基于汉明距离的DNA编码约束研究

DNA计算是将现实问题进行编码映射到DNA分子上,通过生物实验产生出代表问题的解的DNA分子,最后通过检测技术提取出该DNA分子。高质量的DNA编码可以尽可能避免或减少计算过程中出现的错误,并使检测阶段易于提取出代表问题的解的DNA分子。对DNA编码约束进行了研究,分析了基于汉明距离的编码约束可以有效降低DNA分子间相似程度,减少DNA计算过程中DNA分子间的相互干扰,从而提高DNA计算的有效性和可靠性。还证明了基于汉明距离的编码约束存在等价的序列组合,降低了编码计算的复杂度。     

DNA计算中核酸序列设计方法比较研究(英文)

DNA计算是将现实问题进行编码,映射到DNA分子上,然后通过分子生物实验产生出代表问题解的DNA分子,最后通过检测技术提取出该DNA分子．高质量的DNA编码可以尽可能避免或减少计算过程中出现的错误,并使检测阶段易于提取出代表问题解的DNA分子．文中对基于汉明距离和基于自由能的DNA核酸编码方法进行研究,分析了两类方法的约束条件对DNA编码质量的影响,比较了两类方法排除非特异性杂交的完备性和计算量,进一步分析了两类方法编码DNA序列的效率．通过分析和比较得到,两类DNA计算编码方法都能有效地限制DNA分子间的非特异性杂交,其中基于汉明距离的DNA编码方法的计算量比较小,但是它仅能近似地估计DNA分子间杂交的热力学稳定性,不能完全替代最小自由能的编码方法．在满足DNA计算试验精度要求的条件下,采用基于汉明距离的DNA编码设计方法不仅能有效地的挑选出特异性杂交和非特异性杂交的DNA序列,还能有效地减少计算量,从而提高DNA序列设计的效率．     

DNA编码问题及其复杂性研究*

高质量的DNA编码可以避免DNA分子间的非特异性杂交,提高DNA计算的有效性和可靠性。首先对DNA编码的约束条件进行归类,分析了各编码约束对编码质量的影响;然后研究了编码质量、编码数量、序列长度与DNA计算可靠性、有效性、可扩充性之间的关系;最后通过类比DNA编码问题和图的独立集问题,说明了求解最大DNA序列集合问题是NP完全的。     

基于纠错码编码理论的DNA编码研究*

作为一种新的计算模式,DNA计算有着强大的计算能力,编码问题在DNA计算中占据重要的位置,有效的编码设计能够提高DNA计算的可靠性。基于纠错码编码理论,提出了一种新的DNA编码方法,该方法可以找出具有一定长度且满足汉明距离约束的DNA编码序列。最后,给出了该算法的仿真,结果表明了该算法的有效性。     

编码问题在DNA计算中的现状及展望

在DNA计算中DNA编码的质量和数量都对所得到的解空间有重要的影响。文中首先简要的介绍了DNA计算概况,然后通过目前在DNA编码设计的过程中所用的约束条件大概的介绍了编码问题的现状。通过编码设计的方法和评价标准指出了DNA编码问题目前的缺陷并且展望了DNA编码中需要解决的问题。     

计算科学的新领域：DNA计算（Ⅱ）

DNA计算是应用分子生物技术进行计算的新方法。从理论上研究DNA计算方法，有利于推动理论计算科学的发展。本系列文章应用形式语言及自动机理论技术，系统地探讨了DNA分子的可计算性及其计算能力。本文主要介绍DNA分子粘接计算模型的文法结构和计算方法，探讨了不同粘接计算模型的计算能力，并证明了DNA有穷自动机与正规文法的等价性。     

基于聚类小生境遗传算法的DNA编码优化

DNA编码优化问题是DNA计算中的核心问题。分析DNA编码优化的约束条件,在单链DNA序列集合上引入h距离,将聚类小生境技术应用于小种群遗传算法的构造,对DNA编码优化问题进行求解。基于h距离定义DNA序列间的相似函数,将碱基字母编码为4进制整数、DNA编码序列作为个体编码为4进制整数向量、种群编码为4进制整数矩阵,基于模4算术运算,构造相应的遗传算子,并给出DNA编码序列的具体计算结果。实验结果表明,与现有DNA编码序列优化结果相比,该算法可得到更好的DNA编码序列且计算效率较高。     

一种基于编码等价变换和遗传算法的DNA序列优化设计

针对DNA计算中的DNA序列设计问题,基于6个DNA序列设计约束条件,将DNA序列设计问题转化为多目标优化问题,提出小生境遗传算法进行求解。算法利用DNA序列设计中的相似性约束与H-测度约束,在单链DNA序列集合上定义共享函数,利用两种类型的编码等价变换以及模4算术运算,构造了5个遗传算子,并给出具体的DNA序列设计结果。通过比较,算法可以得到质量更好的DNA序列,且在种群规模与进化代数方面具有更高的计算效率。     

纠错码理论在DNA计算编码中的应用进展

在DNA计算中,编码问题是目前DNA计算中的重点和难点之一,实验证明有效的编码设计能够提高DNA计算过程中的可靠性。本文主要介绍了近几年国内外关于纠错码理论DNA计算编码问题的应用进展,分析了其在DNA计算中的应用的两个主要方面,介绍了较为实用的两种代数编码方法,最后给出了未来研究的三点方面。     

基于部分字的DNA编码设计与分析*

DNA编码问题是DNA计算中的第一步也是最重要的一步,是DNA计算中的一个基本问题。引入部分字与其洞的定义,研究了部分字的洞与沃森—克里克汉明距离的内在联系,得到沃森—克里克汉明距离与DNA编码的关系;通过分析不完全匹配部分字中洞的出现位置,对发生错误匹配的DNA码进行了优化。解决了DNA编码中除去洞分散分布在DNA双链中的不完全匹配问题,有效弥补了杂交过程中出现的假阳性的缺陷,为DNA编码的研究注入了活力。     

计算科学的新领域：DNA计算（Ⅲ）

DNA计算是应用分子生物技术进行计算的新方法.从理论上研究DNA计算方法，有利于推动理论计算科学的发展.本系列文章应用形式语言及自动机理论技术，系统地探讨了DNA分子的可计算性及其计算能力.本文主要介绍DNA剪接计算模型的文法结构和剪接计算方法，探讨了不同DNA剪接计算模型的计算能力，证明了所有图灵机可计算的函数理论上都可以通过DNA剪接计算模型来计算.     

求解0-1规划问题的DNA计算模型(英文)

DNA计算是以DNA分子作为数据的一种新型计算模式．在DNA计算中首要面对的问题是编码问题．文中提出了一种双编码方法,利用这种编码方法可以使得在DNA计算的读解过程类似于DNA测序过程,容易实现自动化操作．基于该编码方法所建立的DNA计算模型可用于求解0-1规划问题,只需4次PCR反应即可读取问题的可行解．与其他DNA计算模型相比,该模型具有操作简单、易于实现的优点．     

Application of a novel IWO to the design of encoding sequences for DNA computing

Encoding and processing information in DNA-, RNA- and other biomolecule-based devices is an important requirement for DNA based computing with potentially important applications. To make DNA computing more reliable, much work has focused on designing the good DNA sequences. However, this is a bothersome task as encoding problem is an NP problem. In this paper, a new methodology based on the IWO algorithm is developed to optimize encoding sequences. Firstly, the mathematics models of constrained objective optimization design for encoding problems based on the thermodynamic criteria are set up. Then, a modified IWO method is developed by defining the colonizing behavior of weeds to overcome the obstacles of the original IWO algorithm, which cannot be applied to discrete problems directly. The experimental results show that the proposed method is effective and convenient for the user to design and select effective DNA sequences in silicon for controllable DNA computing.     

一种新的求解最小生成树问题的DNA算法

基于生化反应的生物智能计算是现阶段计算领域研究的热点,DNA计算是通过DNA分子之间的生化反应来进行计算的一种计算模式,凭借运算巨大的并行性和海量存储的优势,DNA计算在解决复杂运算问题方面的计算能力显而易见。设计了一种利用DNA计算来求解图的最小生成树的计算模型,采用一种特殊的编码方式来对顶点,边和权值进行编码,并且描述了MSTP解的计算过程。     

基于BP神经网络的DNA解链温度预测模型

在DNA计算中,为了确保计算过程的可靠性,要求编码信息的DNA序列必须具有相似的热力学稳定性。解链温度是目前评价DNA序列热力学稳定性的一个主要的参数,目前,生物工程中常用的各种预测方法都存在某些序列的误差偏大的缺点,因此难以满足像DNA计算这种大量DNA序列进行各种生化反应的计算过程的要求。论文以DNA序列的邻近法参数为基础,建立了一个基于BP神经网络的解链温度的预测模型。计算结果表明,DNA序列的解链温度的误差可以达到±5.5℃的范围。     

DNA计算中编码序列的优化设计方案*

提出了一种优化设计方案.该方案的各项评价指标均优于根据以往文献提供的方法所能得到的最好结果.尤其是所提出的海明距离测度方法,进一步保证了特异性杂交产生的自由能远大于非特异性杂交所产生的自由能,便于进行DNA编码序列的设计与选择,为可控的DNA计算提供可靠有效的编码序列.     

DNA计算中的编码方法研究

DNA计算是一种利用生物大分子间的相互作用来实现并行计算的新的计算模式。因为其具有强大的并行性和高密度的信息存储能力,因而引起了科学界的广泛关注。编码是DNA计算的第一步,也是最重要的一步。编码质量的好坏直接影响反应过程的速度和效率。论文主要介绍了DNA计算过程中的编码问题、影响编码的因素及已有的几种主要的编码方法;最后指出了DNA计算的编码方法存在的问题及研究方向。     

Improving the design of sequences for DNA computing: A multiobjective evolutionary approach

Designing oligonucleotide strands that selectively hybridize to reduce undesired reactions is a critical step for successful DNA computing. To accomplish this, DNA molecules must be restricted to a wide window of thermodynamical and logical conditions, which in turn facilitate and control the algorithmic processes implemented by chemical reactions. In this paper, we propose a multiobjective evolutionary algorithm for DNA sequence design that, unlike preceding evolutionary approaches, uses a matrix-based chromosome as encoding strategy. Computational results show that a matrix-based GA along with its specific genetic operators may improve the performance for DNA sequence optimization compared to previous methods.