SHF: Small: A reconfigurable architecture for digital circuit computation by fast, robust, and leakless DNA strand displacement cascades

SHF:小型:通过快速、稳健且无泄漏的 DNA 链位移级联进行数字电路计算的可重构架构

基本信息

  • 批准号:
    1718938
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 46.5万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-07-01 至 2020-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The promise of molecular programming lies in its ability to not only process information autonomously, but to do so in a biochemical context in order to sense and actuate matter. For its simplicity and its programmability, one attractive option for chemical information processing is built upon the DNA strand displacement (DSD) primitive, where a soup of rationally designed nucleotide sequences interact, react, and recombine over time in order to carry out sophisticated computation. The focus of this proposal is the creation of a reconfigurable DSD architecture akin to a molecular breadboard. Its purpose is to "scale-up" what is possible with this technology and to "scale-out" its adoption to new contexts and new areas of study. A small number of fast, robust and well-understood molecular components will be developed that compose seamlessly. The necessary tools to facilitate rapid circuit design and characterization will also be developed. The reconfigurable architecture will be designed to meet the challenges required in real-world applications ranging from point-of-care diagnostics to sensing and actuation within molecular systems. Due to its ease of use, we envision that this molecular breadboard will be an ideal vehicle to teach molecular programming and to facilitate wider adoption of DSD systems.Building on a new leak reduction paradigm for DNA strand displacement systems, a new design for robust molecular computing gates will be developed, experimentally tested, and refined. By perfecting a set of molecular components suitable for use in modular and reconfigurable circuits, this will result in a fixed set of dozens of high quality gates that can be arbitrarily wired-up in order to create bespoke molecular circuits. A compiler will be developed that takes as input a circuit or logic function and provides as output the optimized set of biochemical "wires" necessary to activate the desired logic behavior. If successful, it will be possible to create and execute fast, leakless and robust molecular circuits, for circuits 2×-10× larger than have been previously demonstrated and with completion times 10×-100× faster. This increase in complexity creates an even greater need for design verification that will be addressed by the development of more efficient kinetic simulation software. The breadboard promises to be robust enough for immediate use in applications, such as diagnostics and molecular imaging, and in new contexts such as paper-based devices.
分子编程的前景在于它不仅能够自主处理信息,而且能够在生化背景下处理信息,以感知和驱动物质。 由于其简单性和可编程性,化学信息处理的一个有吸引力的选择是建立在 DNA 链置换 (DSD) 原语的基础上,其中合理设计的核苷酸序列随着时间的推移相互作用、反应和重组,以进行复杂的计算。 该提案的重点是创建类似于分子面包板的可重新配置的 DSD 架构。其目的是“扩大”该技术的可能性,并将其采用“扩大”到新的环境和新的研究领域。 将开发少量快速、强大且易于理解的无缝组合分子组件。 还将开发促进快速电路设计和表征的必要工具。 可重构架构的设计旨在满足现实应用中所需的挑战,从现场诊断到分子系统内的传感和驱动。由于其易于使用,我们预计该分子面包板将成为教授分子编程和促进 DSD 系统更广泛采用的理想工具。基于 DNA 链置换系统的新泄漏减少范例,将开发、实验测试和完善强大的分子计算门的新设计。 通过完善一组适用于模块化和可重构电路的分子组件,这将产生一组固定的数十个高质量门,可以任意连接这些门以创建定制的分子电路。 将开发一个编译器,它将电路或逻辑函数作为输入,并提供激活所需逻辑行为所需的一组优化的生化“线路”作为输出。 如果成功,将有可能创建和执行快速、无泄漏和强大的分子电路,其电路比之前演示的电路大 2 倍-10 倍,完成时间快 10 倍-100 倍。 复杂性的增加对设计验证提出了更大的需求,这将通过开发更高效的动力学模拟软件来解决。 该面包板有望足够坚固,可以立即用于诊断和分子成像等应用以及纸质设备等新环境中。

项目成果

期刊论文数量(11)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Inferring Parameters for an Elementary Step Model of DNA Structure Kinetics with Locally Context-Dependent Arrhenius Rates
推断具有局部上下文相关阿伦尼乌斯速率的 DNA 结构动力学基本步骤模型的参数
  • DOI:
    10.1007/978-3-319-66799-7_12
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Zolaktaf, Sedigheh;Dannenberg, Frits;Rudelis, Xander;Condon, Anne;Schaeffer, Joseph M;Thachuk, Chris;Winfree, Erik
  • 通讯作者:
    Winfree, Erik
Automated sequence-level analysis of kinetics and thermodynamics for domain-level DNA strand-displacement systems
  • DOI:
    10.1098/rsif.2018.0107
  • 发表时间:
    2018-12-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Berleant, Joseph;Berlind, Christopher;Winfree, Erik
  • 通讯作者:
    Winfree, Erik
Verifying chemical reaction network implementations: A pathway decomposition approach
验证化学反应网络的实现:路径分解方法
  • DOI:
    10.1016/j.tcs.2017.10.011
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.1
  • 作者:
    Shin, Seung Woo;Thachuk, Chris;Winfree, Erik
  • 通讯作者:
    Winfree, Erik
Towards space- and energy-efficient computations
迈向空间和能源高效的计算
Computing properties of stable configurations of thermodynamic binding networks
  • DOI:
    10.1016/j.tcs.2018.10.027
  • 发表时间:
    2019-09-20
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.1
  • 作者:
    Breik, Keenan;Thachuk, Chris;Soloveichik, David
  • 通讯作者:
    Soloveichik, David
{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Erik Winfree其他文献

Single-Molecule Tracking of Nanorobots on Pseudo-One-Dimensional DNA Origami Tracks
  • DOI:
    10.1016/j.bpj.2009.12.3206
  • 发表时间:
    2010-01-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
  • 作者:
    Nicole Michelotti;Anthony J. Manzo;Alex Johnson-Buck;Kyle Lund;Jeanette Nangreave;Nadine Dabby;Steven Taylor;Renjun Pei;Milan N. Stojanovic;Erik Winfree;Hao Yan;Nils G. Walter
  • 通讯作者:
    Nils G. Walter
Driving DNA Tweezers with an in vitro Transcriptional Oscillator
  • DOI:
    10.1016/j.bpj.2009.12.2334
  • 发表时间:
    2010-01-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
  • 作者:
    Eike Friedrichs;Jongmin Kim;Ralf Jungmann;Elisa Franco;Richard Murray;Erik Winfree;Friedrich C. Simmel
  • 通讯作者:
    Friedrich C. Simmel
Layered Tile Model-Error Reduction for DNA Tile Self-Assembly
分层瓦片模型 - DNA 瓦片自组装的误差减少
DNAタイルアセンブリのエラー抑制手法
DNA 瓦片组装的错误抑制技术

Erik Winfree的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Erik Winfree', 18)}}的其他基金

FET: Small: Exploring the Computational Power of Stochastic Processes in Molecular Information Technology
FET:小型:探索分子信息技术中随机过程的计算能力
  • 批准号:
    2008589
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
NSF Student Travel Grant for DNA24: The 24th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming
DNA24 的 NSF 学生旅费资助:第 24 届 DNA 计算和分子编程国际会议
  • 批准号:
    1844818
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Speaker support for workshop on advances in molecular programming and computing
分子编程和计算进展研讨会的演讲者支持
  • 批准号:
    1340383
  • 财政年份:
    2013
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: Molecular Programming Architectures, Abstractions, Algorithms, and Applications
合作研究:分子编程架构、抽象、算法和应用
  • 批准号:
    1317694
  • 财政年份:
    2013
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
HCC: Large: Collaborative Research: DNA Machine Builder: Creative molecular-machine design through mass-scale crowdsourcing
HCC:大型:协作研究:DNA Machine Builder:通过大规模众包进行创意分子机器设计
  • 批准号:
    1213127
  • 财政年份:
    2012
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
SHF:Medium:Collaborative Research:Scaling Up Programmable and Algorithmic DNA Self-Assembly
SHF:中:合作研究:扩大可编程和算法 DNA 自组装
  • 批准号:
    1162589
  • 财政年份:
    2012
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Student travel support for DNA17
DNA17 的学生旅行支持
  • 批准号:
    1137770
  • 财政年份:
    2011
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Future directions for molecular programming: DNA17 special session
分子编程的未来方向:DNA17 特别会议
  • 批准号:
    1143993
  • 财政年份:
    2011
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: The Molecular Programming Project
合作研究:分子编程项目
  • 批准号:
    0832824
  • 财政年份:
    2008
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Collaborative Research: EMT/MISC: Behavior Based Molecular Robotics
合作研究:EMT/MISC:基于行为的分子机器人
  • 批准号:
    0829805
  • 财政年份:
    2008
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant

相似国自然基金

昼夜节律性small RNA在血斑形成时间推断中的法医学应用研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2024
  • 资助金额:
    0.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
tRNA-derived small RNA上调YBX1/CCL5通路参与硼替佐米诱导慢性疼痛的机制研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    10.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
Small RNA调控I-F型CRISPR-Cas适应性免疫性的应答及分子机制
  • 批准号:
    32000033
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    24.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
Small RNAs调控解淀粉芽胞杆菌FZB42生防功能的机制研究
  • 批准号:
    31972324
  • 批准年份:
    2019
  • 资助金额:
    58.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
变异链球菌small RNAs连接LuxS密度感应与生物膜形成的机制研究
  • 批准号:
    81900988
  • 批准年份:
    2019
  • 资助金额:
    21.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
肠道细菌关键small RNAs在克罗恩病发生发展中的功能和作用机制
  • 批准号:
    31870821
  • 批准年份:
    2018
  • 资助金额:
    56.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
基于small RNA 测序技术解析鸽分泌鸽乳的分子机制
  • 批准号:
    31802058
  • 批准年份:
    2018
  • 资助金额:
    26.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
Small RNA介导的DNA甲基化调控的水稻草矮病毒致病机制
  • 批准号:
    31772128
  • 批准年份:
    2017
  • 资助金额:
    60.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
基于small RNA-seq的针灸治疗桥本甲状腺炎的免疫调控机制研究
  • 批准号:
    81704176
  • 批准年份:
    2017
  • 资助金额:
    20.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
水稻OsSGS3与OsHEN1调控small RNAs合成及其对抗病性的调节
  • 批准号:
    91640114
  • 批准年份:
    2016
  • 资助金额:
    85.0 万元
  • 项目类别:
    重大研究计划

相似海外基金

Collaborative Research: SHF: Small: Tangram: Scaling into the Exascale Era with Reconfigurable Aggregated "Virtual Chips"
合作研究:SHF:小型:七巧板:通过可重构聚合“虚拟芯片”扩展到百亿亿次时代
  • 批准号:
    2245129
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: SHF: Small: Tangram: Scaling into the Exascale Era with Reconfigurable Aggregated "Virtual Chips"
合作研究:SHF:小型:七巧板:通过可重构聚合“虚拟芯片”扩展到百亿亿次时代
  • 批准号:
    2124525
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
SHF: SMALL: Collaborative Research: Reconfigurable and Programmable Processor Architectures for Brain-Computer Interfacing
SHF:小型:协作研究:用于脑机接口的可重构和可编程处理器架构
  • 批准号:
    2007131
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: SHF: Small: Tangram: Scaling into the Exascale Era with Reconfigurable Aggregated "Virtual Chips"
合作研究:SHF:小型:七巧板:通过可重构聚合“虚拟芯片”扩展到百亿亿次时代
  • 批准号:
    2008911
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: SHF: Small: Tangram: Scaling into the Exascale Era with Reconfigurable Aggregated "Virtual Chips"
合作研究:SHF:小型:七巧板:通过可重构聚合“虚拟芯片”扩展到百亿亿次时代
  • 批准号:
    2007796
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: SHF: Small: Tangram: Scaling into the Exascale Era with Reconfigurable Aggregated "Virtual Chips"
合作研究:SHF:小型:七巧板:通过可重构聚合“虚拟芯片”扩展到百亿亿次时代
  • 批准号:
    2008477
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
SHF: Small: Visual Architectures: Engaging Crowds in Design and Discovery for Custom Reconfigurable Devices
SHF:小型:视觉架构:让大众参与定制可重构设备的设计和发现
  • 批准号:
    1617475
  • 财政年份:
    2016
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
SHF: Small: Collaborative Research: Power-Efficient and Reliable 3D Stacked Reconfigurable Photonic Network-on-Chips for Scalable Multicore Architectures
SHF:小型:协作研究:用于可扩展多核架构的高效且可靠的 3D 堆叠可重构光子片上网络
  • 批准号:
    1547034
  • 财政年份:
    2015
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
CCF: SHF: Small: Collaborative Research: Domain-specific Reconfigurable Processor for Time-Series Data Mining and Monitoring
CCF:SHF:小型:协作研究:用于时间序列数据挖掘和监控的特定领域可重构处理器
  • 批准号:
    1527127
  • 财政年份:
    2015
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
CCF: SHF: Small: Collaborative Research: Domain-specific Reconfigurable Processor for Time-Series Data Mining and Monitoring
CCF:SHF:小型:协作研究:用于时间序列数据挖掘和监控的特定领域可重构处理器
  • 批准号:
    1528181
  • 财政年份:
    2015
  • 资助金额:
    $ 46.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了