基于DNA纳米技术的信息存储系统研究

With the rapid development of DNA computing theory and its application, DNA based computing has extended the concept of calculating, and brings new opportunities and challenges to the field of information storage and information security. As a new information storage system, the capacity of the DNA information storage system will exceed the current information system due to the high data density of DNA, and the challenge is how to keep the data security of this new system. This project intends to research on information storage and encryption based on DNA molecular computing theory and methods. Starting from the DNA molecule coding theory, research with DNA nanotechnology to address data read and write operations approach. Combining traditional information storage and encryption theory and methods, make full use of the special features of DNA molecules to design a new information storage system. DNA nanotechnology and theories of DNA computing will improve information storage reliability and safety of the new system. Finally, the proposed method combines several different fluorescent marker proteins with DNA nanotechnology to explore data reading and writing models in molecular scale, and visualize biological detection integrated storage system. The research project will expand the application of the field of molecular computing, and to achieve high-performance computing systems to provide technical support molecule.

随着DNA纳米技术的快速发展，以DNA作为信息存储模板及计算工具的DNA计算研究开拓了一个新兴研究领域，拓展了计算的概念和信息存储的模式，给信息存储与信息安全领域的研究带来了新的机遇与挑战：DNA分子作为信息存储载体，其信息存储能力有可能超越目前的信息存储方式；DNA分子计算理论上的超级并行计算能力，对传统的信息安全算法是否造成威胁？本项目拟基于DNA分子计算理论与方法开展信息存储与加密研究。从DNA分子计算编码理论入手，采用DNA纳米技术研究进行DNA编码数据寻址，读取操作，写入操作以及数据验证的方法，结合传统信息存储与加密算法理论，充分利用DNA分子的特点进行信息编码存储研究，提高DNA分子信息存储系统的可靠性与安全性。结合萤光标记，纳米金可视化检测技术等，研究信息编码，读/写，快速检测一体化DNA信息存储系统。这一研究将为DNA纳米技术及DNA计算的进一步发展提供理论与技术支撑。

计算与存储是计算机科学研究中两个主要的问题，DNA分子作为生物遗传信息存储载体，在信息的编码、存储与计算研究方面，具有传统电子存储、计算模式无可替代的优势。近年来， DNA的高密度信息存储能力引起了多学科领域学者的广泛关注，成为可能超越目前信息存储方式的一种特殊信息高分子存储方案。本项目基于DNA分子计算理论与方法开展信息存储与加密研究。从DNA分子计算编码理论入手，基于DNA分子动力学及机械特性的分子存储器编码理论研究，采用DNA纳米技术研究进行DNA编码数据寻址，读取操作，写入操作以及数据验证的方法，结合传统信息存储与加密算法理论，充分利用DNA分子的特点进行信息编码存储研究，提高DNA分子信息存储系统的可靠性与安全性。本项目发表相关研究论文22篇，其中SCI收录17篇，项目负责人第一作者9篇，项目负责人通讯作者5 篇，项目骨干标注本项目资助论文 8 篇。主要成果包括建立了DNA编码存储约束条件的理论模型。关于DNA编码约束条件的分子力学及机械特性相关的一系列研究成果，陆续发表在国际重要期刊 Nature Biomedical Engineering, Nanoscale等国际顶级期刊；根据DNA序列编码数据、信息编码的冗余算法，结合Sub tile的空间结构编码可重复纳米自组装思想，提出的基于DNA冗余编码理论和DNA分子三维结构可重复编码组装方法的，突破了此前SST组装结构冗余编码的热力学陷阱，研究成果已经发表于2018年的Nanotechnology。本项目的研究成果从理论基础与实验方法两个方面丰富了DNA分子信息编码存储、计算的探索，将为DNA纳米技术及DNA计算、存储的进一步发展提供理论与技术支撑。