电子计算机是人类历史上里程碑式的发明,已经成为信息化现代社会中不可缺少的部分,很大程度上改变了人类的生活方式。基于集成电路的电子计算机随着越来越高的集成度要求,其发展已经越来越接近技术所能容许的极限。发展新型理念逐渐成为计算研究的趋向,生物计算,分子计算,蛋白计算,光子计算等备受关注。核酸纳米材料逐渐发展为分子计算的主要研究材料,具有遗传特性的DNA分子结构精巧,先天特有的碱基四进制组合,信息存储于四种碱基的排列组合,在纳米尺度上输入信号并行处理,能够高容量低耗能的实现运算。将纳米尺度的分子材料DNA与其他纳米材料组合起来,具有良好的可操作性与强大的识别和信号转导能力,利用这种自然界的反应过程包含的信息处理原理抽象出对应的计算模型,并利用这些过程进行计算。微软和华盛顿大学在2016年4月展示了利用人工合成DNA作为数据存储介质的技术,期望未来将DNA杂交与半导体工业相结合制造基因芯片。本文首先介绍了生物计算的研究背景和发展现状,并对基于生物分子DNA的计算中使用到的纳米材料(G-四链体、脱氧核酶和链霉亲和素-生物素)和纳米技术如聚合酶链式反应、聚丙烯酰氨凝胶电泳等实验操作进行了介绍。主要对基于纳米材料DNA的逻辑计算中用到的技术类型进行了归纳总结,并提出了三种逻辑计算模型,第一个是在G-四链体的形成和解离基础上构建逻辑门,第二个是通过链霉亲和素和脱氧核酶介导荧光猝灭与恢复构建分子探针来实现逻辑计算,第三个是在纳米材料DNA折纸上构建的基于链置换的分子计算模型。本文的具体工作如下:(1)本文首先对生物计算的发展和研究现状进行了介绍,并总结了国内外对生物计算领域的研究和成果,主要将生物计算的发展潜力和应用前景呈现出来,说明生物计算无限的发展潜力,使人们加深对这个领域研究的了解和认识。(2)本文接着主要介绍了在基于纳米材料DNA的分子计算中应用的几种纳米材料以及在构建和验证逻辑计算模型过程中使用的纳米技术,包括求解NP完全问题的DNA计算模型中用到的聚合酶链式反应和链置换反应中主要用到的聚丙烯酰氨凝胶电泳。让人们对这些纳米材料的性质和应用以及纳米技术的原理和操作有所了解,为本文中DNA分子逻辑计算模型的阐述做铺垫。(3)本文的第三章,主要将纳米材料G-四链体的形成和解离,结合氯化血红素,将单链DNA作为输入信号,诱导链置换反应发生,利用G-四链体作为输出,没有任何标记参与,构建了三个简单的逻辑门——YES门、AND门和NOT门。(4)本文的第四章,利用DNA链置换和荧光标记设计脱氧核酶和链霉亲和素介导的探针机分子计算模型,单链DNA作为输入信号诱导荧光猝灭和恢复的分子反应,相对荧光量变化作为输出信号,基于此反应构建双输入逻辑与门。为了探索所设计的基于探针机分子计算模型的双输入逻辑与门的可行性和灵敏性,在基本底物元件浓度一定的情况下,对输入信号链的最佳浓度进行了探索。在第二个脱氧核酶介导酶切的双输入逻辑与门中,对酶切的最佳浓度进行了探索。(5)本文的第五章,设计了将DNA自组装模板结构和DNA链置换结合,在DNA折纸的特殊位置将参与自组装的某些链延长,伸出游离于溶液中,对伸出来的tile进行特殊的序列设计,用于DNA链置换,来构建在DNA折纸上的基于DNA链置换的分子计算模型实现,基于DNA折纸的“0-1-0”转换的逻辑计算模型的构建,实际上就是在DNA折纸上设计的表面计算。