DNA不仅储藏着巨大的生命遗传信息,而且还可以作为一种天然的纳米生物材料及元件。到目前为止,科学家们已经巧妙地使用DNA分子完成了各类功能结构及器件的设计与构建。将DNA作为纳米材料与其他纳米材料相结合,必将为生命科学,材料科学,环境科学等领域的发展带来前所未有的动力。在本论文中,我们遵循沃森-克里克碱基互补配对的原则,借助于G-四链体,脱氧核酶等纳米材料的特性,并通过与DNA链置换技术,荧光标记技术等DNA纳米技术结合,在此基础上,完成了 DNA分子逻辑计算模型的构建。本文所做的主要研究工作具体包含如下两个方面:(1)我们首先提出了一个简单的DNA探针逻辑计算模型,可以通过基于链霉抗生物素蛋白和DNAzyme介导的链置换反应的DNA探针技术来实现。在第一个过程中,构建了基于链霉抗生物素蛋白介导的短距离链迁移的荧光猝灭装置(A1)。在这里,我们主要利用的是近距离效应触发的DNA链置换技术来操纵基于蛋白质小分子——链霉抗生物素蛋白介导的AND逻辑运算。其中,链霉亲和素之所以可以高度特异性与生物素牢固绑定,这是由于它们之间具有非常强烈的高亲和力。这将为本策略的实施提供了保障,并且有助于本模型的灵敏性及高效性的提升。然后提出了由DNAzyme切割触发的信号恢复装置(A2)。在此过程中,只有当两个分裂的DNA核酶片段同时存在时,它们才能在金属离子的辅助作用下具有催化活性,从而激活催化切割反应,导致含有猝灭基团的短链分离,同时伴随着荧光信号的增强。为了有效改善模型的复杂性和实用性,我们将链霉抗生物素蛋白与DNAzyme结合起来构建了一个级联逻辑计算模型,以此来灵敏地控制信号的强度。同时,建立了实现级联的荧光粹灭和恢复过程的智能DNA分子开关。最后,通过使用聚丙烯酰胺凝胶电泳和荧光检测实验来完成对所提模型的可行性的验证。本章中所构建的模型利用了绑定诱导的近距离DNA分支迁移技术,并引入了链霉亲和素、脱氧核酶等材料,为DNA逻辑计算模型的构建提供了更多选择的可能。(2)在第二项研究中,我们已经成功开发出一种可以将DNA逻辑门集成到一个简单并且通用的平台中的新策略,以最终实现包括半加器(HA)和半减器(HS)在内的这种高级算术逻辑功能。其中,本策略中所构建的通用平台主要由DNAzyme亚基及分子信标MB构成。在此通用模型的基础上,仅需要更改不同的输入链即可实现不同的逻辑计算元件的构建;由于半加器和半减器这两个逻辑组件的主要操作对象是两位一位二进制数,输出产生两个结果,即模型需要设计两个输入和两个输出。因此,在该策略设计中我们使用分子信标MB及G-四链体作为信号报告分子,同时分别引入了 FAM荧光信号检测和TMB/H2O2溶液的颜色变化(可以用肉眼明确地获得计算输出)来对其进行检测,并分别作为两个逻辑输出端对应的信号结果,最终满足所构建的逻辑计算模型的功能需求。这个逻辑系统的独特之处在于输入介导的计算电路的组装与拆卸,门设计的模块化以及可通过观察解决方案的颜色变化而获得的可见输出,这为后续复杂逻辑电路的构建提供了新思路。