基于DNA的生物计算和超分辨成像

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1、密级：博士学位论文基于DNA的生物计算和超分辨成像作者姓名：王飞指导教师:王丽华研究员中国科学院上海应用物理研究所学位类别:理学博士学科专业:无机化学培养单位:中国科学院上海应用物理研究所2018年6月DNA-basedBio-computingandSuper-resolutionImagingAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinInorga

2、nicChemistryByWangFeiSupervisor:ProfessorWangLihuaShanghaiInstituteofAppliedPhysics,ChineseAcademyofSciencesJune2018中国科学院大学研究生学位论文原创性声明立进行研宄工作本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独所取得的成果。尽我所知，除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：又＾

3、日期０＇：又十Ｈ…名＇学位论文版权使用授权书本人完全了解中国科学院大学有关保留、使用学位论文的存学位论文的印刷本和电子版，并提供规定：学校有权保，即目录检索与阅览服务；学校可以公布论文的全部或部分内容，。、可以采用影印、缩印数字化或其它复制手段保存学位论文本人》出版章同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库期刊（光盘版）》学位论文提交《中国学术程的内容，愿意将“电子杂志社，编入ＣＮＫＩ学位论文全文数据库并充实到学位”论文学术不端行为检测系统比对资源库，同意按章程规定享受相关权益＊。。‘此规定保密论文在解密后遵守。

4、ｎ指导教师签名论文作者签名：日期：＞〇／艺年今月＂日ｉ摘要摘要脱氧核糖核酸（DNA）是自然界中生命的主要遗传信息载体。近些年来，DNA作为一种独特的生物材料在生命科学、医学、生物计算与国防安全等多个领域显示了巨大的应用潜力。DNA具有序列的可编码性和结构的可编程性，在生物计算和信息存储领域显示了很好的潜力，可以用来解决许多数学上复杂的难题。DNA具有良好的生物兼容性和丰富的化学反应活性位点，被广泛应用于医疗行业如智能药物的开发。同时DNA纳米结构具有可精确寻址的特点和精准多元修饰的优势，使得DNA纳米结构为多种化学反应的观测和研究提供了多样化的探

5、测平台。本文主要利用DNA分子序列可编程性、DNA纳米结构的可寻址性以及DNA分子与其他化学分子相互作用的特点，从一下几个方面进行了探索：1.设计并构建了基于DNA链取代反应的双轨运算逻辑电路。利用DNA单链和双链间的链取代反应，尤其是toehold介导的链取代反应，是很多DNA计算体系的基本策略。到目前为止，基于DNA链取代的逻辑运算已经可以解决一些基本的问题，甚至用来构建带权重的神经网络。于此同时，基于DNA逻辑计算来构建的智能调控体系并用于临床诊断也取得了一些进展。然而目前的DNA计算体系仍然具有前期准备较为复杂，实现的功能较单一以及序列的选择性有限等问题，

6、限制了更大规模运算电路的实现。这里我们研究了DNA链取代反应的作用的结构和序列相关的机制，利用开关电路的概念模块化地设计了AND,OR,XOR,NOT四种基本的逻辑运算单元，并利用转接器实现运算单元间的信号连接和信号放大。利用运算单元和转接器的连接方式，构建了多种逻辑电路，并通过改变运算单元间的连接方式实现了加法、减法、比较的功能性运算。同时我们设计了电路的简化和生成程序，使得对于一定功能的需求可以自动化地产生对应的DNA计算电路。2.设计并构建了ATP快速响应的线性DNA水凝胶。基于DNA序列的可编码性带来的其结构的可设计性，DNA水凝胶具有良好的吸水储水能力，

7、极大地拓宽了智能水凝胶领域的发展和其在药物开发领域的应用。传统的制备方法多采用分叉的DNA来制备水凝胶，成胶速度慢，近年来由Y形DNA作为单体制备水凝胶成为新的方案。本论文中，引入核酸适配体作为智能响应单元，利用其与目标序列发生结合时引起的结构变化来制备ATPI基于DNA的生物计算和超分辨成像触发的、可快速响应的DNA水凝胶。具有制备简便、响应迅速的特点，在药物开发及靶标探测方面有很好的应用潜力。3.在DNA折纸平台上进行了CRISPR单分子行为的研究。由DNA组装的纳米结构具有精确的空间可寻址性，可以把目标分子放置在特定的位置，从而为研究反应的纳米级的空间特性提

8、供平台。本