Thomas H. LaBean, Erik Winfree and John H. Reif- Experimental Progress in Computation by Self-Assembly of DNA Tilings

8/3/2019 Thomas H. LaBean, Erik Winfree and John H. Reif- Experimental Progress in Computation by Self-Assembly of DNA

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D I M A C S S e r i e s i n D i s c r e t e M a t h e m a t i c s

a n d T h e o r e t i c a l C o m p u t e r S c i e n c e

E x p e r i m e n t a l P r o g r e s s i n C o m p u t a t i o n b y

S e l f - A s s e m b l y o f D N A T i l i n g s

T h o m a s H . L a B e a n , E r i k W i n f r e e , a n d J o h n H . R e i f

A b s t r a c t . A p p r o a c h e s t o D N A - b a s e d c o m p u t i n g b y s e l f - a s s e m b l y r e q u i r e t h e

u s e o f D N A n a n o s t r u c t u r e s , c a l l e d t i l e s , t h a t h a v e e c i e n t c h e m i s t r i e s , e x -

p r e s s i v e c o m p u t a t i o n a l p o w e r , a n d c o n v e n i e n t i n p u t a n d o u t p u t I O m e c h -

a n i s m s . W e h a v e d e s i g n e d t w o n e w c l a s s e s o f D N A t i l e s , T A O a n d T A E , b o t h

o f w h i c h c o n t a i n t h r e e d o u b l e - h e l i c e s l i n k e d b y s t r a n d e x c h a n g e . S t r u c t u r a l

a n a l y s i s o f a T A O m o l e c u l e h a s s h o w n t h a t t h e m o l e c u l e a s s e m b l e s e c i e n t l y

f r o m i t s f o u r c o m p o n e n t s t r a n d s . H e r e w e d e m o n s t r a t e a n o v e l m e t h o d f o r

I O w h e r e b y m u l t i p l e t i l e s a s s e m b l e a r o u n d a s i n g l e - s t r a n d e d i n p u t s c a o l d

s t r a n d . C o m p u t a t i o n b y t i l i n g t h e o r e t i c a l l y r e s u l t s i n t h e f o r m a t i o n o f s t r u c -

t u r e s t h a t c o n t a i n s i n g l e - s t r a n d e d o u t p u t r e p o r t e d s t r a n d s , w h i c h c a n t h e n

b e i s o l a t e d f o r s u b s e q u e n t s t e p s o f c o m p u t a t i o n i f n e c e s s a r y . W e i l l u s t r a t e t h e

a d v a n t a g e s o f T A O a n d T A E d e s i g n s b y d e t a i l i n g t w o e x a m p l e s o f m a s s i v e l y

p a r a l l e l a r i t h m e t i c : c o n s t r u c t i o n o f c o m p l e t e X O R a n d a d d i t i o n t a b l e s b y l i n -

e a r a s s e m b l i e s o f D N A t i l e s . T h e t h r e e h e l i x s t r u c t u r e s p r o v i d e e x i b i l i t y f o r

t o p o l o g i c a l r o u t i n g o f s t r a n d s i n t h e c o m p u t a t i o n , a l l o w i n g t h e i m p l e m e n t a t i o n

o f s t r i n g t i l e m o d e l s .

1 . I n t r o d u c t i o n

I n h i s s e m i n a l p a p e r o n m o l e c u l a r c o m p u t a t i o n A d l 9 4 , A d l e m a n d e m o n -

s t r a t e d a g e n e r a t e - a n d - s e p a r a t e a l g o r i t h m f o r s o l v i n g D i r e c t e d H a m i l t o n i a n P a t h

P r o b l e m s D H P P . I n t h e r s t p h a s e o f h i s a l g o r i t h m , a c o m b i n a t o r i a l l i b r a r y o f

D N A m o l e c u l e s r e p r e s e n t i n g p o t e n t i a l s o l u t i o n s t o t h e p r o b l e m i s g e n e r a t e d b y

r a n d o m h y b r i d i z a t i o n a n d l i g a t i o n o f a s m a l l n u m b e r o f o l i g o n u c l e o t i d e s p e c i e s . I n

t h e s e c o n d p h a s e , a s e q u e n c e o f a n i t y s e p a r a t i o n a n d o t h e r l a b o r a t o r y p r o c e d u r e s

i s o l a t e s t h e D N A m o l e c u l e s r e p r e s e n t i n g t h e a c t u a l s o l u t i o n ; t h e s e q u e n c e o f t h i s

m o l e c u l e , a n d t h u s t h e a n s w e r t o t h e m a t h e m a t i c a l p r o b l e m , c a n t h e n b e d e t e r -

m i n e d . H o w e v e r , t h e g e n e r a t e - a n d - s e p a r a t e s t r a t e g y h a s t w o d i c u l t i e s . F i r s t , f o r

m o d e r a t e l y l a r g e p r o b l e m s , a n a

i v e g e n e r a t i o n s t r a t e g y m u s t g e n e r a t e a n a s t r o -

n o m i c a l n u m b e r o f D N A s t r a n d s t o r e p r e s e n t a l l p o t e n t i a l s o l u t i o n s . S e c o n d , t h e

n u m b e r o f l a b o r a t o r y p r o c e d u r e s , e a c h t i m e c o n s u m i n g a n d e r r o r - p r o n e , g r o w s w i t h

t h e s i z e o f t h e p r o b l e m .

T h e r s t d i c u l t y c a n b e a v o i d e d b y i n t e r s p e r s i n g t h e g e n e r a t e p r o c e d u r e s

a n d t h e s e p a r a t i o n p r o c e d u r e s F B 9 7 , F B 9 9 . S i m p l e e x a m p l e s o f t h i s a p p r o a c h

i n c l u d e D N A i m p l e m e n t a t i o n s o f d y n a m i c p r o g r a m m i n g B B 9 8 a n d b r e a d t h - r s t

c

0 0 0 0 c o p y r i g h t h o l d e r

1 2 1


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1 2 2 T H O M A S H . L A B E A N , E R I K W I N F R E E , A N D J O H N H . R E I F

s e a r c h M A S 9 9 , Y S 9 9 . H o w e v e r , t h i s a p p r o a c h u s u a l l y c o m e s a t t h e c o s t o f

m a k i n g t h e s e c o n d d i c u l t y m o r e s e v e r e , b y m u l t i p l y i n g t h e n u m b e r o f p r o c e d u r e s

r e q u i r e d .

O u r w o r k h a s f o c u s e d o n a n o t h e r a p p r o a c h : c o m p u t a t i o n b y s e l f - a s s e m b l y .

S e l f - a s s e m b l y i s t h e s p o n t a n e o u s s e l f - o r d e r i n g o f s u b s t r u c t u r e s i n t o s u p e r s t r u c -

t u r e s d r i v e n b y a n n e a l i n g o f , i n t h i s c a s e , W a t s o n - C r i c k b a s e - p a i r i n g D N A s e -

q u e n c e s . C o m p u t a t i o n b y s e l f - a s s e m b l y e n t a i l s t h e b u i l d i n g u p o f s u p e r s t r u c t u r e s

f r o m s t a r t i n g u n i t s s u c h t h a t t h e a s s e m b l y p r o c e s s i t s e l f p e r f o r m s t h e a c t u a l c o m -

p u t a t i o n . A d l e m a n m a d e u s e o f a s i m p l e f o r m o f c o m p u t a t i o n b y s e l f - a s s e m b l y i n

h i s o r i g i n a l e x p e r i m e n t A d l 9 4 : h i s a l g o r i t h m d o e s n o t b l i n d l y g e n e r a t e a l l p o s -

s i b l e s e q u e n c e s o f v e r t i c e s ; i n s t e a d , t h e o l i g o n u c l e o t i d e s e q u e n c e s a n d t h e l o g i c o f

W a t s o n - C r i c k c o m p l e m e n t a r i t y g u i d e t h e s e l f - a s s e m b l y p r o c e s s e s s o t h a t o n l y v a l i d

p a t h s a r e g e n e r a t e d . W e h a v e g e n e r a l i z e d t h i s a p p r o a c h t o t w o - d i m e n s i o n a l 2 D

s e l f - a s s e m b l y p r o c e s s e s , w h e r e i t c a n b e s e e n t h a t c o m p u t a t i o n b y s e l f - a s s e m b l y i s

T u r i n g - u n i v e r s a l W i n 9 6 . T h e b u i l d i n g b l o c k s i n t h e s e c o n s t r u c t i o n s a r e b r a n c h e d

D N A c o m p l e x e s , w h i c h w e c a l l D N A t i l e s , c o n s i s t i n g o f s e v e r a l i n d i v i d u a l D N A

o l i g o n u c l e o t i d e s t h a t a s s o c i a t e w i t h w e l l - d e n e d s e c o n d a r y s t r u c t u r e . D N A t i l e s

a r e d e s i g n e d t o c o n t a i n s e v e r a l s h o r t s e c t i o n s o f u n p a i r e d , s i n g l e - s t r a n d D N A s s -

D N A e x t e n d i n g f r o m t h e e n d s o f s e l e c t e d h e l i c e s t h a t f u n c t i o n a s b i n d i n g d o m a i n s ,

w h i c h w e c a l l p a d s . I n d i v i d u a l t i l e s i n t e r a c t b y a n n e a l i n g w i t h o t h e r s p e c i c t i l e s

v i a t h e i r s s D N A p a d s t o s e l f - a s s e m b l e i n t o d e s i r e d s u p e r s t r u c t u r e s . T h e u s e o f p a d s

w i t h c o m p l e m e n t a r y b a s e s e q u e n c e s a l l o w s t h e n e i g h b o r r e l a t i o n s o f t i l e s i n t h e -

n a l a s s e m b l y t o b e i n t i m a t e l y c o n t r o l l e d ; t h u s t h e o n l y l a r g e - s c a l e s u p e r s t r u c t u r e s

f o r m e d d u r i n g a s s e m b l y a r e t h o s e t h a t e n c o d e v a l i d m a p p i n g s o f i n p u t t o o u t -

p u t . C o n s e q u e n t l y , t h e s e c o n d d i c u l t y m e n t i o n e d p r e v i o u s l y h a s b e e n a d d r e s s e d :

r a t h e r t h a n i m p l e m e n t i n g a D N A c o m p u t i n g a l g o r i t h m u s i n g a s e q u e n c e o f m u l t i p l e

l a b o r a t o r y p r o c e d u r e s , o u r a p p r o a c h e s s e n t i a l l y u s e s o n l y f o u r : m i x i n g t h e i n p u t

o l i g o n u c l e o t i d e s t o f o r m t h e D N A t i l e s , a l l o w i n g t h e t i l e s t o s e l f - a s s e m b l e i n t o s u -

p e r s t r u c t u r e s , l i g a t i n g s t r a n d s t h a t h a v e b e e n c o - l o c a l i z e d , a n d t h e n p e r f o r m i n g a

s i n g l e s e p a r a t i o n t o i d e n t i f y t h e c o r r e c t o u t p u t .

W e n o w g i v e a b r i e f d e s c r i p t i o n o f t h e m a t h e m a t i c a l t i l i n g a n d D N A c o n s t r u c -

t i o n t e c h n i q u e s u n d e r l y i n g o u r w o r k .

1 . 0 . 1 . C o m p u t a t i o n b y T i l i n g . A c l a s s o f d o m i n o t i l i n g p r o b l e m s w e r e d e n e d

b y W a n g W a n 6 1 . O n e i s g i v e n a n i t e s e t o f u n i t s i z e s q u a r e t i l e s , e a c h o f

w h o s e s i d e s a r e l a b e l e d w i t h s y m b o l s o v e r a n i t e a l p h a b e t t h e p a d s . A d d i -

t i o n a l r e s t r i c t i o n s m a y i n c l u d e t h e i n i t i a l p l a c e m e n t o f a s u b s e t o f t h e s e t i l e s ,

a n d t h e d i m e n s i o n s o f t h e r e g i o n w h e r e t i l e s m u s t b e p l a c e d . T h e p r o b l e m i s

t o p l a c e t h e t i l e s , c h o s e n w i t h r e p l a c e m e n t a n d w i t h o u t r o t a t i o n , t o c o m p l e t e l y

l l t h e g i v e n r e g i o n s o t h a t e a c h p a i r o f a b u t t i n g t i l e s h a v e i d e n t i c a l s y m b o l s o n

t h e i r c o n t a c t i n g s i d e s . P r o o f s o f t h e u n d e c i d a b i l i t y o f t h e i n n i t e t i l i n g p r o b l e m

r e l y o n c o n s t r u c t i o n s w h e r e i n t i l i n g p a t t e r n s s i m u l a t e s i n g l e - t a p e T u r i n g M a c h i n e s

B u c 6 2 , W a n 6 3 , B e r 6 6 , R o b 7 1 , W a n 7 5 . O t h e r r e s u l t s i n c l u d e r e d u c t i o n s o f

N P - c o m p l e t e p r o b l e m s t o n i t e - s i z e t i l i n g p r o b l e m s L P 8 1 ; t i l i n g s a n d p a t t e r n s i n

g e n e r a l a r e s u r v e y e d i n G S 8 7 .

1 . 0 . 2 . D N A a s a C o n s t r u c t i o n M a t e r i a l . N a n o - f a b r i c a t i o n o f s t r u c t u r e s i n D N A

w a s p i o n e e r e d b y S e e m a n s t a r t i n g i n t h e 1 9 8 0 s e . g . , s e e S e e 8 2 . S e e m a n a n d

h i s s t u d e n t s h a v e b u i l t a m u l t i t u d e o f i n g e n i o u s c o n s t r u c t i o n s i n c l u d i n g : D N A

b r a n c h e d j u n c t i o n s S C K 8 9 , W M K S 9 1 , D Z S 9 2 , k n o t s S C D

+

9 3 , B o r r o m e a n

r i n g s M S S 9 7 , a c u b e C S 9 1 , a n d a t r u n c a t e d o c t a h e d r o n Z S 9 4 r e v i e w e d i n e . g .


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C O M P U T A T I O N B Y S E L F - A S S E M B L Y O F D N A T I L I N G S 1 2 3

S e e 9 8 . R e c e n t l y , t h e y h a v e r e p o r t e d t h e c o n s t r u c t i o n f r o m D N A o f a n a n o m e -

c h a n i c a l d e v i c e c a p a b l e o f c o n t r o l l e d m o v e m e n t M S S S 9 9 .

T h e m o s t r e l e v a n t c o n s t r u c t s f o r o u r c u r r e n t p u r p o s e s a r e t h e d o u b l e - c r o s s o v e r

D X c o m p l e x e s , w h i c h c o n s i s t o f t w o d o u b l e - h e l i c e s i n t e r l o c k e d b y e x c h a n g e o f

o l i g o n u c l e o t i d e s t r a n d s a t t w o s e p a r a t e c r o s s o v e r p o i n t s F S 9 3 . I n D X c o m p l e x e s ,

a p a r t i c u l a r o l i g o n u c l e o t i d e s t r a n d b a s e - p a i r s w i t h i t s c o m p l e m e n t i n o n e h e l i x t h e n

c r o s s e s o v e r t o c o n t i n u e b a s e - p a i r i n g w i t h i t s c o m p l e m e n t a r y s e c t i o n o n a s e c o n d ,

a d j a c e n t h e l i x ; t h e m u l t i p l e c r o s s o v e r p o i n t s c o n s t r a i n t h e h e l i x a x e s t o b e c o - p l a n a r .

B e c a u s e D X c o m p l e x e s c a n b e u s e d a s D N A t i l e s i n s e l f - a s s e m b l y r e a c t i o n s , w e w i l l

o f t e n r e f e r t o t h e m a s s u c h .

D X c o m p l e x e s c o m e i n v e v a r i e t i e s t h a t d i e r f r o m o n e a n o t h e r i n t h e g e o m e t r y

o f s t r a n d e x c h a n g e a n d t h e t o p o l o g y o f t h e s t r a n d p a t h s t h r o u g h t h e t i l e . A n t i -

p a r a l l e l c r o s s o v e r s c a u s e a r e v e r s a l i n d i r e c t i o n o f s t r a n d p r o p a g a t i o n t h r o u g h t h e

t i l e f o l l o w i n g e x c h a n g e o f s t r a n d t o a n e w h e l i x . W e w i l l p r i m a r i l y c o n c e r n o u r s e l v e s

w i t h t i l e s c o n t a i n i n g a n t i - p a r a l l e l c r o s s o v e r s D A O a n d D A E r a t h e r t h a n t h o s e

w i t h p a r a l l e l c r o s s o v e r s D P E , D P O W , D P O N , b e c a u s e l a b o r a t o r y c h a r a c t e r i z a -

t i o n s o f p a r a l l e l t i l e s s h o w e d t h e m t o b e l e s s s t a b l e s t r u c t u r a l l y t h a n a n t i - p a r a l l e l

t i l e s F S 9 3 . D X t i l e s p r o v i d e u p t o f o u r s s D N A p a d s f o r e n c o d i n g a s s o c i a t i o n s w i t h

n e i g h b o r i n g t i l e s . D X c o m p l e x e s h a v e b e e n s h o w n t o b e s u c i e n t l y r i g i d t o a v o i d

f o r m a t i o n o f c i r c u l a r s t r u c t u r e s a s s e e n w i t h t h e m o r e e x i b l e d s D N A L Y Q S 9 6 .

R e c e n t l y , 2 D l a t t i c e s c o n s i s t i n g o f h u n d r e d s o f t h o u s a n d s o f D X u n i t s h a v e b e e n

c o n s t r u c t e d a n d o b s e r v e d b y a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p y W L W S 9 8 , a n d D X c o m -

p l e x e s a n d l a t t i c e s h a v e b e e n u s e d s u c c e s s f u l l y a s s u b s t r a t e f o r e n z y m a t i c r e a c t i o n s

i n c l u d i n g c l e a v a g e a n d l i g a t i o n L S S 9 9 .

1 . 0 . 3 . P a r a l l e l i s m , S p e e d a n d T i l i n g D e p t h . T h e m a s s i v e p a r a l l e l i s m i n h e r e n t

i n D N A - b a s e d c o m p u t e r s h a s , s i n c e i t s i n c e p t i o n , d r i v e n t h i n k i n g i n t h e e l d . I n

c o m p u t a t i o n b y s e l f - a s s e m b l y , p a r a l l e l i s m r e v e a l s i t s e l f i n m a n y w a y s . E a c h s u -

p e r s t r u c t u r e m a y c o n t a i n i n f o r m a t i o n r e p r e s e n t i n g a d i e r e n t c a l c u l a t i o n g l o b a l

p a r a l l e l i s m . G r o w t h o n e a c h i n d i v i d u a l s u p e r s t r u c t u r e m a y o c c u r a t m a n y l o c a -

t i o n s s i m u l t a n e o u s l y l o c a l p a r a l l e l i s m . S e l f - a s s e m b l y m a y b e r e s t r i c t e d s u c h t h a t

c e r t a i n a s s e m b l y r e a c t i o n s c a n p r o c e e d o n l y a f t e r o t h e r s h a v e b e e n c o m p l e t e d s e -

r i a l s e l f - a s s e m b l y . A l t e r n a t i v e l y , s e l f - a s s e m b l y r e a c t i o n s m a y b e l i m i t e d b y n o

s u c h r e s t r i c t i o n s f r e e s e l f - a s s e m b l y . A s e x a m p l e s , B C A t i l e s u t i l i z e l o c a l p a r a l -

l e l i s m a n d s e r i a l s e l f - a s s e m b l y W i n 9 6 ; D H H P t i l e s u t i l i z e b o t h l o c a l a n d g l o b a l

p a r a l l i s m a n d s e r i a l s e l f - a s s e m b l y W Y S 9 8 ; a n d s e l f - a s s e m b l y o f l i n e a r , h a i r p i n ,

a n d b r a n c h e d D N A m o l e c u l e s t o g e n e r a t e r e g u l a r , b i l i n e a r , a n d c o n t e x t - f r e e l a n -

g u a g e s m a k e s u s e o f g l o b a l p a r a l l e l i s m a n d f r e e s e l f - a s s e m b l y W Y S 9 8 , E n g 9 9 ,

a s d o t h e p r o p o s a l s o f J o n o s k a e t a l J K S 9 9 , J K S 9 8 .

I t i t e x p e c t e d , b u t u n p r o v e n , t h a t f r e e s e l f - a s s e m b l y i s f a s t e r , m o r e r o b u s t ,

a n d l e s s e r r o r - p r o n e t h a n s e r i a l s e l f - a s s e m b l y . T h r e e m e a s u r e s a s s i s t d i s c u s s i o n :

t h e d e p t h o f a s u p e r s t r u c t u r e i s t h e m a x i m u m n u m b e r o f s e l f - a s s e m b l y r e a c t i o n s

e x p e r i e n c e d b y a n y s u b s t r u c t u r e t h e d e p t h o f t h e g r a p h o f r e a c t i o n e v e n t s , a n d t h e

s i z e o f a s u p e r s t r u c t u r e i s s i m p l y t h e n u m b e r o f t i l e s i t c o n t a i n s . A s u p e r s t r u c t u r e

c o n s i s t i n g o f n m t i l e s , w h e r e n m , i s s a i d t o h a v e m l a y e r s . T h e d e p t h s i z e

o f a t i l i n g s y s t e m i s t h e m a x i m u m d e p t h s i z e o f a n y s u p e r s t r u c t u r e i t g e n e r a t e s .

L i k e w i s e f o r t h e n u m b e r o f l a y e r s . F o r e x a m p l e , i n a t i l i n g s y s t e m w h e r e A + B !

A B ; C + D ! C D ; A B + C D ! A B C D , w e k n o w t h a t t h e d e p t h i s 2 a n d

t h e s i z e i s 4 . A g a i n , a l t h o u g h i t n e e d s f u r t h e r s t u d y , t i l i n g s y s t e m s w i t h l o w

d e p t h , s m a l l s i z e , a n d f e w l a y e r s a r e c o n s i d e r e d d e s i r a b l e , m o t i v a t i n g t h e s e a r c h


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f o r e c i e n t c o m p u t a t i o n s p e r f o r m e d b y s u c h s y s t e m s . T i l i n g s y s t e m s t h a t p r o d u c e

o n l y s u p e r s t r u c t u r e s w i t h k l a y e r s , f o r s o m e c o n s t a n t k , a r e s a i d t o u s e l i n e a r s e l f -

a s s e m b l y . A s a n e x a m p l e , t h e t w o t i l i n g s y s t e m s f o r a d d i t i o n d i s c u s s e d h e r e p r o d u c e

3 n a n d 1 n s u p e r s t r u c t u r e s f o r n - b i t s u m s a n d h e n c e a r e l i n e a r , b u t k n o w n

t i l i n g s y s t e m s f o r m u l t i p l i c a t i o n p r o d u c e n n f o r n - b i t p r o d u c t s W E R 9 9 , a n d

h e n c e a r e n o t l i n e a r . T h e B C A a n d D H H P t i l e s y s t e m s a l s o a r e n o t l i n e a r .

R e i f R e i 9 9 p r o p o s e d D N A s e l f - a s s e m b l y m e t h o d s o f l i n e a r s i z e a n d s m a l l

d e p t h t o s o l v e a n u m b e r o f f u n d a m e n t a l p r o b l e m s e . g . , p r e x c o m p u t a t i o n , p e r -

m u t a t i o n , i n t e g e r a d d i t i o n a n d s u b t r a c t i o n , m u l t i p l i c a t i o n b y a c o n s t a n t n u m b e r ,

n i t e s t a t e a u t o m a t a s i m u l a t i o n , a n d s t r i n g n g e r p r i n t i n g t h a t f o r m t h e b a s i s f o r

t h e d e s i g n o f m a n y p a r a l l e l a l g o r i t h m s . F u r t h e r m o r e , R e i f s h o w e d h o w t h e s e e l e -

m e n t a r y o p e r a t i o n s c a n b e c o m b i n e d t o p e r f o r m m o r e c o m p l e x c o m p u t a t i o n s , s u c h

a s b i t o n i c s o r t i n g a n d g e n e r a l c i r c u i t e v a l u a t i o n i n O l o g n e x p e r i m e n t a l s t e p s . T o

i n c r e a s e t h e l i k e l i h o o d o f s u c c e s s f u l a s s e m b l y , R e i f a l s o p r o p o s e d s t e p - w i s e a s s e m b l y ,

w h i c h c o n t r o l s t h e a s s e m b l y i n d i s t i n c t s t a g e s .

A s e c o n d a p p r o a c h f o r s m a l l - d e p t h c o m p u t a t i o n s i s t o c o m p r e s s s e v e r a l t i l e

l a y e r s i n t o s i n g l e t i l e s , s o t h a t t h e s i m p l e s t f o r m o f l i n e a r s e l f - a s s e m b l y s u c e s . T h i s

a p p r o a c h w o r k s p a r t i c u l a r l y w e l l w h e n t h e t o p o l o g y a n d r o u t i n g o f t h e s t r a n d s i n

t h e D N A t i l e s i s c a r e f u l l y c o n s i d e r e d , l e a d i n g t o t h e n o t i o n o f s t r i n g t i l e s W E R 9 9 .

T h e T A O a n d T A E t i l e s r e p o r t e d h e r e a r e p a r t i c u l a r l y u s e f u l a s s t r i n g t i l e s , a n d

t h i s a p p r o a c h w i l l b e d i s c u s s e d i n S e c t i o n 3 .

1 . 0 . 4 . P r e v i o u s M e t h o d s a n d N e w I m p r o v e m e n t s i n I O . I n p u t a n d o u t p u t a r e

c r i t i c a l t o t h e p r a c t i c a l u s e o f D N A - b a s e d c o m p u t i n g . W i n f r e e W i n 9 6 u s e d t h e

r s t a n d l a s t l a y e r s o f t h e a s s e m b l y f o r i n p u t a n d o u t p u t , r e s p e c t i v e l y . R e i f R e i 9 9

p r o p o s e d t h e u s e o f D N A n a n o - s t r u c t u r e s k n o w n a s f r a m e s f o r i n p u t a n d o u t p u t ;

t h i s a l l o w s t h e i n p u t a n d o u t p u t t o b e s s D N A s t r a n d s r a t h e r t h a n a s s e m b l i e s o f

t i l e s . P r e c e d e n t f o r R e i f ' s p r o p o s a l f o r o u t p u t c a n b e f o u n d i n t e c h n i q u e s u s e d

t o c o n r m e x p e r i m e n t a l c o n s t r u c t i o n s o f e x o t i c 3 - d i m e n s i o n a l s t r u c t u r e s , w h e r e i n

o l i g o n u c l e o t i d e s w e r e l i g a t e d t o g e t h e r t o f o r m n e w , l o n g e r s t r a n d s w h i c h , i f p r e s e n t

a t t h e e n d o f t h e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s , r e p o r t e d o n t h e s u c c e s s o f f o r m a t i o n o f

t h e d e s i r e d s t r u c t u r e f o r e x a m p l e s e e L Y Q S 9 6 . W e a l s o m a k e u s e o f r e p o r t e r

s t r a n d s , b o t h t o m o n i t o r p r o p e r a s s e m b l y a n d t o o u t p u t t h e r e s u l t s o f a c o m p u t a -

t i o n a l a s s e m b l y . F u r t h e r , w e a d v a n c e a s i m i l a r c o n c e p t f o r i n p u t b y d e s c r i b i n g a n d

t e s t i n g s c a o l d s t r a n d s , w h i c h a r e l o n g D N A s t r a n d s c a p a b l e o f s e r v i n g a s n u c l e -

a t i o n p o i n t s f o r a s s e m b l y . P r e f o r m e d , m u l t i m e r i c s c a o l d s t r a n d s a r e a d d e d t o t h e

h y b r i d i z a t i o n a n n e a l i n g m i x t u r e i n p l a c e o f t h e m o n o m e r i c o l i g o c o r r e s p o n d i n g t o

t h e t i l e ' s r e p o r t e r s e g m e n t . T i l e s a s s e m b l e a r o u n d t h e s c a o l d s t r a n d , a u t o m a t i -

c a l l y f o r m i n g a c h a i n o f c o n n e c t e d t i l e s w h i c h c a n s u b s e q u e n t l y b e u s e d a s t h e i n p u t

l a y e r i n a c o m p u t a t i o n a l a s s e m b l y s e e S u b s e c t i o n 2 . 2 b e l o w .

2 . T A O T i l e a n d 2 D A s s e m b l i e s

B e s i d e s e x p a n d i n g t h e r e p e r t o i r e o f D N A t i l e s , o u r s p e c i c g o a l s i n p r o t o t y p i n g

a n e w t i l e t y p e w e r e t o p r o v i d e f o u r s s D N A p a d s p e r t i l e a n d s i m u l t a n e o u s l y t o

a l l o w a r e p o r t e r s t r a n d t o t r a c e i t s w a y d i a g o n a l l y t h r o u g h t h e t i l e . T h i s l a t t e r

p r o p e r t y i s e s s e n t i a l f o r s e v e r a l o f t h e c o m p u t a t i o n a l c o n s t r u c t i o n s w e w i l l c o n s i d e r

l a t e r , w h e r e i n t h e d i a g o n a l s t r a n d , w h e n l i g a t e d t o i t s c o u n t e r p a r t s i n n e i g h b o r i n g

t i l e s , p r o d u c e s a r e p o r t e r s t r a n d t h a t t r a c e s t h r o u g h a d i a g o n a l a r r a n g e m e n t o f t i l e s

a n d r e c o r d s t h e v a l u e s o f t h e i n p u t a n d o u t p u t s t r i n g s f r o m a l l t h e t i l e s .


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GTTCAGCCTTAGT CCACAGTCACGGATGG ACTCGATAGCCAA

TCTGG ACTCC TGGCATCTCATTCGCA GGACA GGTAG

AGACC TGAGG ACCGTAGAGTAAGCGT CCTGT CCATC

CATCTCGT CCTTGCGTTTCGC CAATCCAGAAGCC TGCGAGCA

GTAGAGCA GGAACGCAAAGCG GTTAGGTCTTCGG ACGCTCGT

4

TT T

TT

TT

4

2

1

CAAGTCGGAATCA GGTGTCAGTGCCTACC TGAGCTATCGGTT

T

1

3

2

3

F i g u r e 1 . S t r a n d a n d S e q u e n c e T r a c e t h r o u g h T A O T i l e .

T h e f o u r o l i g o n u c l e o t i d e s a r e n u m b e r e d a n d l a b e l e d w i t h w h i t e

c i r c l e s o n t h e i r 5

0

e n d s a n d d a r k c i r c l e s o n t h e 3

0

e n d s . B a s e - p a i r i n g

p a r t n e r s a r e s h o w n o n e a b o v e t h e o t h e r f o r e a c h o f t h e t h r e e h e l i c e s .

T h e t w o T T T T s e g m e n t s a r e h a i r p i n s o n t h e e n d s o f t h e m i d d l e h e l i x .

H o r i z o n t a l l i n e s s h o w c h a i n d i r e c t i o n a l o n g t h e h e l i c e s b u t d o n o t

s h o w t h e h e l i c a l t w i s t , t h e r e f o r e , p o s i t i o n o f t h e s t r a n d s a r o u n d t h e

c i r c u m f e r e n c e o f t h e h e l i c e s i s n o t a c c u r a t e l y r e p r e s e n t e d . V e r t i c a l

l i n e s r e p r e s e n t t h e s t r a n d c r o s s o v e r p o i n t s . O l i g o s 1 a n d 2 a r e 5 2

b a s e s i n l e n g t h ; o l i g o s 3 a n d 4 a r e 7 2 b a s e s l o n g . T h r o u g h m o s t o f

o u r d i s c u s s i o n o l i g o - 1 i s c o n s i d e r e d t h e r e p o r t e r s t r a n d , h o w e v e r ,

o l i g o - 2 i s s y m m e t r i c a l t o o l i g o - 1 a n d c a n a l s o b e u s e d i n a r e p o r t e r

r o l e . A p p r o x i m a t e t i l e d i m e n s i o n s e s t i m a t e d f r o m m o d e l i n g a r e

6 5 1 4 0 2 0

A .

B u i l d i n g o n p r e v i o u s n o m e n c l a t u r e F S 9 3 , w e r e f e r t o o u r t i l e d e s i g n a s T A O :

T r i p l e " h e l i x , w i t h A n t i - p a r a l l e l c r o s s o v e r s , a n d a n O d d n u m b e r o f h e l i c a l h a l f

t u r n s b e t w e e n c r o s s o v e r s s e e F i g u r e 1 . I t s t h r e e d o u b l e - h e l i c e s a r e d e s i g n e d t o b e

c o - p l a n a r . A n t i - p a r a l l e l c r o s s o v e r s i n d i c a t e a r e v e r s a l o f s t r a n d d i r e c t i o n f o l l o w i n g

e x c h a n g e t o a n e w h e l i x . A n o d d n u m b e r o f h a l f - t u r n s b e t w e e n c r o s s o v e r s e n s u r e s

t h e d e s i r e d r e p o r t e r s t r a n d p a t h t h r o u g h t h e t i l e c o m p a r e , f o r e x a m p l e , w i t h t h e

s t r a n d t r a c e f o r T A E t i l e s i n S e c t i o n 3 .

T h e p r o t o t y p e T A O , a t 4 2 b a s e s i n l e n g t h , g o e s t h r o u g h 4 f u l l h e l i c a l t u r n s .

S p a c i n g b e t w e e n c r o s s o v e r p o i n t s o n t h e t o p h e l i x a s r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 1 i s

1 6 b a s e s , f o r 3 h e l i c a l h a l f - t u r n s ; o n t h e m i d d l e h e l i x , 5 b a s e s f o r 1 h a l f - t u r n ; a n d

o n t h e b o t t o m h e l i x , 2 6 b a s e s f o r 5 h a l f - t u r n s . T h e s h o r t e s t d s D N A a r m s b e t w e e n

c r o s s o v e r a n d t i l e e d g e a r e 8 b a s e s o n t h e b o t t o m h e l i x . T h e p r o t o t y p e T A O w a s

d e s i g n e d w i t h o u t s s D N A s t i c k y e n d s f o r e a s e o f s t r u c t u r a l a n a l y s i s . T i l e s f u n c t i o n a l

f o r s u p e r s t r u c t u r e a s s e m b l y w i l l b e e q u i p p e d w i t h 5

0

s s D N A p a d s o f a b o u t 5 b a s e s

i n l e n g t h . I n t h e 2 D a s s e m b l i e s , d e s c r i b e d b e l o w , o n l y 4 p a d s w i l l b e r e q u i r e d ,

t h e r e f o r e t h e T A O a s s h o w n c o n t a i n s h a i r p i n s o n b o t h e n d s o f t h e m i d d l e h e l i x .

T h e s e h a i r p i n s r e d u c e t h e n u m b e r o f o l i g o n u c l e o t i d e s n e e d e d f o r c o n s t r u c t i o n o f t h e

t i l e ; h o w e v e r , t h e y c a n b e e l i m i n a t e d i f m o r e p a d s a r e r e q u i r e d o r i f a l t e r e d s t r a n d

t r a c e s t h r o u g h t h e t i l e a r e d e s i r e d .

T h e s p e c i c s e q u e n c e s u s e d f o r t h e p r o t o t y p e T A O t i l e w e r e d e s i g n e d u s i n g

s t o c h a s t i c h i l l - c l i m b i n g t o s e a r c h f o r n u c l e o t i d e s e q u e n c e s t h a t w o u l d p r o v i d e t h e

d e s i r e d b a s e - p a i r i n g w h i l e a v o i d i n g u n d e s i r e d p a i r i n g s . T h e p a r t i c u l a r s e q u e n c e s


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c h o s e n a r e d r a w n f r o m a h u g e p o t e n t i a l p o o l o f s e q u e n c e s ; w e c a n , t h e r e f o r e , m a i n -

t a i n t h e d e s i r e d T A O s t r u c t u r e w h i l e u s i n g d i e r e n t i n t e r n a l s e q u e n c e s t o r e p r e s e n t

d i e r e n t d i g i t v a l u e s f o r t i l e s i n t h e c o m p u t a t i o n a l s u p e r s t r u c t u r e . T h e c o m p u t a -

t i o n a l a s s e m b l i e s d e s c r i b e d b e l o w m a k e u s e o f b i n a r y e n c o d i n g s c h e m e s t i l e s h o l d

v a l u e s 1 o r 0 ; h o w e v e r , f o r s o m e c a l c u l a t i o n s i t m a y b e u s e f u l t o u t i l i z e e x p a n d e d

e n c o d i n g s f o r e x a m p l e b a s e - 1 0 . T h e t i l e a s s e m b l i e s a r e c o m p l e t e l y c o m p a t i b l e

w i t h e x p a n d e d a l p h a b e t s , a n d w o u l d s i m p l y r e q u i r e a l a r g e r n u m b e r o f s t a r t i n g t i l e

t y p e s .

2 . 1 . T A O T i l e C o n s t r u c t i o n R e s u l t s . W e h a v e s u c c e s s f u l l y b u i l t a n d a n a -

l y z e d a T A O t i l e i n t h e l a b o r a t o r y a n d d e t a i l e d t h e e x p e r i m e n t a l d a t a L Y K

+

9 9 .

B r i e y , f o u r o l i g o n u c l e o t i d e s w i t h s e q u e n c e s g i v e n i n F i g u r e 1 w e r e c h e m i c a l l y

s y n t h e s i z e d a n d p u r i e d b y p o l y a c r y l a m i d e g e l e l e c t r o p h o r e s i s P A G E u n d e r d e -

n a t u r i n g c o n d i t i o n s . D N A c o n c e n t r a t i o n s o f t h e p u r e s t o c k s w e r e m e a s u r e d b y

U V - a b s o r p t i o n a t 2 6 0 n m . S t o i c h i o m e t r i c a n d n o n - s t o i c h i o m e t r i c m i x t u r e s o f o l i -

g o s b u e r e d a t p H 7 . 9 - 8 . 0 a n d c o n t a i n i n g 1 0 m M M g C l

2

w e r e h e a t e d t o 9 5

C

f o r 5 m i n u t e s , t h e n a n n e a l e d b y c o o l i n g s l o w l y t o a m b i e n t t e m p e r a t u r e o v e r t h e

c o u r s e o f 1 t o 1 . 5 h o u r s . F o l l o w i n g a n n e a l i n g t h e t i l e s w e r e s u b j e c t e d t o v a r i o u s

t e s t s o f s t r u c t u r a l i n t e g r i t y .

F i r s t , w e d e m o n s t r a t e d f o r m a t i o n o f i n d i v i d u a l t i l e s o f d e s i g n e d s t r a n d s t o -

i c h i o m e t r y a n d m o l e c u l a r w e i g h t a s d e t e r m i n e d b y P A G E u n d e r n o n - d e n a t u r i n g

c o n d i t i o n s . F u r t h e r , w e s u b j e c t e d t h e c o m p l e x t o r a n d o m b a c k b o n e c l e a v a g e a n a l -

y s i s u s i n g h y d r o x y l r a d i c a l c h e m i s t r y a n d s h o w e d c l e a v a g e a n d p r o t e c t i o n p a t t e r n s

o n t h e n u c l e o t i d e l e v e l a s p r e d i c t e d f r o m t h e t i l e d e s i g n . T h a t i s , b a s e s p r e d i c t e d t o

b e b u r i e d w i t h i n t h e t i l e , e i t h e r i n c r o s s o v e r p o i n t s o r h e l i x f a c e s o c c l u d e d b y n e i g h -

b o r i n g h e l i x , s h o w e d p r o t e c t i o n a n d d e c r e a s e d s e n s i t i v i t y t o b a c k b o n e s c i s s i o n . A s

e x p e c t e d , b a s e s p r e d i c t e d t o b e e x p o s e d t o s o l v e n t w a t e r s h o w e d t h e h i g h e s t r a t e s

o f s c i s s i o n .

W e p e r f o r m e d F e r g u s o n a n a l y s i s , a t e c h n i q u e i n v o l v i n g t h e m e a s u r e m e n t o f

e l e c t r o p h o r e t i c m i g r a t i o n r a t e s i n g e l s o f v a r i o u s p o l y a c r y l a m i d e c o n c e n t r a t i o n s .

F e r g u s o n a n a l y s i s p r o v i d e s a m e a n s o f c o m p a r i n g h y d r o d y n a m i c p r o p e r t i e s o f c o m -

p l e x e s w i t h t h o s e o f r e l a t e d c o m p l e x e s . O u r r e s u l t s s h o w e d a n a p p r o p r i a t e d e c r e a s e

i n e l e c t r o p h o r e t i c m o b i l i t y f o r t h e T A O t i l e c o m p a r e d w i t h a D X t i l e a n d a d s D N A

c o m p l e x o f t h e s a m e o v e r a l l l e n g t h 4 2 b a s e s . W e a l s o m e a s u r e d t h e t h e r m a l s t a -

b i l i t y o f t h e t i l e b y m o n i t o r i n g U V a b s o r p t i o n d u r i n g h e a t i n d u c e d m e l t i n g o f t i l e

s t r u c t u r e . T h e p a r t i c u l a r T A O t i l e w e e x a m i n e d a p p e a r s t o b e s t a b l e a t t e m p e r a -

t u r e s b e l o w a p p r o x i m a t e l y 5 0

C .

I n s u m m a r y , t h e p r o t o t y p e T A O h a s b e e n s h o w n t o f o r m w i t h t h e p r o p e r

o l i g o n u c l e o t i d e s t o i c h i o m e t r y , d e s i r e d m o l e c u l a r w e i g h t , a n d e x p e c t e d s t r u c t u r a l

s i g n a t u r e s o n t h e w h o l e c o m p l e x a n d i n d i v i d u a l n u c l e o t i d e l e v e l s . T h e t i l e a l s o

d i s p l a y s a c c e p t a b l e t h e r m a l s t a b i l i t y f o r u s e a s a c o m p o n e n t i n t h e c o n s t r u c t i o n o f

c o m p u t a t i o n a l t i l i n g s .

2 . 2 . R e s u l t s o f L a t t i c e A s s e m b l y o n P r e f o r m e d S c a o l d S t r a n d s . I n

t h e 2 D a s s e m b l y e x p e r i m e n t a l d e s i g n s d e s c r i b e d b e l o w , w e w i l l m a k e u s e o f r a n -

d o m f o r m a t i o n o f i n p u t t i l e l a y e r s . T h e s e i n p u t l a y e r s a r e c a p a b l e o f p r o v i d i n g a

r e p o r t e r s t r a n d t o e n a b l e r e a d - o u t o f t h e s p e c i c i n p u t s f r o m e a c h c o m p u t a t i o n a l

c o m p l e x . F o r m a n y a p p l i c a t i o n s i t m a y p r o v e u s e f u l t o e n c o d e s p e c i c i n p u t s r a t h e r

t h a n r a n d o m l y a s s e m b l i n g l a r g e p o p u l a t i o n s o f i n p u t l a y e r s . A d d i t i o n a l l y , i t m a y


7/18


8/18


~270

A B3X TAO

2X TAO

2X Oligo-1

3X Oligo-1

MW Stds. 1 2 3 4

3X TAO

2X TAO

350

100

50

200

F i g u r e 2 . U s e o f s c a o l d s t r a n d s i n s m a l l n o n -

c o m p u t a t i o n a l a s s e m b l i e s . P a n e l A s h o w s a p o l y a c r y l a m i d e

g e l r u n u n d e r n o n - d e n a t u r i n g c o n d i t i o n s w h i c h d e m o n s t r a t e s a s -

s e m b l y o f T A O t i l e l a y e r s a r o u n d 2 x a n d 3 x s c a o l d s t r a n d s ; b e l o w

a r e d i a g r a m s o f t h r e e t i l e 3 x T A O a n d t w o t i l e 2 x T A O a s s e m -

b l i e s c o n s t r u c t e d a r o u n d 3 x - o l i g o - 1 a n d 2 x - o l i g o - 1 s c a o l d s t r a n d s .

L a n e s 1 a n d 3 o f t h e g e l a r e s c a o l d s t r a n d a l o n e ; l a n e s 2 a n d 4

a r e s c a o l d s t r a n d s a n n e a l e d w i t h o l i g o s 2 , 3 , a n d 4 t o f o r m t i l e

a s s e m b l i e s . M o l e c u l a r w e i g h t m a r k e r s M W S t d s . a r e d s D N A

w i t h s i z e s i n d i c a t e d i n b a s e p a i r s . P a n e l B s h o w s a n A F M i m a g e o f

s u p e r s t r u c t u r e s c o n s t r u c t e d b y s i m u l t a n e o u s l y i n c l u d i n g t w o s c a f -

f o l d s t r a n d s 2 x - o l i g o - 1 a n d 2 x - o l i g o - 2 d u r i n g t h e t i l e f o r m a t i o n

a n n e a l i n g . T h e l e n g t h o f t h e b l a c k b a r i n s e t o n t h e i m a g e i s 1 0 0 0

A .

T h e d i a g r a m b e l o w s h o w s a n a r r a n g e m e n t o f t i l e s c o m p a t i b l e w i t h

t h e i m a g e ; a r r o w s i n d i c a t e d i r e c t i o n s i n w h i c h l a t t i c e a s s e m b l y c a n

c o n t i n u e .

d i m e n s i o n a n d t h e r e f o r e a p p e a r t o c o n t a i n b e t w e e n 1 4 a n d 2 0 t i l e s e a c h . A F M

d a t a g a v e Z - d i m e n s i o n h e i g h t s f o r t h e o b s e r v e d s t r u c t u r e s j u s t u n d e r 2 0

A a b o v e

t h e m i c a s u r f a c e , a s e x p e c t e d f o r a a t l a t t i c e c o n s t r u c t e d f r o m d s D N A . F u r t h e r

s t u d y o f a s s e m b l i e s a r o u n d a s i n g l e s c a o l d s t r a n d w i l l r e o l v e a n y a m b i g u i t i e s .

W e h a v e d e m o n s t r a t e d t h e u s e o f s c a o l d s t r a n d s a s a m e a n s o f a s s e m b l i n g a

D N A l a t t i c e . W e m i g h t w i s h t o a n s w e r a n o t h e r q u e s t i o n r e g a r d i n g t i l e a s s e m b l y

a r o u n d s c a o l d s t r a n d s : i s t h e r e a m a x i m u m l e n g t h b e y o n d w h i c h s c a o l d s t r a n d s

w o u l d f u n c t i o n p o o r l y d u e t o , f o r e x a m p l e , t a n g l i n g o f p a r t i a l l y f o r m e d l a t t i c e s ?


9/18


A s o f y e t , w e h a v e n o t t e s t e d t h e u p p e r l e n g t h l i m i t . T h e m a x i m u m s i z e s c a o l d

t e s t e d s o f a r c o n t a i n e d 6 t a n d e m r e p e a t s ; e x a m i n a t i o n b y P A G E i n d i c a t e d s u c c e s s f u l

f o r m a t i o n o f t h e 7 5 6 b a s e - p a i r a s s e m b l y . I t w o u l d b e u s e f u l t o t e s t t i l e f o r m a t i o n

o n s c a o l d s o f h u n d r e d s o r t h o u s a n d s o f t a n d e m r e p e a t s .

2 . 3 . 2 D A s s e m b l i e s f o r X O R a n d a d d i t i o n . W e w i l l n o w o u t l i n e o u r p r o -

c e d u r e s f o r u s i n g t h e T A O t i l e d e s c r i b e d a b o v e t o p e r f o r m m a s s i v e l y p a r a l l e l a r i t h -

m e t i c . T h e s i m p l e s t 2 D a s s e m b l y c o m p u t e r w i l l p e r f o r m c u m u l a t i v e X O R c o m p u -

t a t i o n u s i n g a 2 - l a y e r a r c h i t e c t u r e : o n e i n p u t t i l e l a y e r a n d o n e o u t p u t l a y e r . W e

w i l l a l s o d e s c r i b e t h e s l i g h t l y m o r e c o m p l i c a t e d 2 D a s s e m b l i e s r e q u i r e d t o e x e c u t e

b i t - w i s e X O R a n d a d d i t i o n o f t w o b i n a r y i n p u t s , u s i n g 3 - l a y e r s u p e r s t r u c t u r e s .

F o r c o m p u t a t i o n s o n s p e c i c i n p u t s , t h e s e p r o c e d u r e s w i l l m a k e u s e o f t h e s c a o l d

s t r a n d s m e n t i o n e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n . O t h e r w i s e , t h e i n p u t t i l e s w i l l r a n d o m l y

a s s e m b l e a n d t h e r e b y g e n e r a t e a m o l e c u l a r l o o k - u p t a b l e i n w h i c h e a c h r e p o r t e r

s t r a n d e n c o d e s t h e i n p u t s a n d o u t p u t s o f a r a n d o m c a l c u l a t i o n . A s u c i e n t n u m -

b e r o f D N A t i l e m o l e c u l e s w i l l p r o v i d e f u l l c o v e r a g e o f a l l p o s s i b l e n - b i t i n p u t

s t r i n g s . S u c h l o o k - u p t a b l e s m a y b e u s e f u l a s i n p u t f o r f u r t h e r c o m p u t a t i o n s a s

t h e y r e p r e s e n t a u n i q u e l i b r a r y o f s e q u e n c e s w i t h a c o m p l e x s t r u c t u r a l t h e m e .

R e c a l l t h a t t h e e x c l u s i v e - o r X O R o p e r a t i o n i s a B o o l e a n f u n c t i o n t h a t , g i v e n

t w o i n p u t s , y i e l d s 0 i f t h e i n p u t s h o l d t h e s a m e v a l u e , a n d r e t u r n s 1 i f t h e i n p u t s

d i s a g r e e i n v a l u e . T h e i n p u t t o a c u m u l a t i v e X O R c o m p u t a t i o n i s a s e q u e n c e o f

B o o l e a n s a

1

; a

2

; a

3

: : : , a n d t h e o u t p u t i s a s e q u e n c e o f B o o l e a n s b

1

; b

2

; b

3

: : : w h e r e

b

1

= a

1

a n d f o r i 1 , b

i

= b

i , 1

X O R a

i

. T h u s t h e i

t h

o u t p u t i s t h e c u m u l a t i v e

X O R o f t h e 1

s t

t h r o u g h t h e i

t h

i n p u t s .

A 2 - l a y e r t i l e s y s t e m f o r c o m p u t i n g c u m u l a t i v e X O R i s s h o w n i n F i g u r e 3 a n d

F i g u r e 4 . A s s h o w n , i t c o n s i s t s o f 8 t i l e t y p e s : 2 i n p u t t i l e s w i t h v a l u e x a n d p a d s

c l o c k w i s e f r o m l o w e r l e f t : C , A

x

, a n d C , w h e r e x 2 f 0 ; 1 g , 4 o u t p u t t i l e s w i t h

v a l u e x X O R y a n d p a d s B

y

, B

x X O R y

, a n d A

x

, w h e r e x ; y 2 f 0 ; 1 g , a n d 2

c o r n e r t i l e s w i t h p a d s C

0

a n d C , a n d B

0

a n d C

0

. T h e t w o t y p e s o f i n p u t t i l e d i e r

o n l y i n t h e s e q u e n c e s f o r t h e u p p e r - l e f t p a d a n d t h e i n t e r n a l s e q u e n c e e n c o d i n g t h e

t i l e ' s v a l u e . T h e o t h e r t w o p a d s u p p e r - r i g h t a n d l o w e r - l e f t a r e c o m p l e m e n t a r y

o n a l l i n p u t t i l e s , s o t h a t a s s e m b l y o f t h e i n p u t l a y e r c a n r a n d o m l y g e n e r a t e a l l

p o s s i b l e n - b i t i n p u t s . O u t p u t t i l e s u s e t h e b o t t o m t w o p a d s t o r e a d i n p u t s o n e

f r o m t h e n e x t i n p u t t i l e a n d o n e f r o m t h e p r e v i o u s o u t p u t t i l e , w h i l e t h e u p p e r -

r i g h t p a d e n c o d e o u t p u t s . F o u r o u t p u t t i l e t y p e s a r e r e q u i r e d , o n e f o r e a c h p o s s i b l e

p a i r o f i n p u t v a l u e s i n t h e X O R t r u t h t a b l e . T h e r e p o r t e r s t r a n d i s s h o w n a s a

d i a g o n a l l i n e p a s s i n g t h r o u g h e a c h t i l e b y t h e f o l l o w i n g p a t h : i n o n e p a d , t h r o u g h

t h e s e q u e n c e e n c o d i n g t h e t i l e ' s v a l u e , a n d o u t t h r o u g h a p a d o n t h e o p p o s i t e s i d e

o f t h e t i l e . T h e c o r n e r t i l e s f u n c t i o n p r i m a r i l y t o r o u t e t h e r e p o r t e r s t r a n d a n d

t h u s c o n n e c t i t s i n p u t a n d o u t p u t h a l v e s .

I n a d d i t i o n t o c o n n e c t i n g t h e i n p u t a n d o u t p u t h a l v e s o f t h e r e p o r t e r s t r a n d ,

t h e c o r n e r t i l e s s e t t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s f o r t h e c o m p u t a t i o n . T h e t w o c o r n e r

t i l e s p u t t h e r s t i n p u t b i t a

1

i n t o p o s i t i o n f o r f o r m a t i o n o f t h e b i n d i n g s l o t f o r t h e

r s t o u t p u t b i t b

1

. O f t h e t w o c o r n e r t i l e s d e p i c t e d i n F i g u r e 3 a n d F i g u r e 4 , t h e

o n e f a r t h e s t l e f t t w o p a d s i n o n e s i d e a n d r e p o r t e r s t r a n d l o o p e d b e t w e e n t h e m

c a n b e a T A O . F o r t h e o t h e r c o r n e r t i l e t w o p a d s o n t h e t o p h e l i x c o n n e c t e d b y

r e p o r t e r s t r a n d w e r e q u i r e a d i e r e n t s t r a n d t o p o l o g y w h i c h c a n b e p r o v i d e d b y a

T A E t i l e a s d e s c r i b e d b e l o w i n S e c t i o n 3 o r b y a D A E t i l e F S 9 3 .


10/18


Input Tiles(2 types)

Output Tiles(4 types)

Corner Tiles

ib

a

a

a

i

i+1

i-1

F i g u r e 3 . 2 D A s s e m b l y f o r C u m u l a t i v e X O R . T h e t i l e s

s c h e m a t i c s r e p r e s e n t T A O t i l e s . s s D N A p a d s a r e s h o w n s t i c k i n g

o t h e b o d y o f t h e t i l e s . T h e s m a l l c e n t r a l b o x o n t h e i n p u t a n d

o u t p u t t i l e s r e p r e s e n t s a n u c l e o t i d e s e q u e n c e e n c o d i n g t h e v a l u e 0

o r 1 o f t h e t i l e . T h e r e p o r t e r s t r a n d i s s h o w n a s a d i a g o n a l l i n e

p a s s i n g t h r o u g h e a c h t i l e . T h e g u r e s h o w s a p a r t i a l l y a s s e m b l e d

s u p e r s t r u c t u r e i n w h i c h t h e n e x t s t e p i s t h e b i n d i n g o f a n o u t p u t

t i l e i n t o t h e s l o t l a b e l e d b

i

, f o l l o w e d b y c o n t i n u e d a s s e m b l y o f t h e

o u t p u t l a y e r u p a n d t o t h e r i g h t .

F i g u r e 3 s h o w s a p a r t i a l l y a s s e m b l e d s u p e r s t r u c t u r e i n w h i c h t h e n e x t s t e p i s

t h e b i n d i n g o f a n o u t p u t t i l e i n t o t h e s l o t l a b e l e d b

i

, f o l l o w e d b y c o n t i n u e d a s s e m b l y

o f t h e o u t p u t l a y e r u p a n d t o t h e r i g h t . T o p r o p e r l y b i n d , t h e o u t p u t t i l e m u s t

m a t c h i t s l o w e r - r i g h t p a d w i t h t h e u p p e r - l e f t p a d o f t i l e a

i

a n d i t s l o w e r - l e f t p a d

w i t h t h e u p p e r - r i g h t p a d o f t h e p r e v i o u s o u t p u t t i l e b

i , 1

. F o l l o w i n g t h e a n n e a l i n g

o f t i l e b

i

, a n e w s l o t b

i + 1

w i l l b e f o r m e d w i t h o n e p a d f r o m b

i

a n d o n e p a d f r o m

a

i + 1

.

T h e 2 - l a y e r 2 D a s s e m b l i e s f o r c u m u l a t i v e X O R c a l c u l a t i o n , a s p r o p o s e d , w i l l

f u n c t i o n w i t h T A O t i l e s t r u c t u r e s , b u t c o u l d a l t e r n a t i v e l y u s e s i m p l e r d o u b l e -

c r o s s o v e r t i l e s c o n t a i n i n g a h a i r p i n o n o n e h e l i x W E R 9 9 . W e c h o s e t o u s e T A O s

i n o u r d e s i g n i n o r d e r t o t e s t t h e t i l e s a n d a s s e m b l y t e c h n i q u e s t h a t w i l l b e r e q u i r e d

f o r 3 - l a y e r s u p e r s t r u c t u r e s f o r b i t - w i s e X O R a n d a d d i t i o n .

W e n o w m o v e t o d i s c u s s i o n o f t h e 3 - l a y e r a s s e m b l i e s a s s h o w n i n F i g u r e 5 .

T h e c o m p o n e n t s a n d m e t h o d o l o g y f o r 3 - l a y e r s u p e r s t r u c t u r e s c l o s e l y f o l l o w s t h a t

f o r t h e 2 - l a y e r c u m u l a t i v e X O R a s s e m b l y . A g a i n , w e r e l y o n r a n d o m a s s e m b l y o f

i n p u t l a y e r s , b u t t h i s t i m e w e n e e d t w o i n p u t l a y e r s p e r s u p e r s t r u c t u r e , a n d w e

n e e d c o r n e r t i l e s o n b o t h e n d s o f t h e s u p e r s t r u c t u r e i n o r d e r t o p r o p e r l y j o i n b o t h

t h e i n p u t a n d t h e o u t p u t p o r t i o n s o f t h e r e p o r t e r s t r a n d i n t o a c o n t i n u o u s p i e c e o f

D N A .

T h e p a d s o n i n p u t a n d c o r n e r s t r a n d s a r e e s s e n t i a l l y a s b e f o r e , e x c e p t t h a t t h e

s e c o n d s e t o f i n p u t t i l e s u s e s i t s o w n l a b e l s . F o r a d d i t i o n , t h e e i g h t o u t p u t t i l e s

m a k e u s e o f a l l f o u r p a d s a s w e l l a s t h e i n t e r n a l v a l u e e n c o d e d o n t h e r e p o r t e r

s t r a n d : t h e v a l u e i s x X O R y X O R c a n d , c l o c k w i s e f r o m l o w e r l e f t , t h e p a d s a r e


11/18


01

1

0

0

0

1

11

1

F i g u r e 4 . E x a m p l e I O f o r c u m u l a t i v e X O R . T h i s p i c t u r e d

a s s e m b l y h a s i n p u t 0 1 0 1 1 a n d o u t p u t 0 1 1 0 1 . I n e x a m i n i n g t h i s

c a r t o o n o f t h e a s s e m b l y , w e r e a d b o t h i n p u t a n d o u t p u t s t r i n g s

f r o m l e f t t o r i g h t . H o w e v e r , t h e r e p o r t e r s t r a n d s t a r t s 5

0

e n d i n

t h e i n p u t t i l e m o s t d i s t a n t f r o m t h e c o r n e r t i l e s a n d p r o c e e d s 5

0

t o 3

0

t h r o u g h t h e i n p u t t i l e s i n r e v e r s e o r d e r , t h e n l o o p s t h r o u g h

t h e c o r n e r t i l e s a n d c o n t i n u e s t h r o u g h t h e o u t p u t t i l e s i n f o r w a r d

o r d e r . T h e r e f o r e , t h e o r d e r i n g o f i n f o r m a t i o n o n t h e r e p o r t e r i s :

a

n

; a

n , 1

; a

n , 2

; : : : ; a

1

; b

1

; b

2

; b

3

; : : : ; b

n

.

Input Tiles(4 types)

Output Tiles(4 or 8 types)

Corner Tiles

b i

a i

a'i

ai-1

a i+1

F i g u r e 5 . B i t - w i s e X O R a n d A d d i t i o n . T h i s s c h e m a t i c r e p -

r e s e n t a t i o n o f a 3 - l a y e r a s s e m b l y m a i n t a i n s t h e c o n v e n t i o n s u s e d

i n t h e p r e v i o u s g u r e s . T h e s u p e r s t r u c t u r e w i l l a s s e m b l e s u c h t h a t

b = a + a

0

o r b

i

= a

i

X O R a

0

i

d e p e n d i n g o n w h i c h s e t o f o u t p u t

t i l e s i s u s e d . T h e r e p o r t e r s t r a n d t r a c e s t h r o u g h t h e e n t i r e a s s e m -

b l y i n a s p i r a l , s t a r t i n g i n t h e n

t h

t i l e o f t h e l o w e r i n p u t l a y e r a n d

d o w n t h r o u g h t h e 1

s t

, t h r o u g h t h e c o r n e r t i l e s , t h r o u g h t h e u p -

p e r i n p u t l a y e r 1

s t

t o n

t h

, t h r o u g h d i s t a l c o r n e r t i l e s a n d d o w n

t h r o u g h t h e o u t p u t l a y e r n

t h

t o 1

s t

.


12/18


C

c

, A

0

y

, C

x + y + c 2

, a n d A

x

, w h e r e x ; y ; c 2 f 0 ; 1 g . T h u s , t h e p a d s a l o n g t h e m i d d l e

d i a g o n a l r e p r e s e n t t h e c a r r y b i t d u r i n g t h e a d d i t i o n . F o r b i t - w i s e X O R , t h e r e i s n o

n e e d t o p a s s a c a r r y b i t , s o l o w e r - l e f t p a d s a r e c o m p l e m e n t a r y t o u p p e r - r i g h t p a d s

o n a l l o u t p u t t i l e s , t h e r e f o r e o n l y f o u r t i l e t y p e s a r e r e q u i r e d .

T h e t o t a l n u m b e r o f t i l e t y p e s r e q u i r e d f o r t h e c u m u l a t i v e X O R a s s e m b l y i s

a t l e a s t e i g h t : 2 i n p u t s , 4 o u t p u t s , a n d 2 c o r n e r t i l e s f o r t h e l o w e r - l e f t e n d o f t h e

s u p e r s t r u c t u r e . I t m a y a l s o p r o v e u s e f u l t o i n c l u d e c o r n e r t i l e s w h i c h t e r m i n a t e t h e

u p p e r - r i g h t e n d o f t h e a s s e m b l y , t h u s b o o k e n d i n g " t h e c o m p u t a t i o n a n d p e r h a p s

i n c r e a s i n g a c c u r a c y b y e n s u r i n g t h a t i n p u t a n d o u t p u t s t r i n g s c o r r e s p o n d i n l e n g t h .

T h e b i t - w i s e X O R a n d a d d i t i o n a s s e m b l i e s r e q u i r e a t l e a s t 1 3 a n d 1 7 d i s t i n c t t i l e

t y p e s , r e s p e c t i v e l y . A g a i n e x p a n s i o n o f t h e s e r e p e r t o i r e s b y a n i n c r e a s e i n t h e

n u m b e r o f c o r n e r t i l e s m a y b e d e s i r a b l e t o e n s u r e p r o p e r n u c l e a t i o n a n d t e r m i n a t i o n

o f t h e s u p e r s t r u c t u r e s . T h e 1 - l a y e r a s s e m b l y f o r a d d i t i o n d e s c r i b e d b e l o w i n S e c t i o n

3 r e q u i r e s e x a c t l y 1 0 t i l e t y p e s .

T h e 2 D a s s e m b l i e s d e s c r i b e d h e r e a l l o w r e a d - i n o f s p e c i c i n p u t s b y s c a o l d

s t r a n d s S e c t i o n 2 . 2 , a b o v e a n d r e a d - o u t o f i n p u t a n d o u t p u t s t r i n g s o n r e p o r t e r

s t r a n d s . T h e r e p o r t e r s c a n b e p u r i e d f o l l o w i n g a s s e m b l y a n d l i g a t i o n , s i n c e t h e y

h a v e a l a r g e , c h a r a c t e r i s t i c s i z e a n d c a n b e s e p a r a t e d f r o m o t h e r D N A i n t h e t e s t

t u b e b y d e n a t u r i n g P A G E . T o d e t e r m i n e a p a r t i c u l a r o u t p u t s t r i n g , a r e p o r t e r

s t r a n d c a n b e u s e d a s t e m p l a t e f o r P C R p o l y m e r a s e c h a i n r e a c t i o n . A d l e m a n

A d l 9 4 m a d e u s e o f g r a d u a t e d P C R u s i n g s i x d i e r e n t p a i r s o f p r i m e r s t o g a u g e

t h e d i s t a n c e b e t w e e n n o d e s o n t h e H a m i l t o n i a n p a t h e n c o d e d o n h i s D N A . F o r t h e

b i n a r y r e p r e s e n t a t i o n w e u s e , w e n e e d o n l y t w o p r i m e r p a i r s 2 P C R r e a c t i o n s f o r

o u r r e a d - o u t , b o t h c o n t a i n i n g a c o n s t a n t p r i m e r s w h o s e b i n d i n g s i t e i s l o c a t e d i n

a c o r n e r t i l e , a n d e a c h c o n t a i n i n g o n e o f t w o p r i m e r s c o r r e s p o n d i n g t o t h e v a l u e

e n c o d i n g s e q u e n c e w o r d s 0 o r 1 l o c a t e d i n e a c h t i l e . T h e r e a c t i o n c o n t a i n i n g

c o r n e r - t i l e p r i m e r p l u s v a l u e = 1 p r i m e r , w i l l p r o v i d e d i s t a n c e s f r o m t h e c o r n e r t i l e

t o e a c h t i l e w h o s e v a l u e i s s e t t o 1 . S i n c e t h e s e d i s t a n c e i n c r e m e n t s a r e u n i f o r m ,

v a l u e s f o r e a c h d i g i t i n t h e I O s t r i n g s c a n b e r e a d d i r e c t l y . L i k e w i s e , u s i n g p r i m e r

c o r r e s p o n d i n g t o t h e s e q u e n c e w o r d f o r b i t v a l u e = 0 , w e w i l l o b t a i n t h e d i g i t l o c a -

t i o n s i n t h e i n p u t a n d o u t p u t f o r b i t s w h o s e v a l u e i s 0 .

T w o p o t e n t i a l p r o b l e m s m a y p r e v e n t t h e 2 D a s s e m b l y c o m p u t a t i o n s f r o m p r o -

c e e d i n g a s d e s c r i b e d . F i r s t , t h e s c h e m e r e q u i r e s t h a t a s s e m b l y p r o g r e s s i n t w o

d i s t i n c t s t a g e s : r a n d o m i n p u t a s s e m b l y , f o l l o w e d b y s p e c i c o u t p u t a s s e m b l y . I f

o u t p u t t i l e s b e g i n t o a n n e a l w i t h e a c h o t h e r o r w i t h p a r t i a l l y f o r m e d i n p u t c h a i n s ,

t h e r e e x i s t s t h e p o t e n t i a l f o r i m p r o p e r a s s e m b l y . T h e s s D N A p a d s e q u e n c e s m u s t

b e d e s i g n e d s u c h t h a t i n p u t t i l e s a s s o c i a t e w i t h e a c h o t h e r a t a s l i g h t l y l o w e r t e m -

p e r a t u r e t h a n t h a t w h i c h a l l o w s o u t p u t t i l e a n n e a l i n g . W h i l e t h i s t e m p e r a t u r e

s e p a r a t i o n i s p o s s i b l e i n t h e o r y i t m a y b e d i c u l t t o a c h i e v e i n p r a c t i c e . T h e

s e c o n d p o t e n t i a l p r o b l e m i n v o l v e s t h e s l o t l l i n g " a s s o c i a t i o n o f o u t p u t t i l e s i n t o

t h e f o r m i n g c o m p u t a t i o n a l a s s e m b l y . T h e p r o p e r a n n e a l i n g o f o u t p u t t i l e r e q u i r e s

m a t c h i n g w i t h t w o o r 3 f o r a d d i t i o n s s D N A p a d s , h o w e v e r , w i t h s o m e p r o b a b i l i t y

a n i m p r o p e r o u t p u t t i l e m a y l l a s l o t b a s e d o n m a t c h i n g w i t h a s i n g l e p a d o r

2 p a d s f o r a d d i t i o n . I f t h e i n c o r r e c t o u t p u t t i l e f a i l s t o d i s s o c i a t e i t w i l l b l o c k

t h e p r o c e s s o r , r e t u r n i n g e i t h e r a t r u n c a t e d a n s w e r o r a n a n s w e r w h i c h n o l o n g e r

c o r r e s p o n d s t o t h e i n p u t . R e s u l t s o f a n i n i t i a l e x p e r i m e n t h a v e s h o w n t h a t d s D N A

w i t h t w o m a t c h i n g s t i c k y - e n d a c h i e v e s p r e f e r e n t i a l b i n d i n g o v e r s i n g l e m a t c h D N A

W Y S 9 8 , h o w e v e r t h i s c r i t i c a l r e s u l t h a s y e t t o b e d e m o n s t r a t e d i n m o r e c o m p l e x


13/18


a s s e m b l i e s i n v o l v e l a r g e r t i l e s t r u c t u r e s . A l t h o u g h l i n e a r a s s e m b l i e s w i t h f e w l a y -

e r s a r e l i k e l y t o b e l e s s a e c t e d b y t h e s e p r o b l e m s t h a n f u l l y 2 D a s s e m b l i e s , t h e s e

p o t e n t i a l p r o b l e m s h a v e i n d u c e d i n t e r e s t i n a l t e r n a t i v e s t r a t e g i e s f o r c o m p u t a t i o n

b y s e l f - a s s e m b l y , s u c h a s t h e o n e g i v e n i n t h e n e x t s e c t i o n .

3 . S t r i n g T i l e A s s e m b l i e s

T h e c o n c e p t o f s t r i n g t i l e a s s e m b l i e s d e r i v e s f r o m E n g ' s o b s e r v a t i o n t h a t a l l o w -

i n g n e i g h b o r i n g t i l e s i n a n a s s e m b l y t o a s s o c i a t e b y t w o s t i c k y e n d s o n e a c h s i d e ,

h e c o u l d i n c r e a s e t h e c o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y o f l a n g u a g e s g e n e r a t e d b y l i n e a r

s e l f - a s s e m b l y W E R 9 9 . B y a l l o w i n g c o n t i g u o u s s t r i n g s o f D N A t o t r a c e t h r o u g h

i n d i v i d u a l t i l e s a n d t h e e n t i r e a s s e m b l y m u l t i p l e t i m e s , s u r p r i s i n g l y s o p h i s t i c a t e d

c a l c u l a t i o n s c a n b e p e r f o r m e d w i t h 1 - l a y e r l i n e a r a s s e m b l i e s W E R 9 9 . F o r e x -

a m p l e , w e d e s c r i b e b e l o w a s t r i n g t i l e s y s t e m t h a t c o m p u t e s a d d i t i o n o r b i t - w i s e

X O R .

S t r i n g t i l i n g , i n e s s e n c e , i s t h e c o l l a p s e o f m u l t i - l a y e r a s s e m b l i e s i n t o s i m p l e r s u -

p e r s t r u c t u r e s b y a l l o w i n g i n d i v i d u a l t i l e s t o c a r r y m u l t i p l e s e g m e n t s o f t h e r e p o r t e r

s t r a n d . T h e 2 - l a y e r l a t t i c e f o r c u m u l a t i v e X O R c a n b e r e d u c e d t o u n b r a n c h e d

d s D N A . T h e 3 - l a y e r a d d i t i o n a s s e m b l y c o l l a p s e s t o a l i n e a r r o w o f t h r e e - h e l i x o r

p e r h a p s e v e n t w o - h e l i x t i l e s . B y a l l o w i n g a r e p o r t e r s t r a n d t o w i n d t h r o u g h t h e

a s s e m b l y , p a s s i n g t h r o u g h e a c h t i l e m u l t i p l e t i m e s , w e c a n e n c o d e i n e a c h t i l e a n

e n t i r e r o w o f t h e t r u t h t a b l e . I n p u t a n d o u t p u t v a l u e s a r e r e c o r d e d o n w o r d s i n t e r -

n a l t o t h e t i l e , w h i l e i n f o r m a t i o n p a s s e d t o n e i g h b o r i n g t i l e s e . g . c a r r y b i t s a r e

e n c o d e d o n t h e s s D N A p a d s .

S t r i n g t i l e a r i t h m e t i c i m p l e m e n t a t i o n s h a v e a n u m b e r o f a d v a n t a g e o u s p r o p e r -

t i e s .

1 . I n p u t a n d o u t p u t s t r i n g s a s s e m b l e s i m u l t a n e o u s l y .

2 . E a c h r o w i n t h e t r u t h t a b l e f o r t h e f u n c t i o n b e i n g c a l c u l a t e d i s r e p r e s e n t e d

a s a s i n g l e t i l e t y p e , w h e r e a l l i n p u t s a n d o u t p u t s a r e e n c o d e d o n t h a t

t i l e . E a c h b i t - w i s e o p e r a t i o n i s d i r e c t l y e n c o d e d i n t h e s t r u c t u r e o f a t i l e .

C o n t r a s t t h i s w i t h t h e 2 D s y s t e m s d e s c r i b e d a b o v e , i n w h i c h i n p u t b i t s a n d

o u t p u t b i t s e a c h h a d t h e i r o w n t i l e t y p e s .

3 . A d j a c e n t t i l e s o n l y h a v e t o a g r e e o n t h e v a l u e o f t h e c a r r y b i t b e t w e e n t h e m ;

o n e t i l e p a s s e s a n d o n e t i l e r e c e i v e s t h e b i t . T h e s e t o f p a d s f o r c a r r y = 0 i s

d i s t i n c t f r o m t h e c a r r y = 1 p a d s .

4 . A d j a c e n t t i l e s a s s o c i a t e v i a m u l t i p l e s t i c k y e n d s , a l l o f w h i c h e i t h e r a g r e e o r

d i s a g r e e , a n d t h e r e f o r e t h e r e i s n o n e e d t o d i e r e n t i a t e b e t w e e n s i n g l e a n d

d o u b l e p a d m a t c h e s a s r e q u i r e d i n t h e 2 D a s s e m b l i e s .

T h e T A E t i l e s h o w n i n F i g u r e 6 h a s f o u r h a l f - t u r n s o f D N A h e l i x b e t w e e n t h e

c r o s s o v e r p o i n t s c o n n e c t i n g t h e t o p h e l i x w i t h t h e m i d d l e h e l i x a n d b e t w e e n t h e

c r o s s o v e r p o i n t s c o n n e c t i n g t h e m i d d l e h e l i x w i t h t h e b o t t o m h e l i x . T h i s c o u l d

b e t r i m m e d t o t w o h a l f - t u r n s w i t h o u t l o s s o f t h e d e s i r e d s t r a n d r o u t i n g ; h o w e v e r ,

t h e l o n g e r s p a c i n g p r o v i d e s a n i n c r e a s e d n u m b e r o f b a s e p o s i t i o n s f o r t h e i n t e r n a l

s e q u e n c e s t h a t e n c o d e t h e i n p u t a n d o u t p u t v a l u e s o f t h e t i l e . L o n g e r s e q u e n c e s

a l s o m a y b e u s e f u l f o r i m p r o v i n g p r i m e r b i n d i n g f o r g r a d u a t e d P C R r e a d - o u t o f

t h e r e p o r t e r s t r a n d . T h e l o n g e s t o l i g o n u c l e o t i d e i n t h e t i l e s h o w n i n l i g h t g r a y

i n F i g u r e 6 m a y b e u s e f u l a s a d i a g o n a l r e p o r t e r s t r a n d i n c e r t a i n c o n s t r u c t i o n s .

I t i s n o t r e q u i r e d f o r t h e a s s e m b l y d e s c r i b e d b e l o w a n d m a y m a k e p u r i c a t i o n o f

t h e d e s i r e d r e p o r t e r b l a c k m o r e d i c u l t , s i n c e i t w i n d s a r o u n d r e p o r t e r s e g m e n t s


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F i g u r e 6 . T A E T i l e . T h e s t r u c t u r e o f t h e T A E r e s e m b l e s t h e

T A O i n t h a t i t i s c o n s t r u c t e d o f t h r e e d o u b l e - h e l i c e s l i n k e d b y

s t r a n d e x c h a n g e , h o w e v e r , i t c o n t a i n s a n E v e n r a t h e r t h a n O d d

n u m b e r o f h e l i c a l h a l f - t u r n s b e t w e e n c r o s s o v e r p o i n t s l i n k i n g e a c h

p a i r o f h e l i c e s . E v e n s p a c i n g o f c r o s s o v e r s a l l o w s r e p o r t e r s t r a n d s

s h o w n i n b l a c k t o s t r e t c h s t r a i g h t t h r o u g h e a c h h e l i x f r o m o n e

s i d e o f t h e t i l e t o t h e o t h e r . T h e s e 3 r e p o r t e r s e g m e n t s w i l l b e u s e d

f o r b u i l d i n g u p a l o n g s t r a n d w h i c h r e c o r d s i n p u t s a n d o u t p u t s f o r

t h e e n t i r e a s s e m b l y .

r e p e a t e d l y . I t s h o u l d b e p o s s i b l e t o i n t r o d u c e a s t r a n d b r e a k i n t h e l o n g o l i g o ,

p e r h a p s o n t h e m i d d l e h e l i x , t h u s i n c r e a s i n g t h e n u m b e r o f o l i g o s i n t h e t i l e b u t

d e c r e a s i n g t h e s t r a n d t a n g l i n g . A t t h e n i c k , t h e s t r a n d s s h o u l d b e l a c k i n g a 5

0

p h o s p h a t e , s o t h a t t h e n i c k d o e s n o t g e t s e a l e d b y l i g a s e .

F i g u r e 7 p r e s e n t s d e t a i l s f o r a l i n e a r a s s e m b l y c a p a b l e o f c a l c u l a t i n g a d d i t i o n o r

b i t - w i s e X O R . T h e s c h e m e i s i l l u s t r a t e d u s i n g T A E t i l e s , h o w e v e r i t i s n o t p a r t i c -

u l a r t o T A E s . T h e s y s t e m i s a v a r i a t i o n o f o n e o u t l i n e d p r e v i o u s l y w h i c h u t i l i z e d

D P E t i l e s D o u b l e - c r o s s o v e r 2 h e l i c e s , P a r a l l e l c r o s s o v e r s , w i t h a n E v e n n u m -

b e r o f h a l f - t u r n s b e t w e e n t o e x e c u t e a s i m i l a r s t r a n d t r a c e t h r o u g h t h e a s s e m b l y

W E R 9 9 . T A E t i l e s m a y b e p r e f e r a b l e t o D P E b e c a u s e e a r l y s t u d i e s o n D X

c o m p l e x e s c o n t a i n i n g p a r a l l e l c r o s s o v e r s s h o w e d t h e m t o b e l e s s s t r u c t u r a l l y s t a b l e

t h a n t h e i r a n t i - p a r a l l e l c o u n t e r p a r t s F S 9 3 . I t i s p o s s i b l e t h a t D P E t i l e s c o u l d b e

s t a b i l i z e d b y i n c r e a s i n g t h e l e n g t h s o f d s D N A a r m s a n k i n g t h e s t r a n d e x c h a n g e

p o i n t s ; h o w e v e r , t h i s h a s n o t y e t b e e n d e m o n s t r a t e d e x p e r i m e n t a l l y .

I

A

i

a n d I

B

i

i n d i c a t e s e q u e n c e s e n c o d i n g b i n a r y v a l u e s f o r t h e t w o i n p u t b i t s f o r

t h e c u r r e n t o p e r a t i o n . O

i

e n c o d e s t h e v a l u e o f t h e o u t p u t b i t . T h e s t i c k y e n d p a d s

o n t h e r i g h t e n c o d e t h e v a l u e f o r t h e c a r r y b i t c o m i n g i n t o t h i s o p e r a t i o n , w h i l e

t h e l e f t - h a n d p a d s p a s s t h e n e w c a r r y v a l u e o n t o t h e n e x t b i t o p e r a t i o n . E a c h o f

t h e n i n e t i l e l o c a t i o n s h a s t w o p o s s i b l e s e q u e n c e w o r d s ; o n e e a c h f o r v a l u e s 1 a n d 0 .

O n e t i l e t y p e i s r e q u i r e d f o r e a c h o f t h e e i g h t r o w s i n t h e t r u t h t a b l e , p l u s o n e t i l e

t y p e f o r e a c h o f t h e t w o e n d s o f t h e a s s e m b l y . T h e t r u t h t a b l e p r o v i d e s t h e a l l o w e d

p a i r i n g s o f v a l u e s f o r e a c h o f t h e n i n e t i l e l o c a t i o n s . T h e c

i

c o l u m n p r o v i d e s t h e

v a l u e f o r a l l t h r e e r i g h t - h a n d p a d s c 1

i

;

c 2

i

; c 3 i w h i l e c o l u m n c

i + 1

g i v e s t h e v a l u e

f o r t h e t h r e e l e f t - h a n d p a d s

c 1

i

; c 2

i

;

c 3

i

. S e q u e n c e w o r d s f o r c 1 , c 2 , a n d c 3

a r e d i s t i n c t f r o m o n e a n o t h e r s o t h a t e a c h t i l e b i n d i n g r e a c t i o n i n v o l v e s a n n e a l i n g


15/18


$

$

c0 c0 c0c1

01

$ $

1 0 1 $ 0 1 1 $ 0 0 1 = IA $ OR $ IB

101+001

110

tile ciIAi

IBi

Oici+1

1 0 0 0 0 02 0 0 1 1 0

3 0 1 0 1 0

4 0 1 1 0 1

5 1 0 0 1 0

6 1 0 1 0 1

7 1 1 0 0 1

8 1 1 1 1 1carry out

IAi

IBi

Oi

~c1i+1

c2i+1

~c3i+1

c1i

~c2i

c3i

{ {carry in

F i g u r e 7 . S t r i n g T i l e A d d i t i o n w i t h T A E B u i l d i n g B l o c k s .

A n e x a m p l e t i l e i s s h o w n s c h e m a t i c a l l y i n t h e u p p e r r i g h t c o r n e r ;

i t i s o f t h e T A E f o r m w i t h t h e t r a c e o f t h e t h r e e r e p o r t e r s e g m e n t s

i n d i c a t e d b y a r r o w s . T h e t r u t h t a b l e o f v a l u e s f o r c

i

; I

A

i

; I

B

i

, a n d

O

i

i s s h o w n i n t h e u p p e r l e f t ; e a c h r o w c o r r e s p o n d s t o a t y p e o f

t i l e . A n e x a m p l e o f a n a s s e m b l e d s t r u c t u r e i s g i v e n a t t h e b o t t o m ,

a l o n g w i t h i t s i n t e r p r e t a t i o n . T h e r e p o r t e r s t r a n d f o l l o w s a Z -

s h a p e d p a t h f r o m t h e u p p e r l e f t t o t h e l o w e r r i g h t .

o f t h r e e s e p a r a t e p a i r s o f p a d s . N o t e t h a t

c 1 r e p r e s e n t s t h e c o m p l e m e n t o f c 1 .

W h e n t w o t i l e s b u m p i n t o e a c h o t h e r , t h e y e i t h e r a g r e e a t a l l 3 p a d s a n d b i n d o r

t h e y d i s a g r e e a t a l l t h r e e p a d s a n d f a i l t o b i n d . B i n d i n g t h a t i s n o t i n r e g i s t e r

e . g . c 1 b o u n d t o

c 3 i s t h e r e b y d i s a l l o w e d . A n e x a m p l e c o m p u t a t i o n a l a s s e m b l y

s h o w i n g a d d i t i o n o f t w o 3 - b i t n u m b e r s i s s h o w n a t t h e b o t t o m . T h e l i n e a r a s s e m b l y

i s c o m p o s e d o f v e t i l e s , s t a r t i n g o n t h e r i g h t : a n e n d o r t e r m i n a l t i l e , t h e n a t y p e

4 t i l e , t h e n a t y p e 5 , t h e n a t y p e 3 , t h e n a l e f t - e n d t i l e . S h o w n b e l o w t h e a s s e m b l y

i s a s u m m a r y o f t h e b i t v a l u e s i n t h e o r d e r t h e y a r e r e c o r d e d o n t h e r e p o r t e r s t r a n d

c a r r y v a l u e s , a l t h o u g h a l s o w r i t t e n o n t h e r e p o r t e r s t r a n d , a r e n o t s h o w n i n t h i s

s i m p l i e d d r a w i n g . T h e ' $ ' s y m b o l s i n d i c a t e m a r k e r s e q u e n c e s f r o m t h e e n d t i l e s

w h i c h m a r k t h e b o u n d a r i e s b e t w e e n i n p u t a n d o u t p u t s t r i n g s a n d w i l l b e u s e f u l a s

p r i m e r b i n d i n g s i t e s d u r i n g r e a d - o u t b y g r a d u a t e d P C R .

T h e o r d e r i n g o f I O d i g i t v a l u e s o n t h e r e p o r t e r s t r a n d i s d e p i c t e d i n F i g u r e 7 .

F o l l o w i n g t h e s t r a n d f r o m 5

0

t o 3

0

w e e n c o u n t e r : I

A

n

t h

b i t t h r o u g h 1

s t

b i t , O

1

s t

t h r o u g h n

t h

, I

B

n

t h

t h r o u g h 1

s t

. T h i s o r i e n t a t i o n a l l o w s t h e i n p u t s t o b e

r e a d w i t h t h e h i g h e s t d i g i t r s t o n t h e l e f t b u t m a y b e u n d e s i r a b l e s i n c e t h e

o u t p u t d i g i t s a r e l i s t e d o n t h e r e p o r t e r s t r a n d i n t h e o p p o s i t e d i r e c t i o n f r o m t h e


16/18


i n p u t s . O t h e r d i g i t v a l u e o r d e r i n g s a r e p o s s i b l e , a n d w i t h t h e u s e o f s l i g h t l y m o r e

c o m p l e x t i l e s 4 o r 5 h e l i c e s w e c a n e n c o d e o u t p u t s i n t h e s a m e o r i e n t a t i o n a s

i n p u t s W E R 9 9 .

T h e l i n e a r a s s e m b l y f o r a d d i t i o n a n d b i t - w i s e X O R p r e s e n t e d i n F i g u r e 7 d i s -

p l a y s m a n y b e n e t s o v e r 2 D a s s e m b l y m e t h o d s : s i m p l e r s u p e r s t r u c t u r e 1 l a y e r ,

f e w e r t i l e t y p e s e x a c t l y t e n t y p e s a r e s u c i e n t , s h o r t e r r e p o r t e r s t r a n d s , n e i g h b o r

t i l e m a t c h i n g b y 3 p a d s i n s t e a d o f o n e , e t c . T h e s t r i n g t i l e a d d i t i o n s c h e m e o u t l i n e d

i n F i g u r e 7 m a y h a v e t h e g r e a t e s t c h a n c e o f s u c c e s s o f a l l t h e D N A c o m p u t a t i o n a l

a s s e m b l y p r o c e d u r e s d i s c u s s e d . W e a r e c u r r e n t l y w o r k i n g t o e x p e r i m e n t a l l y t e s t

t h i s s y s t e m .

4 . D i s c u s s i o n a n d C o n c l u s i o n s

W e h a v e d e s c r i b e d t h e d e s i g n o f t w o n o v e l D N A t i l e t y p e s , T A O a n d T A E , a s

w e l l a s s u m m a r i z i n g t h e e x p e r i m e n t a l a n a l y s i s o f a T A O . W e h a v e o u t l i n e d t h e u s e

o f r e p o r t e r s t r a n d s a n d s c a o l d s t r a n d s f o r I O i n c o m p u t a t i o n a l a s s e m b l i e s , a n d

p r e s e n t e d e x p e r i m e n t a l d a t a d e m o n s t r a t i n g f o r m a t i o n o f l a t t i c e s t r u c t u r e s a r o u n d

s c a o l d s t r a n d s . W e h a v e a l s o d e t a i l e d t h r e e c o m p u t a t i o n a l a s s e m b l i e s , i n c l u d i n g

a n e w s t r i n g t i l e s y s t e m w h i c h s i m p l i e s m a n y a s p e c t s o f D N A t i l i n g s a n d s h o w s

p r o m i s e f o r e x p e r i m e n t a l c o n s t r u c t i o n . W e h a v e b e e n w o r k i n g p r i m a r i l y o n t h e

i m p l e m e n t a t i o n o f a r i t h m e t i c f o r p r o t o t y p i n g f u n c t i o n a l D N A - b a s e d c o m p u t e r s . I t

i s o u r i n t e n t i o n t h a t t h e s e e x p e r i m e n t s a n d p r o t o t y p e s w i l l e n a b l e d e v e l o p m e n t

o f m a t e r i a l s a n d t e c h n i q u e s t h a t m a y a d v a n c e D N A - b a s e d c o m p u t i n g b e y o n d t h e

r e a l m o f d e m o n s t r a t i o n a n d i n t o u s e f u l a p p l i c a t i o n s .

A c k n o w l e d g m e n t s

W e w i s h t o s i n c e r e l y t h a n k : N e d S e e m a n a n d H a o Y a n f o r t h e i r c o n s i d e r -

a b l e a n d i n v a l u a b l e r o l e s i n c o n s t r u c t i o n a n d a n a l y s i s o f t h e T A O t i l e ; T o n y E n g

a n d G r z e g o r z R o s e n b e r g f o r d e v e l o p m e n t a n d e n l i g h t e n i n g d i s c u s s i o n o f s t r i n g t i l e

c o n c e p t s ; a n d W o l f g a n g F r e y a n d A s h u t o s h C h i l k o t i f o r a s s i s t a n c e w i t h a t o m i c

f o r c e m i c r o s c o p y . T h i s w o r k w a s s u p p o r t e d i n p a r t b y g r a n t s N S F D A R P A C C R -

9 7 2 5 0 2 1 , C C R - 9 6 3 3 5 6 7 , N S F I R I - 9 6 1 9 6 4 7 , a n d A R O c o n t r a c t D A A H - 0 4 - 9 6 - 1 - 0 4 4 8 .

R e f e r e n c e s

A d l 9 4 L e o n a r d M . A d l e m a n . M o l e c u l a r c o m p u t a t i o n o f s o l u t i o n s t o c o m b i n a t o r i a l p r o b l e m s .

S c i e n c e , 2 6 6 : 1 0 2 1 1 0 2 4 , N o v e m b e r 1 1 , 1 9 9 4 .

B B 9 8 E r i c B . B a u m a n d D a n B o n e h . R u n n i n g d y n a m i c p r o g r a m m i n g a l g o r i t h m s o n a D N A

c o m p u t e r . I n L a n d w e b e r a n d B a u m L B 9 8 , p a g e s 7 7 8 5 .

B e r 6 6 R o b e r t B e r g e r . T h e u n d e c i d a b i l i t y o f t h e d o m i n o p r o b l e m . M e m i o r s o f t h e A M S ,

6 6 : 1 7 2 , 1 9 6 6 .

B u c 6 2 J . R i c h a r d B u c h i . T u r i n g m a c h i n e s a n d t h e e n t s c h e i d u n g s p r o b l e m . M a t h e m a t i c h e A n -

n a l e n , 1 4 8 : 2 0 1 2 1 3 , 1 9 6 2 .

C S 9 1 J u n g h u e i C h e n a n d N a d r i a n C . S e e m a n . T h e s y n t h e s i s f r o m D N A o f a m o l e c u l e w i t h

t h e c o n n e c t i v i t y o f a c u b e . N a t u r e , 3 5 0 : 6 3 1 6 3 3 , 1 9 9 1 .

D Z S 9 2 S h o u M i n g D u , S i w e i Z h a n g , , a n d N a d r i a n C . S e e m a n . D N A j u n c t i o n s , a n t i j u n c t i o n s ,

a n d m e s o j u n c t i o n s . B i o c h e m i s t r y , 3 1 : 1 0 9 5 5 1 0 9 6 3 , 1 9 9 2 .

E n g 9 9 T o n y E n g . L i n e a r D N A s e l f - a s s e m b l y w i t h h a i r p i n s g e n e r a t e s t h e e q u i v a l e n t o f l i n e a r

c o n t e x t - f r e e g r a m m a r s . I n R u b i n a n d W o o d R W 9 9

F B 9 7 B i n F u a n d R i c h a r d B e i g e l . M o l e c u l a r c o m p u t i n g , b o u n d e d n o n d e t e r m i n i s m , a n d

e c i e n t r e c u r s i o n . A u t o m a t a , L a n g u a g e s a n d P r o g r a m m i n g , 1 2 5 6 : 8 1 6 8 2 6 , 1 9 9 7 .

F B 9 9 B i n F u a n d R i c h a r d B e i g e l . A c o m p a r i s o n o f r e s o u r c e - b o u n d e d m o l e c u l a r c o m p u t a t i o n

m o d e l s . A l g o r i t h m i c a , 2 4 2 : 8 7 9 5 , 1 9 9 9 .


17/18


F S 9 3 T s u - J u F u a n d N a d r i a n C . S e e m a n . D N A d o u b l e - c r o s s o v e r m o l e c u l e s . B i o c h e m i s t r y ,

3 2 : 3 2 1 1 3 2 2 0 , 1 9 9 3 .

G S 8 7 B r a n k o G r u n b a u m a n d G . C . S h e p h a r d . T i l i n g s a n d P a t t e r n s . W . H . F r e e m a n a n d

C o m p a n y , N e w Y o r k , 1 9 8 7 .

J K S 9 8 N a t a s a J o n o s k a , S t e p h e n A . K a r l , a n d M a s a h i c o S a i t o . T h r e e d i m e n s i o n a l D N A s t r u c -

t u r e s i n c o m p u t i n g . I n L i l a K a r i , H a r v e y R u b i n , a n d D a v i d H . W o o d , e d i t o r s , P r o c e e d -

i n g s o f t h e 4

t h

D I M A C S M e e t i n g o n D N A B a s e d C o m p u t e r s , h e l d a t t h e U n i v e r s i t y

o f P e n n s y l v a n i a , J u n e 1 6 - 1 9 , 1 9 9 8 , p a g e s 1 8 9 2 0 0 , p r e l i m i n a r y , 1 9 9 8 .

J K S 9 9 N a t a s a J o n o s k a , S t e p h e n A . K a r l , a n d M a s a h i c o S a i t o . C r e a t i n g 3 - d i m e n s i o n a l g r a p h

s t r u c t u r e s w i t h D N A . I n R u b i n a n d W o o d R W 9 9 , p a g e s 1 2 3 1 3 5 .

L B 9 8 L a u r a F . L a n d w e b e r a n d E r i c B . B a u m , e d i t o r s . D N A B a s e d C o m p u t e r s I I : D I M A C S

W o r k s h o p , J u n e 1 0 - 1 2 , 1 9 9 6 , v o l u m e 4 4 , P r o v i d e n c e , R I , 1 9 9 8 . A m e r i c a n M a t h e m a t -

i c a l S o c i e t y .

L P 8 1 H . R . L e w i s a n d C . H . P a d a d i m i t r i o u . E l e m e n t s o f t h e t h e o r y o f c o m p u t a t i o n

P r e n t i c e - H a l l , 1 9 8 1 .

L S S 9 9 F u r o n g L i u , R u o j i e S h a , a n d N a d r i a n C . S e e m a n . M o d i f y i n g t h e s u r f a c e f e a -

t u r e s o f t w o - d i m e n s i o n a l D N A c r y s t a l s . J o u r n a l o f t h e A m e r i c a n C h e m i c a l S o c i e t y ,

1 2 1 5 : 9 1 7 9 2 2 , 1 9 9 9 .

L Y K

+

9 9 T h o m a s H . L a B e a n , H a o Y a n , J e n s K o p a t s c h , F u r o n g L i u , E r i k W i n f r e e , J o h n H .

R e i f , a n d N a d r i a n C . S e e m a n . C o n s t r u c t i o n , a n a l y s i s , l i g a t i o n , a n d s e l f - a s s e m b l y o f

D N A t r i p l e c r o s s o v e r c o m p l e x e s . i n p r e p a r a t i o n , 1 9 9 9 .

L Y Q S 9 6 X i a o j u n L i , X i a o p i n g Y a n g , J i n g Q i , a n d N a d r i a n C . S e e m a n . A n t i p a r a l l e l D N A d o u -

b l e c r o s s o v e r m o l e c u l e s a s c o m p o n e n t s f o r n a n o c o n s t r u c t i o n . J o u r n a l o f t h e A m e r i c a n

C h e m i c a l S o c i e t y , 1 1 8 2 6 : 6 1 3 1 6 1 4 0 , 1 9 9 6 .

M A S 9 9 N o b u h i k o M o r i m o t o , M a s a n o r i A r i t a , a n d A k i r a S u y a m a . S o l i d p h a s e D N A s o l u t i o n

t o t h e H a m i l t o n i a n P a t h P r o b l e m . I n R u b i n a n d W o o d R W 9 9

M S S 9 7 C . D . M a o , W . Q . S u n , a n d N . C . S e e m a n . A s s e m b l y o f B o r r o m e a n r i n g s f r o m D N A .

N a t u r e , 3 6 8 : 1 3 7 1 3 8 , M a r c h 1 3 , 1 9 9 7 .

M S S S 9 9 C . D . M a o , W . Q . S u n , Z . Y . S h e n , a n d N . C . S e e m a n . A n a n o m e c h a n i c a l d e v i c e

b a s e d o n t h e B - Z t r a n s i t i o n o f D N A . N a t u r e , 3 9 7 : 1 4 4 1 4 6 , J a n u a r y 1 4 , 1 9 9 9 .

R e i 9 9 J o h n R e i f . L o c a l p a r a l l e l b i o m o l e c u l a r c o m p u t i n g . I n R u b i n a n d W o o d R W 9 9 , p a g e s

2 1 7 2 5 4 .

R o b 7 1 R a p h a e l M . R o b i n s o n . U n d e c i d a b i l i t y a n d n o n p e r i o d i c i t y o f t i l i n g s o f t h e p l a n e . I n -

v e n t i o n e s M a t h . , 1 2 : 1 7 7 9 0 9 , 1 9 7 1 .

R W 9 9 H a r v e y R u b i n a n d D a v i d H a r l a n W o o d , e d i t o r s . D N A B a s e d C o m p u t e r s I I I : D I M A C S

W o r k s h o p , J u n e 2 3 - 2 5 , 1 9 9 7 , v o l u m e 4 8 o f D I M A C S : S e r i e s i n D i s c r e t e M a t h e m a t i c s

a n d T h e o r e t i c a l C o m p u t e r S c i e n c e , P r o v i d e n c e , R I , 1 9 9 9 . A m e r i c a n M a t h e m a t i c a l

S o c i e t y .

S C D

+

9 3 N a d r i a n C . S e e m a n , J u n g h u e i C h e n , S h o u M i n g D u , J o h n E . M u e l l e r , Y u w e n Z h a n g ,

T s u J u F u , Y i n l i W a n g , H u i W a n g , a n d S i w e i Z h a n g . S y n t h e t i c D N A k n o t s a n d

c a t e n a n e s . N e w J o u r n a l o f C h e m i s t r y , 1 7 : 7 3 9 7 5 5 , 1 9 9 3 .

S C K 8 9 N a d r i a n C . S e e m a n , J u n g h u e i C h e n , a n d N e v i l l e R . K a l l e n b a c h . G e l e l e c t r o p h o r e t i c

a n a l y s i s o f D N A b r a n c h e d j u n c t i o n s . E l e c t r o p h o r e s i s , 1 0 : 3 4 5 3 5 4 , 1 9 8 9 .

S e e 8 2 N a d r i a n C . S e e m a n . N u c l e i c - a c i d j u n c t i o n s a n d l a t t i c e s . J o u r n a l o f T h e o r e t i c a l B i o l -

o g y , 9 9 2 : 2 3 7 2 4 7 , 1 9 8 2 .

S e e 9 8 N a d r i a n C . S e e m a n . D N A n a n o t e c h n o l o g y : n o v e l D N A c o n s t r u c t i o n s . A n n u a l R e v i e w

o f B i o p h y s i c s a n d B i o m o l e c u l a r S t r u c t u r e , 2 7 : 2 2 5 2 4 8 , 1 9 9 8 .

W a n 6 1 H a o W a n g . P r o v i n g t h e o r e m s b y p a t t e r n r e c o g n i t i o n . I I . B e l l S y s t e m T e c h n i c a l J o u r -

n a l , 4 0 : 1 4 2 , 1 9 6 1 .

W a n 6 3 H a o W a n g . D o m i n o e s a n d t h e A E A c a s e o f t h e d e c i s i o n p r o b l e m . I n P r o c . S y m p .

M a t h . T h e o r y o f A u t o m a t a , p a g e s 2 3 5 5 , N e w Y o r k , 1 9 6 3 . P o l y t e c h n i c P r e s s .

W a n 7 5 H a o W a n g . N o t e s o n a c l a s s o f t i l i n g p r o b l e m s . F u n d a m e n t a M a t h e m a t i c a e , 8 2 : 2 9 5

3 0 5 , D e c e m b e r 1 9 7 5 .

W E R 9 9 E r i k W i n f r e e , T o n y E n g , a n d G r z e g o r z R o z e n b e r g . S t r i n g t i l e m o d e l s f o r D N A c o m -

p u t i n g b y s e l f - a s s e m b l y . i n p r e p a r a t i o n , 1 9 9 9 .

W i n 9 6 E r i k W i n f r e e . O n t h e c o m p u t a t i o n a l p o w e r o f D N A a n n e a l i n g a n d l i g a t i o n . I n

R i c h a r d J . L i p t o n a n d E r i c B . B a u m , e d i t o r s , D N A B a s e d C o m p u t e r s : D I M A C S

8/3/2019 Thomas H. LaBean, Erik Winfree and

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Thomas H. LaBean, Erik Winfree and John H. Reif- Experimental Progress in Computation by Self-Assembly of DNA Tilings