生物计算机粘贴模型及其广义编码研究

生物计算机是通过对DNA序列编码，经过有序的生化操作实现计算功能的。我们将DNA序列编码分为狭义的和广义的DNA编码。定义常规的序列编码为狭义DNA编码，用于构成序列，并保持其稳定性；避免序列发生发卡、错配等现象；广义DNA编码是针对生物计算而提出的一种编码思想，使得生成的序列构成不同的生物计算模型，并通过算法设计和引入不同的生物分子材料实现其功能，良好的编码序列可以提高计算效率、减少计算步骤和误差。本项目通过将PNA分子引入到粘贴DNA计算模型中为例，研究和讨论广义DNA编码，进行DNA计算，以克服经典粘贴DNA计算模型的某些缺陷。本项目拟研究：1）粘贴DNA计算模型的广义编码理论；2）引入PNA分子材料和生物技术到粘贴DNA计算模型的编码及计算过程中，探索和设计较快的计算及焦磷酸测序技术等检测方法；3）给出顶点覆盖问题、可满足问题等组合优化的DNA计算模型并以生化实验验证。

本项目旨在开发粘贴DNA计算模型处理信息的能力，拓展DAN计算解决问题的方法和应用领域。在研究过程中，我们根据该领域国际、国内最新研究进展，将粘贴模型与自组装模型进行了对比分析，认为粘贴模型可以归纳为一维自组装模型或二维自组装模型；因此本年度添加了与自组装计算模型相关的研究。我们主要研究了粘贴DNA计算模型的编码原理、自组装计算模型的原理及其在某些具体问题上的应用，分析了生物计算机发展过程中可能出现的相关技术问题，并探索其解决实际问题的能力。同时，我们认为生物计算的思想可以用来分析和研究人类疾病的发生发展规律和调控机制。.首先对粘贴DNA模板表示信息和处理信息的能力进行了研究，并探索其在解决图与组合优化问题、模拟布尔电路、分子开关等方面的可行性和应用。通过设计不同的粘贴类型，设计了各种自组装模块，探讨DNA分子结构对信息表达及处理方面的优势；利用不同的分子材料，构造不同的逻辑门，进而为DNA计算机机理进行研究。在研究中，对粘贴DNA计算模型的特性进行研究，讨论了引入生物酶的加速计算潜能，给出了基于粘贴DNA计算模型的最大团问题的计算模型。另外，我们DNA计算在图论中的应用进行了详细的探讨，分析了图论的DNA计算模型中存在的问题，指出未来国内DNA计算研究的重点。详细的讨论了DNA计算的优点和仍然存在的问题，并利用DNA计算给出了最大团问题、公交网络问题、可满足性问题等等的DNA 计算模型。.在对DNA计算模型的研究过程中，为了进一步研究不同分子结构的计算性能，对DNA的分子逻辑门进行了研究。给出了基于粘贴DNA计算模型的分子逻辑或门和非或门的方法。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。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。需要使用包括金纳米颗粒技术、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。.在应用粘贴模型分析和讨论人类疾病的调控机制研究中，我们主要应用布尔网络方法研究了范可尼综合症和乳腺癌的调控机制。