基于链置换技术的微流控分子计算模型研究

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随着大数据时代的来临,人们对计算的需求不断增长,然而,半导体的制造技术可能在未来十年内达到极限,这为研究人员寻找新的计算方法和计算媒介提供了动力。DNA分子是一种天然的计算媒介,高度并行的计算能力、可编程性以及极高的存储密度使其成为计算研究领域的研究热点。作为DNA计算中最重要的技术之一,DNA链置换技术将DNA计算的发展推向了一个新的高度,它利用DNA碱基互补配对规则实现信息传递和操作。已经有许多研究成果基于DNA链置换技术构建了多种分子计算模型,为计算机科学提供了新的思路和方法。基于此,本文提出了一种基于DNA链置换技术的DNA分子系统以实现一位加法器的功能,具体研究内容如下:首先,对应于加法器的真值表,本文设计了一种基于单分子逻辑门的DNA加法器。为了找到实验效果最为理想的逻辑门,本文设计了不同分子结构、不同Toehold长度以及不同Toehold序列的逻辑门。在此基础上,使用NUPACK对DNA序列进行设计,并使用Visual DSD对链置换反应的过程进行了仿真模拟,以保证实验的可行性。然后,我们进行了生物实验,通过对荧光定量PCR实验结果的分析,我们发现Toehold序列为GGT的发夹结构逻辑门表现出最优异的效果,并使用该逻辑门对DNA加法器进行了实现。最后,本文将其与微流控技术进行结合,在微流控芯片上进行实验操作,结果表明,该逻辑门在微流控芯片上是稳定性的,一位加法器在微流控芯片上得到了实现,这是DNA计算与微流控技术相结合的一次新的尝试。DNA加法器的研究扩展了计算机科学的研究领域,同时也为开发基于生物材料的新型计算器提供了思路。
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