SHF: Small: Models and Design Tools for Tethered Molecular Circuits

SHF:小型:系留分子电路的模型和设计工具

基本信息

  • 批准号:
    1814906
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 45万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-06-15 至 2024-05-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Molecular computing devices detect input signals, including molecules indicative of disease states, and carry out autonomous information processing tasks on these inputs at the nanoscale. Recent work has explored the use of molecular computing devices in which the computing components are tethered to a DNA origami tile, with the layout of the components influencing their computational functionality. Such devices have a number of advantages, including faster computation times and the ability to reuse devices to scale up a circuit. This project will develop computational models, algorithms, and software tools to automate the design, implementation, and analysis of this new class of molecular computing devices. The award will enable more reliable design of these systems, providing enhanced guarantees that they will function as intended when constructed in the laboratory. The software produced will be released to the broader research community. The project will support training and education of undergraduate and graduate students, and members of underrepresented groups will take part via tracked science involvement programs. When modeling and simulating molecular circuits involving tethered components, the geometry of molecular interactions is of vital importance. This project will use a novel representation of molecular structures via sets of geometric constraints on variables that represent the physical positions of specific parts of the structure. Finding a solution to these constraints corresponds to proving that the specified structure can adopt the corresponding physical conformation. This will be used as a filter to eliminate any tethered reactions for which the resulting product structure could not actually form, for example, if the reactants are too far apart to actually interact. These models will be tested and parameterized by experimentally validating their predictions with wet lab experiments, and novel designs for modular circuits will be developed as a proof of concept. The developed algorithms will be implemented and distributed as usable software tools that enable computer-aided design of tethered molecular systems. Thus, the project will adapt established techniques from theoretical computer science to handle the unique challenges of tethered molecular computing.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
分子计算设备检测输入信号,包括指示疾病状态的分子,并在纳米级对这些输入执行自主信息处理任务。最近的工作探索了分子计算设备的使用,在分子计算设备中,计算组件被拴在DNA折纸瓷砖上,组件的布局影响其计算功能。这种设备有许多优点,包括更快的计算时间和重复使用设备来放大电路的能力。该项目将开发计算模型、算法和软件工具,以自动化设计、实施和分析这类新的分子计算设备。该奖项将使这些系统的设计更加可靠,为它们在实验室中建造时按预期发挥作用提供更好的保证。制作的软件将向更广泛的研究社区发布。该项目将支持本科生和研究生的培训和教育,代表不足的群体的成员将通过跟踪的科学参与计划参与其中。在对涉及系链元件的分子电路进行建模和仿真时,分子相互作用的几何形状是至关重要的。这个项目将通过对代表结构特定部分物理位置的变量的几何约束集来使用一种新的分子结构表示法。找到这些约束的解决方案对应于证明指定的结构可以采用相应的物理构象。这将被用作过滤器,以消除任何无法实际形成产物结构的束缚反应,例如,如果反应物相距太远而无法实际相互作用。这些模型将通过湿实验室实验验证它们的预测来进行测试和参数化,并将开发新的模块化电路设计作为概念验证。开发的算法将作为可用的软件工具实施和分发,使计算机辅助设计系链分子系统成为可能。因此,该项目将采用理论计算机科学的成熟技术来应对系链分子计算的独特挑战。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的智力优势和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Microcompartments for Protection and Isolation of Nanoscale DNA Computing Elements
  • DOI:
    10.1021/acsami.9b03143
  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.5
  • 作者:
    Fahry-Wood,Aurora;Fetrow,Madalyn Elise;Lakin,Matthew R.
  • 通讯作者:
    Lakin,Matthew R.
A Logic Programming Language for Computational Nucleic Acid Devices
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2019-07-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Spaccasassi, Carlo;Lakin, Matthew R.;Phillips, Andrew
  • 通讯作者:
    Phillips, Andrew
Automated analysis of tethered DNA nanostructures using constraint solving
  • DOI:
    10.1007/s11047-018-9693-y
  • 发表时间:
    2018-12-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    Lakin, Matthew R.;Phillips, Andrew
  • 通讯作者:
    Phillips, Andrew
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