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,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,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ATP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供平台。本论文中,将CRISPR/Cas9系统的靶标精确定位于折纸平台上,研究了其在纳米尺度的靶标搜寻机制。利用全内反射荧光显微术(TIRFM),对CRISPR/Cas9单分子反应体系进行了实时的单分子动态观察,发现了近邻PAM间转移的靶标搜寻新机制。并通过对gRNA(引导Cas9的RNA)结构的设计实现了CRISPR系统的本地化激活,实现了CRISPR作用的空间特异性。4.对DNA纳米结构进行了光学超分辨成像研究。DNA纳米结构作为一种可以精确定位各种功能单元的纳米平台,其空间定位和结构表征对于其功能特征的研究非常重要。超分辨荧光显微术的发展,为纳米结构的表征提供了一种原位,无损观察多种生物环境纳米级结构的方法,可以对波长以下尺度的结构进行表征。本论文利用荧光染料的激发特性,发展了基于荧光分子荧光闪烁的超分辨成像方法,并将其应用于纳米结构的成像,实现了二维的超分辨成像。同时利用基于单分子定位的随机重建技术,我们实现了对多种DNA纳米结构的超分辨表征。