基于三鏈核酸與基因傳感器DNA計算研究與探索.pdf

1、自從Adleman 博士于1994 年在Science 上發(fā)表文章，用DNA 計算方法成功地求解有向圖的Hamilton 有向路問題以來，一個全新的研究領(lǐng)域——DNA 計算產(chǎn)生了。 由于DNA 計算機具有的巨大并行性/海量存儲以及低能耗等特點，該領(lǐng)域的研究引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。本文結(jié)合生物學(xué)的研究方法和新興的壓電基因傳感器技術(shù)，對DNA 計算及其模型生物實現(xiàn)過程中的某些問題做了初步地探討。利用Rec-A 蛋白介導(dǎo)生成的三鏈核酸結(jié)

2、構(gòu)進行計算以降低編碼的復(fù)雜度，并減少計算的錯誤。同時將壓電基因傳感器技術(shù)引入DNA 計算，與以往的表面DNA 計算模型比較，顯示了基于壓電基因傳感器DNA 計算的優(yōu)越性及意義。 一般來講在DNA 計算中，信息是以線性DNA 序列為載體并通過DNA 分子間的特異性雜交來完成信息的處理的，因此，DNA 計算首要的問題就是DNA 序列的編碼問題。由于DNA 計算編碼問題實質(zhì)上屬于NP 問題，目前的編碼方法還無法很好地滿足特定DNA 計

3、算模型的實際要求。本文首先介紹了基于k-臂DNA 分子的三維DNA 計算模型，用它解決圖的連通度問題在一定程度上降低了編碼的復(fù)雜度，但是由于實驗技術(shù)的制約基于這一DNA 結(jié)構(gòu)的計算在具體實現(xiàn)上有極大的困難。2002年，Braich 等人利用Sticker 模型設(shè)計了一種半自動化裝置，解決了一個20 個變量的3-可滿足性問題。為了減少計算所產(chǎn)生的錯誤他們在編碼時給出了7 個約束條件，這使編碼相當(dāng)復(fù)雜。參考這種DNA 計算方法及Sticke

4、r 模型，本文提出用一種新的分子結(jié)構(gòu)--Rec-A 蛋白介導(dǎo)生成的三鏈核酸解決可滿足性問題的DNA 計算模型。由于Rec-A 包裹的寡聚核苷酸探針不會產(chǎn)生發(fā)卡結(jié)構(gòu)，同時它們之間不會發(fā)生非特異性雜交，而構(gòu)成解空間的雙鏈DNA 也不會有發(fā)卡結(jié)構(gòu)和非特異性雜交，因此編碼時主要強調(diào)表示變量的DNA 序列的特異性。這樣編碼的復(fù)雜度會有較大的降低，同時計算過程的錯誤也會減少。結(jié)合具體的一個可滿足性問題對這一DNA 計算模型進行了實驗驗證，證實它在一

5、定程度上是可行的。 DNA 計算離不開生化反應(yīng)，并且在很大程度上依賴于生物技術(shù)的進步，而代表生物技術(shù)前沿的生物芯片和生物傳感器技術(shù)，在對信息的處理和DNA 計算上有諸多相似之處。本文比較了以前用DNA 計算解決整數(shù)規(guī)劃問題研究中，基于表面的幾個DNA 計算模型，建立了基于壓電基因傳感器的0-1 規(guī)劃及一類特殊整數(shù)規(guī)劃問題的DNA 計算模型。通過比較，顯示基于壓電基因傳感器解決整數(shù)規(guī)劃問題的優(yōu)越性，指出基于壓電基因傳感器的DNA

6、計算的真正意義在于更便于構(gòu)建自動化的計算機器。另外，我們指出壓電基因傳感器技術(shù)可以用來構(gòu)建DNA 計算的縮微芯片實驗室（Lab-on-chip）。它是將溶液計算的高度并行和高存儲性，表面計算的高自動化程度等優(yōu)點相結(jié)合的產(chǎn)物，用它可能會解決更復(fù)雜的NP-完全問題。 目前DNA 計算領(lǐng)域所關(guān)注的焦點在于能否解決現(xiàn)實中的難計算問題。由于生物技術(shù)的制約，進行計算時無法獲得極大的反應(yīng)規(guī)模，而影響計算效率和結(jié)果的編碼問題，解空間指數(shù)爆炸問題

7、，計算中解的提取問題也都沒有很好的解決。這些都成為制約DNA 計算發(fā)展的瓶頸。為了突破這一瓶頸，我們針對用于DNA 計算的生物實驗技術(shù)進行了探索和開發(fā)。我們利用Rec-A 蛋白介導(dǎo)的三鏈核酸及新興的壓電基因傳感器技術(shù)構(gòu)建了新的DNA 計算模型，盡管用它們還沒有解決實際的難計算問題，但兩類模型都在一定程度上解決了一些瓶頸問題，特別是后者具有自動化，微型和高通量分析的特征。我們認為通過將前沿的生物技術(shù)和計算的新形式相互結(jié)合，探索構(gòu)建自動化的