本文選題：DNA水凝膠 + DNA折紙　； 參考：《中國科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)》2017年博士論文

【摘要】：脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)是生物細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮遺傳作用的分子,具有堿基互補配對的特點,兩條互補的DNA單鏈可以通過堿基配對形成雙鏈結(jié)構(gòu)。DNA分子具有的這種特異性的識別和自組裝能力,以及序列可編程性的特點,使其成為一種非常優(yōu)秀的微納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建材料,近幾十年來被廣泛應(yīng)用到微納米研究中。本文基于DNA分子自組裝的特性,將其作為微納米構(gòu)建材料,在以下三個方向作了探索:1.設(shè)計構(gòu)建了一種基于分叉型D NA鏈?zhǔn)诫s交反應(yīng)的生長可控型水凝膠。D NA分子有兩個特點,一個特點是D NA分子具有的自組裝能力,另外一個特點是DNA分子具有的序列可編程性。D NA分子通過自下而上的自組裝,可以形成宏觀D NA水凝膠。傳統(tǒng)制備D NA水凝膠一般是均相雜交合成方法,對于凝膠形成過程缺乏控制。我們設(shè)計出一種分叉型D NA鏈?zhǔn)诫s交反應(yīng),來可控地形成D NA水凝膠。這個反應(yīng)首先需要加入引發(fā)鏈來觸發(fā),雜交反應(yīng)被觸發(fā)后可以不斷級聯(lián)反應(yīng)下去,最后形成三維D NA網(wǎng)絡(luò)的水凝膠。我們可以通過引發(fā)鏈和反應(yīng)時間來控制成膠過程,并可以通過濃度來控制D NA凝膠強度。我們進(jìn)一步將引發(fā)鏈排布在芯片表面,由引發(fā)鏈引發(fā)表面成膠反應(yīng),最終無需外加模具就可以構(gòu)建出不同的二維D NA水凝膠圖案。2.以D NA折紙為模板原位生長納米線路圖案。D NA分子的兩個特點,即自組裝和序列可編程性,最成功應(yīng)用之一是D NA折紙術(shù)。D NA折紙是通過設(shè)計D NA鏈間雜交關(guān)系,利用一組D NA短鏈,像訂書釘一樣將一條長單鏈D NA縫合起來,自組裝形成二維或者三維的D NA納米結(jié)構(gòu)。我們通過將特定位置的訂書釘鏈序列延長,經(jīng)過退火自組裝形成D NA折紙后,延伸的單鏈伸展到折紙表面形成合成納米線路的模板�；谠O(shè)計的D NA折紙模板,我們合成了多種金屬納米線路圖案和多種金屬化合物納米線路圖案。通過D NA折紙的拼接,我們實現(xiàn)了納米線路的集成。我們設(shè)計的合成方法的優(yōu)點之一是,在成功合成出納米線路的同時,保留了D NA折紙自身的納米可尋址能力。3.設(shè)計了一種新的基于查找表的D NA計算模型。D NA分子間特異性的識別和自組裝能力,可以被用來設(shè)計和構(gòu)建復(fù)雜的邏輯關(guān)系和計算,解決一些數(shù)學(xué)問題等。我們設(shè)計一個D NA鏈庫作為查找表,利用D NA鏈間特異雜交,將二元變量的相乘結(jié)果從D NA鏈庫中篩選出來。這種基于查找表的計算模式,降低了體系的復(fù)雜度和設(shè)計難度。同時,我們采用相同的設(shè)計方案,構(gòu)建出一個進(jìn)行信息轉(zhuǎn)化的查找表,通過D NA鏈匹配雜交,將計算結(jié)果D NA鏈信息轉(zhuǎn)化成七段式數(shù)字顯示信息,并最終將計算結(jié)果以數(shù)字形式顯示出來。這種數(shù)字顯示方式,提高了D NA計算結(jié)果的可讀性。同時,這種利用D NA鏈進(jìn)行信息轉(zhuǎn)化的方式,展示了D NA分子在信息編碼與解碼中的巨大應(yīng)用潛力。
[Abstract]:Deoxyribonucleic acid DNA (DNA) is a molecule that plays a genetic role in biological cells. Two complementary single strands of DNA can form double-stranded structures through base pairing. DNA molecules have this specific ability to recognize and self-assemble, as well as the programmability of sequences, making them a very good construction material for microstructures and nanostructures. In recent decades, it has been widely used in micro-nano research. Based on the characteristics of self-assembly of DNA molecules, the microstructures of DNA molecules were used as microstructures in this paper. In the following three directions, the molecular structure of DNA was explored in the following three directions: 1. The design and construction of a kind of controllable hydrogel. DNA molecule based on branched DNA chain hybridization has two characteristics, one of which is the self-assembly ability of DNA molecule. Another characteristic is that DNA molecules have sequence programmability. DNA molecules can form macroscopical DNA hydrogels through bottom-up self-assembly. The traditional preparation of DNA hydrogels is a homogeneous hybrid synthesis method, which has no control over the gel formation process. We designed a branched D-NA chain hybridization reaction to form DNA hydrogel under control. This reaction first needs to be triggered by adding an initiator chain, and the hybrid reaction can be continuously cascaded after triggered, and finally the hydrogel of 3D DNA network is formed. The gelation process can be controlled by initiator chain and reaction time, and the strength of DNA gel can be controlled by concentration. We further arrange the initiator chain on the chip surface, and the initiator chain initiates the gelation reaction on the surface. Finally, different 2D D na hydrogel patterns. 2 can be constructed without additional mold. In situ growth of nanoscale patterns. DNA molecules are characterized by self-assembly and sequence programmability. One of the most successful applications is that DNA origami technique. DNA origami is designed by designing the hybridization relationship between DNA chains. Using a group of short D na strands, a long single strand D na was stitched up like a stapling, and a 2D or 3 D na nanostructure was formed by self assembly. After annealing and self-assembly, the extended single strand is extended to the surface of origami to form a template for synthesizing nanocircuits. Based on the designed DNA origami template, we synthesized various metal nanofilament patterns and metal compound nanowire patterns. By combining D NA origami, we realize the integration of nanowires. One of the advantages of the synthesis method we designed is that the nanowires are successfully synthesized while retaining the nano-addressable ability of DNA origami. A new DNA computing model based on look-up table is designed. The ability of recognition and self-assembly between DNA molecules can be used to design and construct complex logic relations and calculations, and solve some mathematical problems. We designed a DNA chain library as a lookup table and screened out the result of multiplying the binary variables from the DNA chain library by using the specific hybridization between the DNA chains. This computing model based on lookup table reduces the complexity and design difficulty of the system. At the same time, using the same design scheme, we construct a lookup table for information transformation. By using D-NA chain matching hybridization, the results of the calculation are converted into seven-segment digital display information. Finally, the results of the calculation are shown in numerical form. This digital display improves the readability of the results of the D na calculation. At the same time, this way of transforming information by using DNA chain shows the great application potential of DNA molecule in information coding and decoding.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O629.74;TB383.1

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本文編號：1993655