DNA自组装模型在生物传感器设计中的应用研究

发布时间：2020-06-07 15:08

【摘要】：本文以分子信标自组装为核心,生物传感器的设计为主要研究对象,以提高生物传感器的性能为目标,对分子信标自组装模型在组合优化的NP问题中的应用及其复杂度进行了研究,并对其在生物传感器探针设计中的应用进行探索研究,分析其对传感器灵敏度和响应时间方面的改善和提高。文中围绕着饮用水源的监测问题结合纳米金和磁性粒子的优点设计出用于检测水体中病原体和病毒的生物传感器。DNA生物传感器的检测原理主要是利用DNA分子的自组装技术。因此在论文中首先介绍了DNA分子的自组装技术,并且给出了DNA白组装在组合优化中NP问题的计算模型,充分展示了DNA计算的巨大的并行性。本文主要内容如下：首先,充分挖掘分子信标这一独特的“发夹”结构所表达的信息,利用分子信标灵敏度高,特异结合性强、反应迅速及可荧光标记等优点给出最大匹配问题的DNA计算模型。利用分子信标茎干端的荧光标记还可以直观的观测到生化反应的完全性,当有发夹打开时,荧光背景增强,当所有发夹都打开时,荧光背景最强且不再变化,说明此时已经反应完全了,可以继续下一步的操作。另外,此模型的复杂度与顶点的度有关。理论分析表明,作为有m个顶点和n条边的无向图,利用分子信标计算它的最大匹配,根据模型分析其算法的复杂度,编码及生物操作的复杂度仅随顶点与边的增加而增加,且复杂度为(?)(n2)。其次,分析了目前所采用的DNA tile,其结构复杂,且不易荧光标记等不足,利用分子信标的优点设计了分子信标tile,其结构简单,可荧光标记,在读解时可借助于荧光光谱仪等帮助分析,在计算过程中减少了生化操作,而且其具有特异结合性强和反应迅速等优点,一定程度上降低了计算的错解率。利用分子信标给出图G的最大匹配的计算模型,计算前先将图G的边集映射为二进制组合,假设一个n位二进制数的第i位取值为1,则它代表对应的第i条边在集合M中,而不在集合E-M中。假设在一个n位二进制数的第i位取值为0,则它代表相应的第i条边不在集合M中,而在集合E-M中,其中M为一边集。这里利用自组装算法从对应的所有组合2n中找出图G的所有匹配,再找出最大匹配。相对分子信标计算模型,此算法将复杂度从(?)(n2)降低到(?)(n)。利用自组装模型解决组合优化中的全错位排列问题,采用将其所有排列给出,再利用生化反应的并行性同时验证所有排列是否是全错位排列,利用荧光光谱仪进行解的读取。之后又给出整数线性规划问题的自组装模型,构建乘法、加法和比较子系统进行求解,解的读取结合者荧光标记和其他分子生物技术操作。最后此自组装模型也解决了3-可满足性问题,用荧光标记的方法,利用自组装模块对每一个字句同时进行判定,最后使每个字句都为真的即是问题的解,说明此式为可满足的。对分子信标自组装模型的复杂度从计算和空间复杂度分别进行分析,得到计算复杂度和空间复杂度为常数或者是问题规模n的线性函数。从此模型中可充分体现分子信标瓦片的优点。下一步的研究工作是研究此模型的通用性,并且进行实验论证。最后,基于这种独特的结构的优势,结合纳米金和磁性粒子的优点设计出用于检测病原体(如大肠杆菌)的DNA生物传感器。利用锁核酸(LNA)、肽核酸(PNA)、DNA纳米结构探针的特点结合纳米金和磁性粒子的优点分别设计出用于检测水源中病毒的DNA生物传感器。这几款DNA生物传感器在理论上缩短了响应时间,提高了灵敏度,为实现环境的实时监测又迈进了一步。
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP212.3;X830

【参考文献】