单核苷酸变异（SNV）是由单个核苷酸发生置换、缺失或插入而导致的序列变异,是人类基因组中最常见的一种突变形式。大部分已知的遗传性疾病都是由单基因序列变异引起的。肿瘤分子生物学研究也表明驱动基因突变在肿瘤的发生、发展过程中起着重要作用。此外,病原体内DNA的序列变异也会导致抗生素耐药性的改变,抗生素问题正在全球范围内日益加剧。因此,SNV的准确检测对于遗传性疾病的风险性评估、肿瘤的早期诊断和治疗以及病原体的耐药性鉴定等方面都具有重要价值。现有的SNV检测方法主要分为三类:聚合酶链式反应（PCR）,下一代测序技术（NGS）以及基于核酸杂交的方法。这些方法都有着各自的优缺点,存在一定的局限性。因此,亟需针对临床检测需求发展准确快速的SNV检测技术,为推动精准医疗提供强有力的技术手段。动态DNA纳米技术用DNA作为可编程的基本元件在纳米尺度上构建各种功能化的非平衡系统,为设计高特异性的分子诊断技术提供了天然的平台。本研究基于动态DNA纳米技术设计了两个高特异性的动态DNA纳米系统,为SNV的检测提供了新的思路。具体研究内容包括以下两个部分:1.基于竞争性DNA探针和双链特异性核酸酶的SNV检测系统本研究设计了一个竞争性DNA探针系统（CDPS）和双链特异性核酸酶（DSN）的组合系统,称之为CAD。该系统可以在特异性检测SNV的同时,消除背景野生型核酸的干扰。我们建立了系统相应的动态DNA反应网络的动力学模型,在动力学模型的指导下,发现该系统轻微的灵敏度损失可以显著提高系统的特异性,从而在大多数情况下实现较高的SNV鉴别因子（DF>100）。这种灵敏度和特异性之间的非平衡交换为稀有序列变异的分析提供了一个新的思路。为了验证该系统的实用性,我们应用所提出的CAD系统在合成模板（0.1%）和人类基因组DNA（1%）中实现了低变异等位基因频率（VAF）的检测。本研究为基于DNA和蛋白酶的核酸分析系统的设计提供了较好的指导意义。2.高特异性的DNAzyme纳米机器设计及其在单核苷酸突变检测中的应用靶标序列的特异性杂交对SNV的检测至关重要,但是相似的序列也会与探针错误杂交而导致假阳性。本研究在热力学参数和动力学模型的指导下,设计了一个基于DNAzyme的高特异性DNA纳米机器,实现SNV的准确检测。该设计考虑了DNAzyme形成的分子内环造成的自由能损失,设计准稳态的“Toehold exchange”反应。通过计算机的模拟减少不同条件下检测SNV的性能优化过程。此外,本研究还引入了一种DNA燃料来实现非共价DNA催化反应,通过改变DNA燃料的浓度可以调整DNA纳米机器的性能,在检测SNV的灵敏度和特异性之间做出权衡。该纳米机器检测SNV的DF在5～31之间,最低可以检测0.1%的VAF。本研究实现了一种通过计算机模拟优化DNA纳米机器性能的途径,在复杂的DNA纳米机器的设计和DNA生物传感器的应用中具有一定的潜力。