DNA計(jì)算編碼序列的設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)與應(yīng)用研究.pdf

1、Adleman 1994年在Science上發(fā)表的文章“Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems”，成功地用DNA計(jì)算方法求解有向圖的Hamilton有向路問(wèn)題，標(biāo)志著一個(gè)全新的研究領(lǐng)域——DNA計(jì)算的隨之產(chǎn)生。由于DNA計(jì)算機(jī)具有的巨并行性、海量存儲(chǔ)以及低能耗等特點(diǎn)，該領(lǐng)域的研究引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。 在DNA計(jì)算中，信息是以DNA序列為載體并通過(guò)

2、DNA分子間的特異性雜交來(lái)完成信息處理的。十年來(lái)的研究表明，編碼問(wèn)題是整個(gè)DNA計(jì)算機(jī)研制中最為核心的問(wèn)題。①它直接影響著DNA序列的合成質(zhì)量；②編碼的好壞直接影響著能否按照所設(shè)計(jì)的目標(biāo)進(jìn)行雜交；③編碼的好壞不僅直接影響解空間的大小，而且與DNA計(jì)算機(jī)能否深入發(fā)展息息相關(guān)；④當(dāng)前DNA計(jì)算的一個(gè)主要的難點(diǎn)是解的檢測(cè)問(wèn)題。隨著DNA 計(jì)算研究的逐漸深入，編碼問(wèn)題的重要性愈加凸顯。因?yàn)樗谝欢ǔ潭壬蠜Q定著DNA 計(jì)算模式的未來(lái)走向。

3、 由于DNA計(jì)算編碼問(wèn)題實(shí)質(zhì)上屬于NP問(wèn)題，目前的編碼方法還無(wú)法很好地滿足特定DNA計(jì)算模型的實(shí)際要求。根據(jù)DNA計(jì)算中編碼問(wèn)題的定義，一個(gè)好的DNA編碼序列應(yīng)滿足①雜交反應(yīng)的特異性，即確保隨后所進(jìn)行的生化反應(yīng)為特異性雜交；②產(chǎn)物的可擴(kuò)增性，即反應(yīng)產(chǎn)物可進(jìn)行可控的PCR反應(yīng)；③解的穩(wěn)定性和解空間的可檢測(cè)性,即要求解空間穩(wěn)定可靠等三個(gè)約束條件。所以，一套相對(duì)完善的用于DNA計(jì)算的編碼序列設(shè)計(jì)方案應(yīng)綜合考慮上述三個(gè)約束條件。因此，如何選擇高

4、質(zhì)量的編碼來(lái)最大限度避免計(jì)算過(guò)程中假陽(yáng)性的出現(xiàn)就成為一個(gè)非常迫切和重要的問(wèn)題。 從分子生物學(xué)角度看，編碼序列的存在形式?jīng)Q定于DNA 序列自身的物理化學(xué)屬性，而編碼序列的熱力學(xué)屬性則是后續(xù)生物化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力源泉?；诖?，本文在對(duì)DNA計(jì)算中編碼問(wèn)題的產(chǎn)生背景和主要研究進(jìn)展做了簡(jiǎn)單介紹，并進(jìn)一步綜合分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及到DNA設(shè)計(jì)基本原則的基礎(chǔ)上，較為系統(tǒng)地研究適用于DNA計(jì)算的較短的DNA序列的熱力學(xué)屬性和物理化學(xué)屬性，探求各約束條

5、件之間的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)其進(jìn)行整體優(yōu)化組合，構(gòu)建了計(jì)算DNA編碼序列的通用設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)包括：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)策略、編碼生成軟件以及編碼序列評(píng)價(jià)體系等。并以此為指導(dǎo)在生化實(shí)驗(yàn)室中用于解決圖與優(yōu)化組合中的某些實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)解決這些問(wèn)題，對(duì)原編碼方案進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化與完善。在此基礎(chǔ)上，以重組DNA技術(shù)作為技術(shù)基礎(chǔ)，以DNA計(jì)算理論研究中較為成功的，有較好發(fā)展前景的粘貼模型作為信息編碼工具，提出了一種新的基于粘貼DNA計(jì)算模型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的實(shí)