计算机科学与技术的快速发展,计算机性能也越来越强大并应用于各科学技术领域,如力学、物理、化学、航天等。而随着各个科学领域的深入研究,科学问题也愈加庞大复杂,传统的电子计算机性能增长速度逐渐无法满足科学需求。量子计算、光子计算和纳米计算等新兴计算领域应运而生并快速发展,其中纳米计算中的DNA计算成为众多科学家的研究热点。DNA具有天然的微观效应和稳定的双螺旋结构,使其在于纳米计算中得到广泛应用,在新型高性能计算的发展中有着举足轻重的地位。结合无机纳米材料与生物分子的分子计算也逐渐成为学者们的研究重点,先后在复杂计算、信息处理、纳米机器、药物传输、分子检测方面取得突破。本文利用NUPACK等软件对计算模型进行DNA编码设计,结合蛋白酶(核酸内切酶)与无机纳米材料应用DNA自组装技术,链置换技术,围绕DNA计算和逻辑门等多个交叉领域,分别设计了 DNA分子逻辑门、DNA纳米机器和DNA纳米加密系统。一、基于纳米金颗粒(Gold nanoparticles,AuNPs)自组装的分子计算逻辑门。在此分子逻辑门研究中,我们设计并实现三种基本逻辑门。初始状态纳米金颗粒在修饰其表面的DNA单链的碱基互补配对力作用下聚集,利用单酶和双酶作为信号输入剪切纳米金颗粒之间的DNA双链并使其分离,以纳米金颗粒的离散状态作为逻辑输出,输出信号通过琼脂糖电泳来检测确认。通过这种方法,分别设计实现了“YES”,“AND”和“OR”分子逻辑门系统,并进一步提出复杂信息处理的逻辑系统模型。二、蛋白酶驱动的DNA纳米机器。通过编码有核酸内切酶识别序列的DNA作为行走链与编码核酸内切酶识别互补序列的DNA作为轨迹链按比例修饰在纳米金颗粒表面,在有核酸内切酶输入的情况下DNA行走链与DNA轨迹链互补将其剪切并寻找下一个DNA轨迹链,实现了沿着纳米金颗粒表面行走的DNA纳米机器。在此基础上构建“YES”分子逻辑门,蛋白酶作为输入信号,不同碱基长度DNA作为影响因子,通过与小尺寸的纳米金颗粒杂交并借助琼脂糖凝胶电泳和电镜等多重检测手段,观测得到最终结构并解析计算结果。三、光控的信息加密系统模型。该加密系统模型以二维DNA折纸结构作为信息编码平台,通过功能性AuNPs与DNA折纸结构信息编码位点连接,实现对明文加密信息的覆盖加密。对于信息的解密工作,由DNA密钥和紫外光照完成。借助透射电子显微镜和原子力显微镜可以实现对信息的提取和识别。