蛋白质介导的核酸自组装体系及其计算问题研究与探索

近年来，DNA自组装成为纳米材料科学及生物计算等领域研究的热点，它对DNA计算机的发展有着重大的影响。使DNA分子如何按照我们的意愿进行自组装已成为许多学者关注的焦点。DNA进行自组装需要初级的组装元件，这些元件就是经过特意序列设计的核酸片断，然后这些初级元件在特定的环境下形成一维、二维及三维结构。形成这些结构的生化基础就是核酸之间的碱基互补配对，其中序列设计的好坏直接影响着特定结构能否形成。本项目通过往DNA自装配体系中引入与核酸序列有特殊相互作用的蛋白质，将初级元件"粘合"在一起以形成更为复杂的结构，同时探讨这一自组装体系的核酸序列编码。本项目拟研究：1）在某些特殊蛋白质与核酸相互作用基础上的DNA自组装及其序列编码特征。2）基于这一DNA自组装体系的DNA生物计算模型。3）在此基础上给出连通度问题、最大团问题、顶点覆盖问题等图与组合优化问题的DNA生物计算方法并进行生化实验验证。

DNA 自组装成为纳米材料科学及生物计算等领域研究的热点，它对DNA 计算机的发展有着重大的影响。使DNA 分子如何按照我们的意愿进行自组装已成为许多学者关注的焦点。DNA 进行自组装需要初级的组装元件，这些元件就是经过特意序列设计的核酸片断，然后这些初级元件在特定的环境下形成一维、二维及三维结构。形成这些结构的生化基础就是核酸之间的碱基互补配对，其中序列设计的好坏直接影响着特定结构能否形成。本项目通过往DNA 自装配体系中引入与核酸序列有特殊相互作用的蛋白质，将初级元件"粘合"在一起以形成更为复杂的结构，同时探讨这一自组装体系的核酸序列编码。本项目重点研究：1）在某些特殊蛋白质与核酸相互作用基础上的DNA 自组装及其序列编码特征。2）基于这一DNA 自组装体系的DNA 生物计算模型。3）在此基础上给出最大团问题、顶点覆盖问题等图与组合优化问题的DNA 生物计算方法并进行生化实验验证。通过大量的实验，并没有得到预想的DNA纳米结构。分析原因在于DNA与蛋白质相互作用的复杂性，核酸序列编码的多样性。认识到根据目前对蛋白质与核酸序列相互作用的知识，还暂时无法形成高度有序的纳米结构，对于相应的数学问题，也是解决了简单的范例。通过大量实验发现，核酸序列的编码在核酸纳米结构形成中起到至关重要的作用，我们除了研究编码策略外，将研究重点重新调整到以往成功范例的序列编码上。通过大量的文献检索，我们收集了大量的编码序列，借鉴这些序列信息、根据前者经验设计序列。其中一项重要的成果就是建立了核酸组装的序列信息数据库，这一数据库通过收集成功的序列信息而建立，为以后基于数据库的核酸组装体系打下基础。相应成果的文章已发表在国际期刊“Nucleic Acids Research”及相关的中文核心期刊上。其意义在于为以后蛋白质与核酸相互作用及自组装研究提供借鉴，建立的数据库为研究新的核酸组装体系及其在合成生物学中的应用打下基础。