔者在DNA计算和DNA芯片基础上,提出了基于DNA芯片解决最短公共超串问题的DNA计算新模型.该模型可对信息高度并行获取,并且具有操作易自动化的优点.