深入浅出DNA分子计算

DNA分子计算技术是人类在计算机缩微化进程中涌现出的一项新技术.追溯到DNA分子计算技术产生的历史背景,介绍了此项技术实现的理论基础,同时与传统电子计算机作比,列举出目前DNA分子计算技术的优劣势所在,并通过解决一个传统货郎担问题的实例,讲述这种基于DNA分子计算技术的生物计算机的工作机制.     

深入浅出DNA分子计算

DNA分子计算技术是人类在计算机缩微化进程中涌现出的一项新技术。追溯到DNA分子计算技术产生的历史背景,介绍了此项技术实现的理论基础,同时与传统电子计算机作比,列举出目前DNA分子计算技术的优劣势所在,并通过解决一个传统货郎担问题的实例,讲述这种基于DNA分子计算技术的生物计算机的工作机制。     

DNA分子计算模型

The field of practical DNA computing opened in 1994 with Adleman's paper,in which a laboratory experi-ment involving DNA molecules was used to solve a small instance of the Hamiltonian Path problem. The characteris-tic of this computation is its powerful ability in parallelism,its huge storage and high energy efficiency. This paper mainly introduces the principles of DNA computing and the sticker computing model.     

基于DNA计算的分子下推自动机

DNA分子计算的工作原理是对生物系统进行编码,以生物化学反应为基础,利用生物技术实现生物系统的状态转移来推进计算过程．2001年以色列的Yaakov Benenson等人在基于DNA计算的发卡模型实现了具有状态转移功能的分子有限状态自动机,国内则有利用DNA计算的方法构造可编程分子下推存储器的相关研究．该存储器基于分子自动机的原理,能按一定逻辑进行自组装,是一种纳米尺度的生物存储机构．文中首先通过在分子有限自动机上扩展一个分子下推存储器从而获得了一种简单的分子下推自动机,并基于该下推自动机提出了一类语言的分子自动机解法．接着提出了两种改进的分子下推自动机的模型,通过增加模型复杂度,分别解决了基本型分子下推自动机存在输人字符串限制和输入分子形式不统一的问题．计算理论表明,该种下推自动机的计算能力超过了已有的有限自动机．     

计算科学的新领域：DNA计算（Ⅰ）

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。本文主要介绍常用DNA分子操作方法，并根据DNA分子的结构及特点，给出了DNA分子的形式化描述。     

基于质粒的DNA计算模型研究

论文给出了一种基于环状质粒DNA计算的新方法,这种计算质粒包含一个特殊的插入DNA序列片断,每个片断定位在匹配的限制性内切位点,通过剪切和粘贴实现计算过程。论文同时给出了生物计算模型和相关的数学描述,这种模式的计算有待进一步研究。     

DNA计算机原理、进展及难点(Ⅲ):分子生物计算中的数据结构与特性

分子生物计算是指以生物大分子作为数据来进行信息处理的计算模式.目前的分子生物计算主要包含DNA计算、RNA计算和蛋白质计算这三种计算模型.另外,还有一些学者提出采用PNA分子进行计算.但由于PNA计算、RNA计算和蛋白质计算目前还没有一些实质性的突破,故在此不做讨论.研究掌握作为数据的DNA分子特性与结构,显然是DNA计算中的一个基本问题.因而文中主要对各种DNA分子的结构与特征进行讨论.针对问题的不同,模型的不同,采用的DNA分子类型也不同,目前主要用到的是单链的、双链的和具有粘性末端的DNA分子.其次用到的是发夹构型的DNA分子、质粒DNA分子等.文中特别讨论了作为数据的DNA分子与相应的生物计算模型有机相结合的一些基本的问题.     

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.     

DNA计算中的信息安全技术

DNA计算是一种模拟生物分子的结构并借助于分子生物技术进行计算的新模式。它引入了崭新的数据结构和计算方法,为解决NP完全问题提供了全新的途径。由于DNA计算具有信息处理的高并行性、低能耗及高存储密度等优点,对传统的基于计算安全的密码体系提出了挑战。DNA密码便是近年来伴随着DNA计算的研究而出现的密码学新领域。用DNA分子作为信息载体,以实现数据隐藏、认证、加密等安全技术。在简要回顾DNA计算原理的基础上,详细分析了基于DNA的一次一密方案以及Boneh用DNA计算机破解DES的方法;最后探讨在DNA计算中的信息安全技术。     

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。     

数制转换的DNA计算模型

本文主要研究十进制与二进制互换的DNA算法。利用DNA分子的数制转换库,根据进制转换的一种并行计算方法,通过编码不同结构的数制转换DNA分子来构造DNA计算的自装配模型。该模型可以解决不同进制数的自动转换问题。本文阐明了数制转换库的结构,并给出了转换库的空间复杂度。     

粘贴DNA计算模型的几种分子逻辑门的实现

理论上来说,基于DNA的分子逻辑门是DNA计算机体系结构的产生基础和DNA计算机实现技术的硬件基础。在这篇论文中,我们在先前提出的基于粘贴DNA计算模型的分子逻辑与门的实现方法的基础上,进一步提出了基于粘贴DNA计算模型的分子逻辑或门和与非门的实现方法。与先前方法类似,逻辑门、输入信号和输出信号是DNA分子。可以实现OR,NOT和NAND类型的逻辑门操作。需要使用包括聚合酶链反应(PCR),琼脂糖凝胶电泳,探针的标记与检测等生物工程技术。这些技术集成于DNA芯片中可用于DNA计算机的研制。     

DNA计算机原理、进展及难点(Ⅰ):生物计算系统及其在图论中的应用

基于生化反应机理的DNA计算机模型受到科学领域内许多不同学科学者们的关注与兴趣.DNA计算已经形成国际科学前沿领域内研究的一个新的热点.DNA计算机的研制需要诸如生物工程、计算机科学、数学、物理、化学、信息科学、微电子技术、激光技术以及控制科学等许多学科的共同协作攻关.该系列文章拟对DNA计算机的基本原理、研究进展、DNA计算的模型以及当前研究中的难点给予研讨.该文属首篇,重点讨论了DNA计算机的基本原理,引入了生物计算系统的概念,并较系统地讨论了DNA计算模型在图与组合优化中的研究进展.     

基于环形DNA分子的一种求解最大集团的计算模型

文中提出了一种基于环形DNA分子的新型计算模型.该模型的核心构成包括环形DNA分子,链霉亲和素包被的磁珠及环化酶.通过应用该模型解决了一个5个顶点的最大团问题,证明了该模型的可行性.在整个计算过程中,真解的搜索是借助于磁珠和环化酶,DNA分子结构在线性和环形之间相互转化.环形DNA分子的应用极大地减少了计算所需的时间和空间,算法的时间和空间复杂度均为O(n+m).对于解决一个n个节点的最大团问题,这种算法和枚举型算法相比,在搜索过程中所需试管数较少,只需n+1个试管,而利用枚举型算法则需要2n个试管.另外,文中构建的非枚举型初始解空间大大提高了DNA计算机的存储和计算能力.在将来,这种新型的DNA计算模型或许会成为一种解决某些NP完全问题的有效工具.     

DNA计算机原理、进展及难点(V):DNA分子的固定技术

在DNA计算机的研制中,DNA分子的固定是首先需要处理的一个最为基本的技术问题.事实上,DNA分子的固定技术不仅是生物计算的一个基本技术,而且是整个基因工程、生物芯片,甚至某些疾病诊疗的基础.基于此,文中将对DNA分子的固定技术给予较为系统的研讨,包括基本原理、具体方法等.文中引入了"DNA分子固定系统"的结构体系,并对该结构体系中载体子系统、固定剂子系统、标记子系统这3个主要子系统进行了详细的论述.     

DNA计算机:原理、进展及难点(Ⅱ)计算机"数据库"的形成--DNA分子的合成问题

基于生化反应机理的DNA计算机模型引起了科学领域内许多不同学科学者们的关注与兴趣．DNA计算已经成为国际科学研究前沿领域内的一个新热点．DNA计算机的研制需要诸如生物工程、计算机科学、数学、物理、化学、信息科学、微电子技术、激光技术以及控制科学等许多学科的共同协作攻关．作者以系列文章的形式拟对DNA计算机的基本原理、研究进展、DNA计算的模型以及当前研究中的难点给予研讨．该文属第二篇,重点讨论DNA计算机研制中DNA分子的合成问题．DNA分子的合成问题不仅是DNA计算中生物操作过程首先要处理的问题,而且是DNA计算机研制中必须要解决的问题,因为最终实用化的DNA计算机应是一种全自动化的．如何将DNA分子的合成过程与编码、其它生化操作自动地衔接起来是全自动化DNA计算机当前研究的关键难题．若要解决这个问题,人们必须很熟悉有关DNA分子合成的基本原理以及合成技术．这也是该文的动机．     

DNA计算研究的现状与展望

最近,采用ＤＮＡ计算的可能性引起了人们的广泛兴趣。本文在简要介绍ＤＮＡ是之后,探讨了ＤＮＡ计算及其模型,并将其与遗传算法、模糊控制、神经网络、混沌系统等软件计算技术进行集成,指出了ＤＮＡ计算的优点及目前存在的问题。最后我们对它们的前景进行展望。     

关于DNA计算的基本原理与探讨

该文综述了DNA计算的原理及其当前发展的动向,DNA计算虽然刚刚兴起不久,但它是一个新的交叉学科和研究领域,有不可估量的应用潜力,文中拽出DNA计算目前研究的主要方向及应用领域。     

DNA计算中荧光技术的应用及其发展

DNA计箅作为前沿科学研究的重点和热点.已经从简单发展为复杂,从理论转化为应用.在这一过程中,反应速度快、变化灵敏的荧光标记技术发挥了重要的作用.文中围绕DNA计算和荧光标记技术两个方面进行说明.一方面,对近年来DNA计算中荧光技术的应用进行了总结:(1)荧光标记的表面计算;(2)与某些切技术相结合的荧光检测;(3)与DNA链置换相结合的荧光技术;(4)与基因沉默技术相结合的荧光DNA逻辑门;(5)与DNA自组装立体结构相结合的荧光技术;(6)与DNA变构相结合的荧光技术.另一方面,介绍了几种近年来发展起来的新型荧光技术:(1)荧光信号识别放大技术;(2)与磁珠技术相结合的荧光技术;(3)与PH值变化相结合的DNA荧光技术;(4)与miRNAs检测相结合的荧光技术.在今后的研究中,只有将这两者紧密结合,才能发挥DNA计算天然的优势.