[發明專利]一類DNA納米計算元件及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202310197485.7
• 申請日: 2023-03-03
• 公開（公告）號: CN116227589A
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 晁潔;李京港;王君珂
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G06N3/123
• 分類號: G06N3/123;B82Y5/00;B82Y10/00;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 姜夢翔

本發明屬于DNA計算納米技術領域，具體涉及一類DNA納米計算元件及其制備方法和其在解決哈密頓路徑問題中的應用，所述DNA納米計算元件，是利用DNA納米結構作為DNA計算元件，且設計的DNA納米結構尺寸均一、重組的可編程位點提供了精準的節點位點設計、豐富的可延展邊鏈可以提供穩定可靠的物理連接關系；基于本發明的一類DNA納米計算元件，具有連接關系的矩形折紙平板是同軸的，應用于解決哈密頓路徑問題時，可以保證多個矩形折紙平板連接的多聚體仍具有很好的剛性，從而確保計算結果可以按照正確的順序存儲下來而不會發生錯誤，以便后續計算結果的觀察，本發明提供的DNA納米計算元件具有并行計算能力和存儲能力。

技術領域

本發明屬于DNA計算納米技術領域，具體涉及一類DNA納米計算元件及其制備方法和其在解決哈密頓路徑問題中的應用。

背景技術

1945年，馮·諾伊曼以圖靈機(turing?machine,TM)為計算模型，以半導體為實現材料，建立了電子計算機的體系結構。第二年，第一臺基于馮·諾伊曼架構的電子計算機被成功開發出來。基于TM的電子計算機自問世以來，就按照摩爾定律以驚人的速度發展。截至目前，電子計算機已經經歷了管式計算機、晶體管計算機、集成電路計算機和大規模集成電路計算機四個主要階段。但是，由于尺寸減小，量子效應影響加劇，硅基芯片開始逐漸到達物理極限，基于硅基的電子信息行業正面臨重大的發展瓶頸。不僅如此，困擾我們已久的Non-deterministic?Polynomial(NP)的問題，即多項式復雜程度的非確定性問題,由于TM機的局限性，無法在現有的電子計算機上解決。研究人員已經開始嘗試建立一種超越TM的計算模型，如仿生計算(如神經網絡、進化計算、粒子群優化和計算)、光計算、量子計算已經在文獻中被提出，但是仿生計算和光學計算的計算能力與TM機相當。在TM機下計算復雜度為n的算法可以在量子計算模型下將其降低至√n，這也就意味著即使是量子計算機在計算能力上并沒有超越TM。許進教授提出的探針機模型則利用DNA來進行計算，完美解決了NP-完全問題。因此給予了我們啟發，利用DNA計算，借助于其巨大優勢——并行計算，在短時間內解決大規模NP-完全問題。

Adleman在1994年通過DNA雜交證明了哈密頓路徑問題的解決方案，證明了一種算法可以編碼到DNA中并用于執行計算操作。隨后，粘性模型、自組裝模型、非枚舉模型和平行DNA模型被相繼提出。進一步的，基于DNA的化學電路被搭建起來，以DNA或配體作為信號輸入，并產生輸出信號，如各種DNA邏輯門、生物檢測DNA電路等。目前，基于DNA的分子計算機已經越來越多，也可臨床用于疾病診斷和生物標志物檢測等。

DNA納米技術具有精確的可尋址性、良好的生物相容性以及較高的穩定性等優勢，已經利用DNA的沃森克里克堿基配對原則創造了許多更復雜的納米結構。尤其是在2006年，Rothemund提出的一種全新的DNA自組裝的方法—DNA折紙術(DNA?origami)，是DNA納米技術與DNA自組裝領域的一個重大里程碑。與傳統的DNA自組裝技術不同，DNA折紙術通過將一條長的DNA單鏈與一系列經過設計的短DNA片段進行堿基互補，能夠用“一鍋法”快速、精確地構造出高度復雜的納米圖案或結構。因此在過去十幾年里，DNA折紙術在DNA納米技術領域受到廣泛關注，新型的二維、三維結構不斷被構建，組裝效率進一步提高，新的應用功能被不斷開發。2006年，錢璐璐等人基于DNA折紙術構建了具有中國地圖形狀的DNA納米結構，這也是DNA折紙術應用于復雜二維結構構建的一大飛躍。這些對象中，通過用功能單元對主要鏈進行化學修飾，可以精確地定位不同的位點，從而可以在DNA“折紙”結構的程序化自組裝后被附著。可以使用原子力顯微鏡(AFM)或電子顯微鏡在單分子水平上的高級分析。