爆炸性增长

其中含氮 碱基有4 种分别是腺嚓岭( 、 ^ 鸟嘿吟佑 、 ) )
更新时间:2019-11-16 18:58 浏览:143 关闭窗口 打印此页

  DACmu igP icPe oe n dac N oPtn rnil,Md ladAvne 任祖云 殷志祥 R nZ u u y nZ i i n e h yn i h x a g ( 理工 学数 安徽 大 理系, 徽 淮 2 o ) 安 南 30 2 1 恤 t 口t l 伟y c ) t n, hi n e i o 趾i e 旧Tc o y 知 u H i n 2 刀 ) h ai a e c n a d s l 卿 口 t 肠 u Ui r t f e a e l , hi u n 3 1 i a e vsy c n n h 呢 aa 么 摘 要: 近几年, N 计算是诸多学科研究的一个热点。编码与 OA 模型选择是OA N 计算的 核心。本文综述了OA N 计算原 理.讨论 了目前常用计算模型及进展。 关键词:N 计算; 一完全问 模型 A O P N 题; 文献标识码: A 中图分类号: P一 T3 0 admd n o e1 S e t o el C i n 文章编号:1 7 一 72 (083 09一 3 6 1 4 9一20) 05 0 一 o r be n m yf e d tP e e t h o e f N m o u i ga ec n d A s份o: N o p t n i b t t D Ac u i g sah tp o l i 帕 n i l sa r s n .T e c r S o D Ac P t n r o i g m e n dac h se s ys m P N o P t n r n i 1 n ic s t T i s a u s u D A c m u i gP i c P ea dd s u s i s 加 d l a d a v n e. K 切 0 : h D AC 叩 u i 仓 P一 C m l t 斤o l m o e S 四 川5 t e N o t n ;N oPee b e ;M l d 0 引盲 为5 AO : ’ ’ C . 3, - - 则其互丰 为3 代 A 卜 ’由这两条互补 滋 , 裕Q 5, 的DA 链组成的。A N单 N双链为5 cG-’ ’ Tc3 一C ? … …A ? ? A G C T G DA N 分子计算技术是 1 4 美国Alm 博士提出, 9 年由 de a n 首次开创性地在试管中用。 A分子解决了一个有向图 N 助mlo 路径问 itn 题.1 7 Fuo、 t 等人 9 年, ts 枷ih 基于表面 9 r N 计算模型研究成功。 0多年来, A DA 这1 N D 计算成为了 数学、 生物学、 化学、 计算机科学等领域的一个研究热点.DA N计 算已 解决了很多即一完全问 题 I O A计算原理 N ?……T ? ? T C 3 TG C 一 ’ ’ ̄ G A G 5 G ^ C? ? ? ? …… ?? 1I N 分子结构 , DA N 是一种由 核 组成的 DA 脱氧 昔酸 高分子化合物. 每个脱 氧核营酸是由 一分子磷酸、 一分子脱氧核糖和一分子含氮碱 基组成。 其中含氮 碱基有4 种分别是腺嚓岭( 、 ^ 鸟嘿吟佑 、 ) ) 胞啼陡( 和胸腺嚓咙( 。 A C ) T D 不仅具有一定的化学组成, )N 还 1 N计算的 数学模型 . A ZD 从数学上讲, N 单链可看作 一个DA 有符号集艺 AGc 二{,,, T 组成的串, } 就像电子计算机中。 一样,可用4 和1 个字母 的字母表{,,, , AGCT 并按照DA } N双螺旋结构和碱基互配对原 则对问 题进行编码. 如认为A。 G1 T c l 这样 ( 二, , 司, , = = , 0 具有规则的 双螺旋 结构。 结构 主要特点是: N 分 这一 的 ①D A 子是又两条平行的脱氧核普酸长链盘旋而成; NA ②D 分子中 的 脱氧核糖和磷酸交 接, 列 替连 排 在外侧; 两条 ③ 链上的碱 基通过氢碱连接起来, 形成碱基对. 一, 如图 碱基互瓦 寸 织的 原则是嗦吟配喃陡且A 配对, 与c 织 。 于碱基对具 与T G 面寸 由 有多种不同的排列顺序, 这就构成了。A N分子的多样性。 A N D 链是有极性的,因此它的两端是不同的。 一条DA N 序列的两端, 分别记为3 , 和5 若一条D 队单链 0,(, ) 两个互 ) 11 为 补关系。 个n^ 一 N双链5 cG一, ’ Tc3 认c 可表示为0 ! 1 1 01 3 T G 以卜5 A ’一 G . 01 1 101 按 序 从 两 序 取 串 下 个 列 字 为场诬 玉加1 1. 顺 的 上 11 诬 1 N 串可 译码信息. 物酶可看作 模拟 N序列 DA 作为 生 是 在。 A 上 的 计算, 的 酶相当 不同 生物 于作用 N 串上不同的 在DA 算子。 常用的生物酶主要有:①限制内 切酶, 它能够识别特定的 碱 基序列,并在相应的位置切断作分离操作;②核酸 外切酶, 万方数据 它能够从D 序列的端开始,切除碱基,作删除操作; A N ③聚 I” 】 认 G T叮 月 G ! A GG 从AA1 ( 粥 0 2 加 计 算 理 、 模 型 及 进 展 合酶, 够 N 序 一端上添加核昔 它能 在D 列的 A 酸使序 长, 列加 作 复制操作; ④连接酶, 使两条具有互补粘性末端的DA N 链接 为一条。 粘性末端是指双链的DA N分子末端有部分单 链结构, 因 能与 此, 互补的单 链结构粘和 起。 补枯 末端的 在一 有互 性 两条链形成稳定的双链,要用到连接酶。 13DA U . N 计算杉 里 N 算法设计解决计算问 DA 题的基本思想是: 利用D 特 A N 殊的 双螺旋结构和碱基互补配对的原则对问 题进行编码, 把 要运算的对象映射成DA N分子链, 在生物酶的 作用下, 生成 问 题的可能解即初始数据。 然后按照一定的规则将原始问 题 的数据 运算并行地映射成DA N 分子链的可控的 生化过程。 最 后利用现代生物技术如聚合酶链反应PR 聚合重叠 c 、 放大技 术PA 超声波降解、亲和层析、分子纯化、 O、 凝胶电泳、 磁 珠分离等手段获得运算结果。基本步骤如图一所示。 .入 .出 A 认 , c 翁GG}TT CCC 月 AI 叮 C} ( IIr} CC ; rTTI 认 I C } 认 I G羌 T T 句 G 优C 从旬 G以 图二 洲人 原 计算模型 2 (剪接系统模型 ) 9 1 年, . 引 了 接 统 概 并 用 语 H d 人 剪 系 的 念, 利 形式 7 8 Te a 言理论分析了DA N 分子重组模型的生成能力。 即剪接系统是 将剪接运算当 做基本算子的一种语言生成器, 剪接运算 其中 是在限制性内 切酶、外切酶、 A N D 连接酶和DA N 聚合酶的作 用下,对DA N 链进行重组过程的数学抽象.1 年, 9 2 9 他又利 用形式语言技术给出了 生物分子计算的抽象模型。 3 (插人一删除系 ) 统模型 1 6 LK i . e i 人T 人一 系 r和G , r 引 插 删除 统的 9 年,. 9 a h T rn 定义。 插人一删除系统是建立在上下文插人和上下文删除基 础上的DA N 计算抽象模型。 上下文插人和删除 都可以 在实验 室里采用标准的分子技术予以实现。 (发夹o^ 计算模型 4 ) N aa o Sktm 等人提出了 o 基于DA N 分子发夹结构的DA N 计算 模型, 它的基本思想是通过编码技术, 使得非可行解在生化 反应过程中形成发夹结构, 对于模型在每个编码的1A ) 分子 N 图一 DA N 计算原理框图 Z OA N 计算模型 21 N 分子结构特征的DA . 基于DA N 计算模型 1 (粘贴。A 计算模型 ) N 中 计了内 设 切酶BTI 识别 cAG 便于清除 sN 的 位c G,以 这些发 夹构型。 1 6 翻 oes mRwi等人构造了 9 年, 一种新的。 计 模型 N 算 A 一粘贴模型。20 年,Kr en i r n 01 a1H izz二 m 设计了一种 a 枯贴模型的软件平台,并用此平台下的。A N粘贴算法研究了 5 (质粒D 计算模型 ) A N Ha 等人提出了 e d 质粒DA N 计算模型,它是利用质粒DA N 二 制 性 码 2 2 , a h o rA e n 进 线 年 s i 和比 n d d , 等 0 r c a l 人 将粘贴模型和表面技术 相结合, 解决了 一共有2个变量的 0 3ST 题. eA 问 该模型采用单、双链混形式DA N 分子对问 题进 行编码. 如果用单链表示数据 “” 。,双链表 示数据 “” 那 1 , 么一个DA N 长链就可以表示成一个2 进制数序列。 - 如图二所 分子 的环状结构进行D 计算的。 该 N A 用 模型解决了 最大匹 配 问题、最大权图问题以及背包问 题等。 22基于生物操作与实现的。 计算模型 . A N 从生物操作的方式,可 琳计算分为试管型、 将D 表面型 和 片 芯 型。目 主 是 管 与 面型 研究. 前, 要 试 型 表 的 1 (试管型就是在试管里D 分子和有关生物酶进行生化 ) N A 反应, 用来验证DA N 计算原理的可 行性. 对于一些N 问 P 题大 多是选择了试管模型进行了 解决. 2 (表面方式就是将对应于问 ) 题空间的DA N分子固定于一 块经过特殊化学处理的固 体表面, 如胶片、 塑料、 玻璃、 硅 半导体等。然后对表面上的DA N 分子重复进行标记、破坏、 再标记等操作。 最后获得运算结果。 和试管方式相比, 表面 示, 个链表 4 -进制数分别 0 0, 0,1 1 这4 示的 个2 是0 01 1 , 0 0 1 1 0 1川 . 该模型已 解决了 P一完全问 如最 诸多N 题. 大团问 题、 图顶点着色问题、最大匹配问题等。 M从A! c G以 ! 门 T} cC 盯TCI C 粥 r 叮 cC M 八1 I lG兀 1T T} 芜 M 宜c G 以 1l 以 “ l TT } 竹T I cC c M人 } 叮 cl 以 GI n T} 以 C M 们 C G 兀 T 丁 C芜 方式主要有如下优点: 作简 易 现自 操作; 操 单, 于实 动化 减 少了人为操作过程造成的损失; 减少了 表面分子间的 相互作 用.增强了分子间的特异性结合;结果易于纯化. 万方数据 2 0 , i os 学的Lu 在随 u 上发 一 s n主大 0 年 wc n 0 i等 t e 表T r 篇文 介 一 面 式的 T 题的 A 算 章, 绍了 种表 方 s 问 洲 计 模型。 A 该 模型的实例为: 卜 ( vx )八( v vz八(vy八( v 。含 vy w wy )x ) w y ) 有4 个变量的合取范式共有矛 个真值指派, 现在就是要找满 足该合式公式取值为1 的真值指派。 采用如下的DA 文中 N分 子形式编码了2个真值指派的情形: ’ ) 5 电 ( 尔 路 数 逻 运 仿线年 oi a 和 据流 辑 算的 布 9 1 , h 6 g a r 等首次了 于DA 模拟 基 N分子 布尔电 路,随后A , l k, 伽5M aa u w ai 叭c等人 wse e 提出了 逻辑与非门、 数据流逻辑操作实现的 DA N计算模型。 着DA 随 N 合成技术以 及生物芯片技术的发展, 过寸 岁 构建未 N 计算机有非常重要的意义。 来DA 4 O A计算需要解决的问题及展望 N 如何进 行适当的编码和选择计算模型来减少编码量大的 问题,即 解决 “ 指数爆炸”问 如何使得算法具有生物实 题, 验可行性, 这就需要我们对已有的算法进行改进或寻找新的 5 , 旧1 叮v v v 卜. 中 : 列 处 a v v v 忿 3 其 T序 是 ’{ 5 一 -( T v v们 ? , 于固体表面并要进行杂交的洲A 分子间的 一段序列扩是用来 起间隔作用的, CTvvvvTC 个v Grv Tc 中8 表示信息位, 两 算法。目 前,D 计算的 NA A N 在D 计算原理可 行性的论证上 比 较成熟, 对于表面技术的研究还处在探索阶段. 随着表面技 术的日 益成熟,DA N 计算将会从 “ 实验室”走向 “ 市场” 。 参考文献 〔 LM^ e .而iclrCmua ino Ol i n 1 .. m ] da eua optto fS u - 边的4 个碱基称为 “ 字标” 。操作步 骤如下: ①合成: 按照上述的形式合成所有代表解空间的D 分 A N 子; ②固定: 将合成好的DA N分子固定在经过化学处理的固 体表面上; ③标记: 放人满足第一个字句分子的补序列, 使其与表 面上的 DA N 分子杂交; t n t俪 呼 a r 1 o e [ ? i c, , ) is o o n o a P b J S e e1 ( ‘ ti r l ] n 卿 2 s m c 6 1 2  ̄1 2 . 0 1 04 ④破坏:加入核酸外切酶Ecl水解没有杂交的单链 .i o 并清洗表面; ③再标记: 加人一种碱性溶液使。 分子变性并清洗掉 N A 解链的DA N 分子; ⑥读结果: 对剩下的3 个字句重复进行步骤③、 ⑤, ④、 [ QLue i o^cmuigo ufcsJ ta. N optn nsrae[ . 2. , ] i ] 肋tr , 0 ( 3 : 5 19 ue2 , 0)1 一 7 . 0 4 7 [ M. t t lAsrae比sdapc oD he a. ufc- e pr ht N 5 枷i ] a A cmuainJ. unio optt optto [ J ra fc ua主一oa iig, ]o m niboot 19 ,5 :5一6 . 98 ( 2527 ) 最后在表面上剩下的D^ N 分子就是该合式公式取值为1 的所 有线 O A计算的应用 N [ x jn t lS cet . i 耳 : l in. e a . ikr r K e( )Api tos 4 ui ] t e 心 p c a C ieesineB le i ,04 () hn s c ec u ltn20 ,2 . s [ 高琳, 」 许进, 张军英. A D 计算的研究进展与展望口 N ] 电子 学报,20, ) 01( . 5 ] e [ 宋玉阶,刘毅. A N D 计算原理及研究进展[ . ] s 微让算 机信息,Zo, ) oe( . 4 1 决 (解 某些N一 P完全问 和 难 的 学问 如 ) 题 一些 解 数 题。 , H 题、 即问 最大团问题、 可满足性问 着色问 题、 题、 旅行商 问 01 题、 整数规划问题等。 - ) 2 加 ( 据 密与 解密。 A 算 速 并 计 传 密 数 N D 计 超 的 行 算对 统 码体系 提出了 挑战。 学将是D 计 一 密码 A N 算的 个新的应用 领 域。 〔张 , 赵海兰 光照,王 7 勋才 』 ,崔 廷峰 D J. N l计算的 [ ^ 研究 进展与 展望, 0, . 27 ( 0 3 ) L 刘文 高琳,王淑栋, 荣, l s 斌, 刘向 许进。 大匹 最 配 问 题的DA N 表面计算模型[ . 学报,20, . J 电子 l o ( 3 2 ) 作者简介 3 (智能控制。利用生物DA ) N 和人工DA N 机制已经卡法了 一种DA N 编码方法, 这种方法具有冗 余和重叠的基因,可以 选择输人变量和调节隶属函数。 在人工DA 并 N 中可应用 病毒 和酶操作,获取有效的模糊规则。侧A 序列还用于神经网 络 的建模,简化了 该网络的参数数目. 任 7一) 女, , 要 方向: 合 祖云 ( 9 1 , 硕士 主 研究 组 优 化、D 以计算; 殷志祥 ( 6 一) 1 9 ,男,教授,博士。 4 (生物化 ) 学与医 D 计 促进和 生物化 学。 N 算能 A 指导 学获 得更规则、灵活、可靠的操作技术。 万方数据

  DNA计算原理、模型及进展_理学_高等教育_教育专区。DNA计算原理、模型及进展

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