[发明专利]脂质纳米片

说明书

根据本公开的脂质纳米片包括：支撑的脂质双层，具有组合在纳米颗粒单元中的多个纳米颗粒；多个纳米颗粒之中的固定的纳米受体，包括结合到纳米受体的表面的至少一个第一表面分子；以及多个纳米颗粒之中的可移动的纳米漂浮物，包括结合到纳米漂浮物的表面的至少一个第二表面分子。根据由至少一个第一表面分子和至少一个第二表面分子对输入的反应的结果来控制纳米受体与纳米漂浮物之间的相互作用，并且脂质纳米片基于相互作用提供逻辑结果。

技术领域

本公开涉及使用纳米颗粒的计算。具体地，本公开涉及使用生物信息作为输入的纳米颗粒计算。

背景技术

在许多长度尺度上，物质已经与计算合并，从微尺寸的液滴和微粒到分子机器和诸如酶和核酸的生物分子。然而，尽管将从控制其潜在有用的等离子激元性质、光子性质、催化性质和材料性质而受益的广泛的潜在的应用，但是在纳米尺度的物体中(特别是在纳米颗粒中)实施复杂计算仍未被探索。

使用纳米颗粒作为基底进行计算的常用方法是用刺激响应型表面配体使“核”结构功能化。然后，一组表面改性的纳米颗粒可以响应于各种化学输入和物理输入来进行基本逻辑运算，理想地，单个纳米颗粒应被用作模块化的“纳米部件”，期望的计算应以即插即用的方式实现。然而，这种现有方法已经限于安装适用于仅控制简单输出的少量逻辑计算，诸如颗粒的聚集/分散和表面分子的释放。这种限制是因为在溶液相中难以对多个逻辑门进行模块化布线，其中，输入、逻辑门和输出都在三维空间中不可控地扩散。

具体地，以下约束已经对用纳米颗粒的计算施加了限制。

首先，逻辑嵌入的颗粒在一次操作之后不可逆地改变，并且与未反应的输入不加选择地混合在一个整体溶液(bulk solution)中。区室化的缺少阻止了每个试管实施超过一个的计算任务。

其次，难以控制或表征3D空间中自由地扩散的单个颗粒的结构改变、动态相互作用和输出信号。在大多数情况下，仅获得平均信号作为最终读出，其中，计算的逐个颗粒响应被平均。

因此，这些约束对采用纳米颗粒作为模块化和可组合的部件施加了限制，模块化和可组合的部件可以被重新构造为以“即插即用”的方式实施期望的计算。

发明内容

技术问题

为了构建复杂且可靠的纳米颗粒电路，有必要超越曾经依赖于溶液步骤的方法，转向具有原位读出和控制功能的可扩展集成平台。另外，期望的纳米颗粒电路应基于数字设计原理系统地设计和构建。

技术方案

具有计算能力的纳米颗粒系统可以实现在单个纳米颗粒的简单集合中无法实现的复杂功能。这种“纳米系统”响应于刺激自主地执行复杂任务。然后，纳米系统可以是可以引导物质和信息以纳米尺度流动的系统。

用纳米颗粒处理分子信息允许将纳米颗粒的丰富且强大的功能合并到分子计算过程上的算法和自主控制中。在本公开中，被命名为“脂质纳米片”的平台被提供以构建可以产生纳米颗粒电路的广泛地可适用的系统。脂质纳米片是在二维脂质双层中以单个颗粒的水平构建纳米颗粒逻辑门和电路的技术。这种脂质双层类纳米颗粒计算平台(用计算机系统/软件作为使用基础)在下文中被称为脂质纳米片(LNT)。

脂质纳米片使用脂质双层作为化学/生物板，在其上放置有表面改性的纳米颗粒以使脂质双层能够与分子信息反应，以容纳纳米颗粒，并且将它们用作计算的单元。单纳米颗粒逻辑门感测分子输入且触发颗粒组装或分解。通过本公开，可以提供一组诸如AND、OR和NOT计算的布尔逻辑运算、扇入/扇出的逻辑门以及诸如多路转接器的电路。如所描述的，在脂质纳米片上实现纳米颗粒电路模块可以在信息处理纳米系统中打开先前未知的机会。