基于DNA链置换的级联计算系统研究

In recent years, DNA computing based on strand displacement reaction has realized some basic functions of electronic computer, such as logic gates, half adder, counters and so on. DNA computing gradually enters into the practical stage from theory research. However, the essence of DNA computing based on strand displacement is still massive series of biochemical reactions in the process. There exists some inevitably phenomenon, such as leakage, crosstalk and so on, and it is difficult to achieve more complex logic computing for DNA computing due to error accumulation in the process. Therefore, this project will model and analyze the cascade computing system of DNA reaction network based on the strand displacement. The main idea is that DNA computing based on strand displacement is considered as a biochemical reaction system, and the problem is coded to DNA displacement strand sequences. Then, considering the stand replacement reaction as the major biochemical reaction, we will construct the cascade computing system of DNA strand replacement reaction and analyze the dynamic properties of the reaction. Finally, the DNA molecules cascade computing system with global stability is designed to achieve some computing function, such as decoder, adder subtractor, automaton and so on, and the corresponding system software is developed. The results can provide theoretical and technical support for the practical application of DNA computing.

近年来，基于链置换反应的DNA计算相继实现了逻辑门、半加器、计数器等电子计算机的基本功能，DNA计算逐渐由理论研究进入了实用化研究阶段。然而，基于链置换的DNA计算其本质仍然是海量DNA分子进行一系列生化反应的过程，在反应进程中不可避免的存在着泄漏、串扰等现象，而反应过程中的误差累积致使DNA计算仍难以实现较为复杂的级联计算问题求解。因此，本项目拟开展基于DNA链置换的级联计算系统构建与分析研究，主要思路为将基于DNA链置换的级联计算视为一个生化反应系统，将问题编码为DNA置换链，以链置换反应为主要的生化反应模式，构建基于DNA链置换反应的级联计算系统并对其反应过程进行动力学行为分析，进而设计出具有全局稳定性的DNA分子级联计算系统，实现诸如译码器、加减法器、自动机等计算功能，并开发相应的系统软件。研究成果可为DNA计算的实用化提供理论和技术支撑，具有一定的理论及应用价值。

近年来，DNA链置换技术由于其具有操作简单、能在室温下进行，无需借助外力和生物酶、反应周期短、以及强大的信号识别和转导能力等特点，成为了DNA计算领域中最为重要的技术手段和方法之一。为了提高基于链置换的DNA计算实用性，本项目在基于DNA链置换级联计算模型构建、DNA置换链编码设计、DNA链置换反应动力学分析以及DNA链置换级联计算实验等方面开展了较为深入的研究，并取得了一定的研究成果。其中在DNA链置换级联计算模型构建方面：设计了多种新型逻辑门，并构建了译码器、补码器、加法器、减法器以及乘法器等分子计算模型；构建了几种新型神经元，并级联成双向联想记忆神经网络、WTA神经网络，解决了线性不可分问题，并通过Viusal DSD系统仿真实现了4个科学家身份识别；在DNA置换链编码设计方面，提出了多种基于混合算法的DNA置换链编码设计与优化方法，实现了DNA置换链编码质量的优化；在DNA链置换反应动力学分析方面，建立了DNA链置换反应的非线性时滞生化反应系统，并研究该系统在平衡状态下的稳定性和Hopf分岔，证明了系统解的有界性；引入保成本控制、最优滑模变结构控制等方法进行系统控制，保证系统的稳定性，并通过最优滑模变结构控制，证明了DNA链置换反应网络可以近似理想反应网络的动力学行为；在DNA链置换级联计算实验方面，设计并实现了由FokI酶、Nicking酶、E6型脱氧核酶等不同核酶进行调控的可控DNA分子逻辑门，并通过级联基本逻辑门实现了解复用电路、分子半加器、分子半减器以及自催化电路等多层级联分子逻辑电路的生化反应实验。到目前为止，项目组共发表学术论文43篇，其中SCI检索24篇，EI检索19篇；获得发明专利授权4项、受理3项，较为圆满的完成了项目预期目标。