【摘 要】
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在自然界中,信息处理能力对于生物体的生存与进化至关重要,如大脑中神经网络的感知、模式识别及决策生成能力。在大脑进化之前,单细胞有机体基于复杂的生物分子电路也能够处理信息以产生生存所需的“智能”行为。基于分子“思考”方式研究已经产生了一系列计算模型及人工化学系统相关应用,但开发功能性分子电路以提升其信息处理能力依然是纳米技术领域内的重要科研目标之一。核酸分子具有可用于工程化人工分子电路的诸多理想特性
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在自然界中,信息处理能力对于生物体的生存与进化至关重要,如大脑中神经网络的感知、模式识别及决策生成能力。在大脑进化之前,单细胞有机体基于复杂的生物分子电路也能够处理信息以产生生存所需的“智能”行为。基于分子“思考”方式研究已经产生了一系列计算模型及人工化学系统相关应用,但开发功能性分子电路以提升其信息处理能力依然是纳米技术领域内的重要科研目标之一。核酸分子具有可用于工程化人工分子电路的诸多理想特性,其序列可被精确控制以编码不同的信号,同时避免分子间串扰。基于此,本论文设计开发了具有响应性行为的DNA开关分子,以独立控制分子信号传递与响应性调控功能,可用于实现化学反应路径的独立调控。以DNA开关分子为基础构筑模块实现了多种DNA运算单元的设计构建,通过多层级联集成设计完成了可实现级联逻辑计算、模拟计算及神经网络计算的DNA调控电路,阐明了DNA电路出色的信息处理能力及巨大的应用潜力。本论文的具体研究内容如下:（1）基于DNA分子结构的区域化设计,将具有质子响应性行为的三链体结构区域插入toehold区域与识别区域之间,构建了具有多种p H响应窗口的DNA开关分子。利用光致变色分子的异构化特性调控溶液中质子浓度,实现了光化学可调控的DNA开关分子的设计构建。以简单的DNA开关分子为基元结构,结合多种分子结构设计,实现了可完成逻辑计算及模拟计算的4种DNA运算单元,其计算准确性均通过了实验验证。（2）多功能DNA调控电路的设计开发依赖于模块化与可扩展的基础构筑单元。以DNA逻辑运算单元为基础构筑模块,利用光致变色分子的异构化特性,基于门单元的级联集成,成功构建了可完成多输入级联逻辑计算功能切换的DNA调控电路。本章工作还验证了基于三链体的DNA开关分子用于其他电路架构设计的可行性,设计开发了可完成2-bit和1-bit概率计算的DNA调控电路。以DNA模拟运算单元（乘法和加法）为基础构筑模块,通过并联集成DNA乘法运算单元与串联集成DNA加法运算单元,实现了可执行多输入乘加（MAC）计算及卷积计算的DNA调控电路。多功能DNA调控电路的实现论证了各DNA运算单元的模块化及可靠性,其可作为大规模电路的基础构筑模块。（3）结合卷积神经网络模型,以化学反应网络为编程语言,本章工作提出了在分子水平上实现DNA卷积神经网络计算的设计策略。基于硅基计算机完成卷积神经网络训练以获得最佳模型,而后以DNA分子实现相应权重参数,将函数运算编码在DNA分子网络拓扑中,以构建可实现卷积神经网络计算的DNA调控电路。该电路可识别多达8个类别的12×12分子模式,其中144-bit输入可采用144条DNA单链进行编码。基于卷积神经网络模型与逻辑电路架构的组合集成,本章工作还提出了DNA层次化神经网络电路的设计策略,成功将可分类识别的分子模式种类扩展至32种。综上,本论文聚焦于具备复杂信息处理能力的DNA分子系统的设计构建,提出了简单的分子调控组件设计策略,实现了具有可级联及模块化特性的DNA运算单元的设计构建。以DNA分子的识别区域为接口,利用DNA运算单元的串并联组合,实现了可执行多种计算功能的DNA调控电路,并将其规模进一步扩展至卷积神经网络计算。
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