基于三鏈核酸與基因傳感器DNA計(jì)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(jì)算方法成功地求解有向圖的Hamilton 有向路問(wèn)題以來(lái)，一個(gè)全新的研究領(lǐng)域——DNA 計(jì)算產(chǎn)生了。 由于DNA 計(jì)算機(jī)具有的巨大并行性/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。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(duì)DNA 計(jì)算及其模型生物實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的某些問(wèn)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(jìn)行計(jì)算以降低編碼的復(fù)雜度，并減少計(jì)算的錯(cuò)誤。同時(shí)將壓電基因傳感器技術(shù)引入DNA 計(jì)算，與以往的表面DNA 計(jì)算模型比較，顯示了基于壓電基因傳感器DNA 計(jì)算的優(yōu)越性及意義。 一般來(lái)講在DNA 計(jì)算中，信息是以線(xiàn)性DNA 序列為載體并通過(guò)DNA 分子間的特異性雜交來(lái)完成信息的處理的，因此，DNA 計(jì)算首要的問(wèn)題就是DNA 序列的編碼問(wèn)題。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(mǎn)足特定DNA 計(jì)

3、算模型的實(shí)際要求。本文首先介紹了基于k-臂DNA 分子的三維DNA 計(jì)算模型，用它解決圖的連通度問(wèn)題在一定程度上降低了編碼的復(fù)雜度，但是由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的制約基于這一DNA 結(jié)構(gòu)的計(jì)算在具體實(shí)現(xiàn)上有極大的困難。2002年，Braich 等人利用Sticker 模型設(shè)計(jì)了一種半自動(dòng)化裝置，解決了一個(gè)20 個(gè)變量的3-可滿(mǎn)足性問(wèn)題。為了減少計(jì)算所產(chǎn)生的錯(cuò)誤他們?cè)诰幋a時(shí)給出了7 個(gè)約束條件，這使編碼相當(dāng)復(fù)雜。參考這種DNA 計(jì)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(mǎn)足性問(wèn)題的DNA 計(jì)算模型。由于Rec-A 包裹的寡聚核苷酸探針不會(huì)產(chǎn)生發(fā)卡結(jié)構(gòu)，同時(shí)它們之間不會(huì)發(fā)生非特異性雜交，而構(gòu)成解空間的雙鏈DNA 也不會(huì)有發(fā)卡結(jié)構(gòu)和非特異性雜交，因此編碼時(shí)主要強(qiáng)調(diào)表示變量的DNA 序列的特異性。這樣編碼的復(fù)雜度會(huì)有較大的降低，同時(shí)計(jì)算過(guò)程的錯(cuò)誤也會(huì)減少。結(jié)合具體的一個(gè)可滿(mǎn)足性問(wèn)題對(duì)這一DNA 計(jì)算模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)它在一

5、定程度上是可行的。 DNA 計(jì)算離不開(kāi)生化反應(yīng)，并且在很大程度上依賴(lài)于生物技術(shù)的進(jìn)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(duì)信息的處理和DNA 計(jì)算上有諸多相似之處。本文比較了以前用DNA 計(jì)算解決整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題研究中，基于表面的幾個(gè)DNA 計(jì)算模型，建立了基于壓電基因傳感器的0-1 規(guī)劃及一類(lèi)特殊整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題的DNA 計(jì)算模型。通過(guò)比較，顯示基于壓電基因傳感器解決整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題的優(yōu)越性，指出基于壓電基因傳感器的DNA

6、計(jì)算的真正意義在于更便于構(gòu)建自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)器。另外，我們指出壓電基因傳感器技術(shù)可以用來(lái)構(gòu)建DNA 計(jì)算的縮微芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-chip）。它是將溶液計(jì)算的高度并行和高存儲(chǔ)性，表面計(jì)算的高自動(dòng)化程度等優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合的產(chǎn)物，用它可能會(huì)解決更復(fù)雜的NP-完全問(wèn)題。 目前DNA 計(jì)算領(lǐng)域所關(guān)注的焦點(diǎn)在于能否解決現(xiàn)實(shí)中的難計(jì)算問(wèn)題。由于生物技術(shù)的制約，進(jìn)行計(jì)算時(shí)無(wú)法獲得極大的反應(yīng)規(guī)模，而影響計(jì)算效率和結(jié)果的編碼問(wèn)題，解空間指數(shù)爆炸問(wèn)題

7、，計(jì)算中解的提取問(wèn)題也都沒(méi)有很好的解決。這些都成為制約DNA 計(jì)算發(fā)展的瓶頸。為了突破這一瓶頸，我們針對(duì)用于DNA 計(jì)算的生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了探索和開(kāi)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(jì)算模型，盡管用它們還沒(méi)有解決實(shí)際的難計(jì)算問(wèn)題，但兩類(lèi)模型都在一定程度上解決了一些瓶頸問(wèn)題，特別是后者具有自動(dòng)化，微型和高通量分析的特征。我們認(rèn)為通過(guò)將前沿的生物技術(shù)和計(jì)算的新形式相互結(jié)合，探索構(gòu)建自動(dòng)化的