[发明专利]一类DNA纳米计算元件及其制备方法和应用

说明书

本发明属于DNA计算纳米技术领域，具体涉及一类DNA纳米计算元件及其制备方法和其在解决哈密顿路径问题中的应用，所述DNA纳米计算元件，是利用DNA纳米结构作为DNA计算元件，且设计的DNA纳米结构尺寸均一、重组的可编程位点提供了精准的节点位点设计、丰富的可延展边链可以提供稳定可靠的物理连接关系；基于本发明的一类DNA纳米计算元件，具有连接关系的矩形折纸平板是同轴的，应用于解决哈密顿路径问题时，可以保证多个矩形折纸平板连接的多聚体仍具有很好的刚性，从而确保计算结果可以按照正确的顺序存储下来而不会发生错误，以便后续计算结果的观察，本发明提供的DNA纳米计算元件具有并行计算能力和存储能力。

技术领域

本发明属于DNA计算纳米技术领域，具体涉及一类DNA纳米计算元件及其制备方法和其在解决哈密顿路径问题中的应用。

背景技术

1945年，冯·诺伊曼以图灵机(turing machine,TM)为计算模型，以半导体为实现材料，建立了电子计算机的体系结构。第二年，第一台基于冯·诺伊曼架构的电子计算机被成功开发出来。基于TM的电子计算机自问世以来，就按照摩尔定律以惊人的速度发展。截至目前，电子计算机已经经历了管式计算机、晶体管计算机、集成电路计算机和大规模集成电路计算机四个主要阶段。但是，由于尺寸减小，量子效应影响加剧，硅基芯片开始逐渐到达物理极限，基于硅基的电子信息行业正面临重大的发展瓶颈。不仅如此，困扰我们已久的Non-deterministic Polynomial(NP)的问题，即多项式复杂程度的非确定性问题,由于TM机的局限性，无法在现有的电子计算机上解决。研究人员已经开始尝试建立一种超越TM的计算模型，如仿生计算(如神经网络、进化计算、粒子群优化和计算)、光计算、量子计算已经在文献中被提出，但是仿生计算和光学计算的计算能力与TM机相当。在TM机下计算复杂度为n的算法可以在量子计算模型下将其降低至√n，这也就意味着即使是量子计算机在计算能力上并没有超越TM。许进教授提出的探针机模型则利用DNA来进行计算，完美解决了NP-完全问题。因此给予了我们启发，利用DNA计算，借助于其巨大优势——并行计算，在短时间内解决大规模NP-完全问题。

Adleman在1994年通过DNA杂交证明了哈密顿路径问题的解决方案，证明了一种算法可以编码到DNA中并用于执行计算操作。随后，粘性模型、自组装模型、非枚举模型和平行DNA模型被相继提出。进一步的，基于DNA的化学电路被搭建起来，以DNA或配体作为信号输入，并产生输出信号，如各种DNA逻辑门、生物检测DNA电路等。目前，基于DNA的分子计算机已经越来越多，也可临床用于疾病诊断和生物标志物检测等。

DNA纳米技术具有精确的可寻址性、良好的生物相容性以及较高的稳定性等优势，已经利用DNA的沃森克里克碱基配对原则创造了许多更复杂的纳米结构。尤其是在2006年，Rothemund提出的一种全新的DNA自组装的方法—DNA折纸术(DNA origami)，是DNA纳米技术与DNA自组装领域的一个重大里程碑。与传统的DNA自组装技术不同，DNA折纸术通过将一条长的DNA单链与一系列经过设计的短DNA片段进行碱基互补，能够用“一锅法”快速、精确地构造出高度复杂的纳米图案或结构。因此在过去十几年里，DNA折纸术在DNA纳米技术领域受到广泛关注，新型的二维、三维结构不断被构建，组装效率进一步提高，新的应用功能被不断开发。2006年，钱璐璐等人基于DNA折纸术构建了具有中国地图形状的DNA纳米结构，这也是DNA折纸术应用于复杂二维结构构建的一大飞跃。这些对象中，通过用功能单元对主要链进行化学修饰，可以精确地定位不同的位点，从而可以在DNA“折纸”结构的程序化自组装后被附着。可以使用原子力显微镜(AFM)或电子显微镜在单分子水平上的高级分析。