基于细胞（膜和核酸）的计算模型和算法研究

膜和DNA（核酸）是细胞的重要组成部分。经过10多年的研究，无论是理论还是应用，基于膜的膜计算和基于DNA分子的DNA计算都分别取得了长足进展，尤其是两类模型有其各自的优势。本项目拟在膜计算框架基础上，研究基于细胞的分布式并行计算模型和算法，研究内容包括：（1）综合利用膜的结构和DNA分子，建立新型高性能计算模型，融合膜计算和DNA计算的各自优势；（2）研究基于细胞的膜算法，特别是研究基于细胞分裂和膜生长的计算空间生成方法，基于遗忘机制的计算空间多次使用方法等；（3）研究膜计算的电子实现，为生物系统建模、优化计算等提供新方法和软件工具；用DNA生物操作技术实现膜计算的原理性生物实验，探索在生物介质上实现非传统计算。（4）作为应用示范，研究膜计算在生物学中的应用。研究成果将不仅为高性能计算提供新计算模型和算法，还将为系统生物学建模提供新方法和工具，而且在细胞内分子诊断和治疗方面具有应用前景。

生物计算是以生物分子为信息载体，用生物技术实现信息处理，探索新型计算技术的研究领域。已有理论和实验表明生物计算具有信息存储容量大，并行性高等优点。虽然，技术上，已能用大肠杆菌求解组合优化问题，用DNA分子存储5万多字的书本、音频、图像等，但高效利用生物资源的计算模型、计算误差控制方法、计算模型的生物实现技术等仍然有待发展和解决。本项目解决：如何利用细胞膜和核酸分子建立分布式并行计算模型、如何高效利用生物材料实现计算、如何控制化学反应时长和化学反应程度对计算结果的影响、信息编码生物分子设计和制备、计算单元设计和级联、以及把计算系统作为检测工具在生物医药等领域的应用。..在生物计算理论方面，建立了以DNA分子为信息载体、用膜分割计算区域的分布式并行计算模型。发现了细胞间通讯规则长度对计算能力的影响，当通讯规则长度不小于三的时候，模型能有效求解NP-完全问题，通讯规则长度小于等于二的时候，模型只能求解P类问题。针对生物资源高效利用问题，建立了由36个神经元细胞、或5个体细胞组成的Turing等价计算模型；建立了只需一类功能非常简单的神经元组成的Turing等价计算模型。针对计算误差控制问题，建立了对化学反应时长、化学反应程度具有容错性的计算模型，回答了生物计算误差是否可控的重要科学问题。..在生物计算技术方面，设计和制备了信息编码基元DNA分子，组装了文献中使用过的2、3、4、5、6臂信息编码DNA分子，验证了该基元DNA分子的可编程性。设计了多值输入逻辑门，用DNA链置换技术实现了生物计算单元的级联。设计并组装出了尺寸可控DNA纳米管，该DNA纳米管具有抗酸碱变化、抗酶降解等特性，短管可用于药物运载，长管可应用于纳米导线的制备，为进一步实现稳定的生物计算系统提供技术支持。..在生物医药等领域的应用方面，把计算系统作为检测工具，建立了基于纳米金和DNA分子置换技术的乙肝病毒可视化快速检测方法; 把膜计算模型应用于生物系统建模，并开发了相关仿真软件。..项目组在Nanotechnology，IEEE Transactions on Nanobioscience等国际期刊上发表论文66篇，其中SCI收录60篇。软件著作权3项。培养博士后2名，博士10名（其中与国外大学联合培养2名），硕士21名。举办国际会议2次，协办国际会议2次。获教育部高等学校科学技术奖自然科学一等奖1项。