DNA扩增反应室试管反应液热流状态规律及温度响应动态特性机理研究

PCR techninology becomes an international research focus with high sensitivity recently. The physical environment and its internal interactions in the DNA reaction will let the process of DNA extraction become a bottleneck in the development of molecular biology techniques. The research on the variation of enthalpy and the dynamic characteristics of the temperature in DNA tube will help to solve the problems existing in the process of extraction. From the DNA internal reaction, the project studies the heat flux of DNA reaction and issues of thermal hysteresis. In the process of DNA amplification, the project will capture the status of DNA chemical bond breaking or its combination with high sensitive fiber optic sensor, and reveals both the nature characteristics and the dynamic characteristics of the temperature, and constructs of data model and simulates the process of DNA amplification.Finally this project can form a the basic theory in the DNA amplification, from which helps to eliminate false negative and false positive in the clinical diagnosis, and provide the underlying scientific data.This project is an extension study for the former subject named " research on gene loop amplification of the heat transfer mechanism" ,which has supported by the National Natural Science Foundation.

PCR技术是国际上研究热点，具有高灵敏性。DNA反应室物理环境及其内部相互作用对DNA扩增的影响能使临床获得靶序列的抽提过程成为分子生物学技术领域发展的一个瓶颈。DNA试管反应液的热流规律及其温度响应动态特性研究有助于解决抽提过程中存在的问题。本项目从DNA内部反应规律出发，研究DNA反应液的热流规律和存在的热滞后问题。在DNA扩增过程中，利用高灵敏光纤传感器捕捉DNA化学键断裂或结合的变化时机与状态，研究化学键状态变化过程中反应液的热流变化规律，揭示DNA扩增过程自然规律及温度响应动态特性，构建数据模型，对DNA样本形成全方位数字化控制，模拟DNA扩增过程，揭示基因扩增自有规律，形成基因检测技术的基础理论和方法，这有助于消除在临床诊断时可能出现的假阴性和假阳性，为进一步研究生命奥秘提供相关基础科学数据。本项目是申请人对已结题国家自然科学基金"基因循环扩增热传递机理研究"课题的延伸研究。

本项目研究了DNA反应液热流状态规律研究和温度响应动态特性规律，探索了DNA反应液热滞后控制方案，建立了实验系统。获得了一系列的重要研究成果，主要表现在：. 1）构建了热滞后DNA数学控制模型P(k)，从理论上证明了该控制数学模型P(k)的解的存在定理，在任意时刻t，都可以建立控制数学模型（P(k)）,且其解是存在的。该模型可对DNA扩增过程中的每个控制节点进行精准控制，实现DNA控制过程智能化，该模型具有广泛适应性；2)依据构建的控制模型P（k）进行了线性化分析，设置了多目标控制器,形成多对象线性系统；刻画基于各种控制器的多性能指标，建立非光滑约束多目标规划模型并求解其数值算法； 3)建立了实验分析方法,给出了一个分支模式函数的存在定理：通过反应温度和模块温度的耦合和计算以及校正，给出了在任意时刻t的分支模式函数B的表达式，并通过耦合计算并经过实验校正后得到了在任一时刻t的获得的温度数据Tij（t）的表达式，依据取得的Tij（t），通过与 的对比即可确定DNA反应阶段和吸放热状态。进而，对所形成的数据进行处理统计后，可对不同的控制对象进行分析，并在两种模式（模块和试管）下进行采集和分析数据，并可以依据上述公式精确模拟出DNA生物反应特性，对已创建的理论和方法进行了验证，分析了光纤传感器作为扰动噪声对DNA扩增本身的影响及相应解决方案，验证了热滞后控制算法和理论分析结果； 4）提出了基因调控非线性动力系统的路径粒子群优化算法和基于多因素复杂控制问题的特征值非精确优化方法，这些方法为本项目的后续研究提供了技术指导，同时，对研究生物信息工程领域的系统建模和计算具有重要参考价值。. 本项目利用DNA反应液的温度响应动态特性规律解决热滞后问题，为从根本上消除DNA反应液热滞后现象提供理论基础，为基因检测研究领域的产业化之路提供技术基础，为进一步研究生命奥秘提供相关基础科学数据，本项目具有重大科学意义和应用价值。