Collaborative Research: FET: Medium: Engineering DNA and RNA computation through simulation, sequence design, and experimental verification

合作研究:FET:中:通过模拟、序列设计和实验验证进行 DNA 和 RNA 计算

基本信息

  • 批准号:
    2211794
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 38.97万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-07-01 至 2026-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Designed nucleic acid sequences (DNA or RNA) can self-assemble into nanoscale structures and devices with promising applications in diagnostics, therapeutics, and nanoscale manufacturing. Strand displacement, where an invader single strand displaces an incumbent strand bound to a complementary substrate, is a key process in dynamic DNA nanotechnology. While DNA strand displacement circuits have proven to be capable of complex computation, they do not interface as naturally to biological systems (e.g., CRISPR) as RNA. Meanwhile, RNA circuits have not achieved the same level of success. This research aims to develop a richer understanding and precise control of hybrid DNA:RNA displacement that may lead to entirely new levels of sophistication in molecular circuits capable of inter-operation with biological systems. A flexible, user-friendly sequence design tool will significantly reduce the barrier to implementation for non-experts. Education and outreach activities will broaden participation in computing and cross-train students in multiple disciplines by reaching across subject boundaries. The investigators will collect experimental data to parameterize new coarse-grained models of DNA-RNA hybrid systems, including Markov chain models capable of rapid in-silico simulation to determine kinetic reaction rates. These hybrid models will also parameterize mismatch creation and repair during displacement making possible the design of strand displacement reactions with precise kinetic control using both DNA and RNA, and thus allowing a natural interface of complex computational cascades with biological signals. A general-purpose DNA and RNA sequence design tool will be developed that focuses on four tasks: algorithmic/efficiency improvements, development of new models to enhance the behaviors expressible as constraints, integration with existing tools, and the design and experimental demonstration of a hybrid DNA:RNA displacement system that implements a self-stabilizing clock, capable of producing RNA strands at a fixed period.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.
设计的核酸序列(DNA或RNA)可以自组装成纳米级的结构和设备,在诊断、治疗和纳米级制造中具有广阔的应用前景。链置换是动态DNA纳米技术中的一个关键过程,即入侵者的单链取代与互补底物结合的现有链。虽然DNA链置换电路已被证明能够进行复杂的计算,但它们与生物系统(如CRISPR)的接口不像RNA那样自然。与此同时,RNA电路并没有取得同样程度的成功。这项研究旨在更丰富地理解和精确控制杂交DNA:RNA置换,这可能导致能够与生物系统互操作的分子电路中的全新复杂水平。灵活、用户友好的序列设计工具将显著降低非专家实施的障碍。教育和外联活动将扩大对计算机的参与,并通过跨越学科界限对学生进行多学科交叉培训。研究人员将收集实验数据,以对DNA-RNA杂交系统的新粗粒度模型进行参数化,包括能够快速进行计算机模拟以确定动力学反应速率的马尔可夫链模型。这些混合模型还将对置换过程中错配的创建和修复进行参数化,从而使使用DNA和RNA进行精确动力学控制的链置换反应的设计成为可能,从而允许复杂的计算级联与生物信号的自然接口。将开发一个通用的DNA和RNA序列设计工具,专注于四项任务:算法/效率的改进,新模型的开发以增强可表达为约束的行为,与现有工具的集成,以及混合DNA:RNA置换系统的设计和实验演示,该系统实现了一个自我稳定的时钟,能够在固定的时间段产生RNA链。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(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)

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

{{ 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 }}

Petr Sulc其他文献

Coarse-Grained Simulations Of Dna And Rna Systems With Oxdna And Oxrna Models: Tutorial
使用 Oxdna 和 Oxrna 模型对 DNA 和 Rna 系统进行粗粒度模拟:教程
  • DOI:
    10.1109/wsc60868.2023.10407580
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Matthew L. Sample;Michael Matthies;Petr Sulc
  • 通讯作者:
    Petr Sulc
RNA-induced allosteric coupling drives viral capsid assembly in the single-stranded RNA virus bacteriophage MS2
  • DOI:
    10.1016/j.bpj.2022.11.472
  • 发表时间:
    2023-02-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
  • 作者:
    Sean Hamilton;Tushar Modi;Petr Sulc;S. Banu Ozkan
  • 通讯作者:
    S. Banu Ozkan

Petr Sulc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('Petr Sulc', 18)}}的其他基金

CAREER: Design and modeling for modular bionanotechnology and citizen science
职业:模块化生物纳米技术和公民科学的设计和建模
  • 批准号:
    2239518
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 38.97万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Data-informed Modeling for DNA and RNA Aptamer Design
DNA 和 RNA 适体设计的数据知情建模
  • 批准号:
    2155095
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 38.97万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Elements: Models and tools for on-line design and simulations for DNA and RNA nanotechnology
要素:DNA 和 RNA 纳米技术在线设计和模拟的模型和工具
  • 批准号:
    1931487
  • 财政年份:
    2019
  • 资助金额:
    $ 38.97万
  • 项目类别:
    Standard Grant

相似国自然基金

Research on Quantum Field Theory without a Lagrangian Description
  • 批准号:
    24ZR1403900
  • 批准年份:
    2024
  • 资助金额:
    0.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
Cell Research
  • 批准号:
    31224802
  • 批准年份:
    2012
  • 资助金额:
    24.0 万元
  • 项目类别:
    专项基金项目
Cell Research
  • 批准号:
    31024804
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    24.0 万元
  • 项目类别:
    专项基金项目
Cell Research (细胞研究)
  • 批准号:
    30824808
  • 批准年份:
    2008
  • 资助金额:
    24.0 万元
  • 项目类别:
    专项基金项目
Research on the Rapid Growth Mechanism of KDP Crystal
  • 批准号:
    10774081
  • 批准年份:
    2007
  • 资助金额:
    45.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似海外基金

Collaborative Research: FET: Small: Algorithmic Self-Assembly with Crisscross Slats
合作研究:FET:小型:十字交叉板条的算法自组装
  • 批准号:
    2329908
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 38.97万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: FET: Small: Reservoir Computing with Ion-Channel-Based Memristors
合作研究:FET:小型:基于离子通道忆阻器的储层计算
  • 批准号:
    2403559
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 38.97万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: FET: Small: Algorithmic Self-Assembly with Crisscross Slats
合作研究:FET:小型:十字交叉板条的算法自组装
  • 批准号:
    2329909
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 38.97万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: FET: Small: Reservoir Computing with Ion-Channel-Based Memristors
合作研究:FET:小型:基于离子通道忆阻器的储层计算
  • 批准号:
    2403560
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 38.97万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: FET: Medium:Compact and Energy-Efficient Compute-in-Memory Accelerator for Deep Learning Leveraging Ferroelectric Vertical NAND Memory
合作研究:FET:中型:紧凑且节能的内存计算加速器,用于利用铁电垂直 NAND 内存进行深度学习
  • 批准号:
    2312886
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 38.97万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: FET: Medium:Compact and Energy-Efficient Compute-in-Memory Accelerator for Deep Learning Leveraging Ferroelectric Vertical NAND Memory
合作研究:FET:中型:紧凑且节能的内存计算加速器,用于利用铁电垂直 NAND 内存进行深度学习
  • 批准号:
    2312884
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 38.97万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: FET: Medium: Efficient Compilation for Dynamically Reconfigurable Atom Arrays
合作研究:FET:中:动态可重构原子阵列的高效编译
  • 批准号:
    2313084
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 38.97万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: FET: Small: Theoretical Foundations of Quantum Pseudorandom Primitives
合作研究:FET:小型:量子伪随机原语的理论基础
  • 批准号:
    2329938
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 38.97万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: FET: Small: De Novo Protein Scaffold Filling by Combinatorial Algorithms and Deep Learning Models
合作研究:FET:小型:通过组合算法和深度学习模型从头填充蛋白质支架
  • 批准号:
    2307573
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 38.97万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: FET: Medium: Design and Implementation of Quantum Databases
合作研究:FET:媒介:量子数据库的设计和实现
  • 批准号:
    2312755
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 38.97万
  • 项目类别:
    Standard Grant
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了