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《华中科技大学》 2006年
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基于三链核酸与基因传感器DNA计算研究与探索

方刚  
【摘要】: 自从Adleman博士于1994年在Science上发表文章,用DNA计算方法成功地求解有向图的Hamilton有向路问题以来,一个全新的研究领域——DNA计算产生了。由于DNA计算机具有的巨大并行性、海量存储以及低能耗等特点,该领域的研究引起了众多学者的关注。本文结合生物学的研究方法和新兴的压电基因传感器技术,对DNA计算及其模型生物实现过程中的某些问题做了初步地探讨。利用Rec-A蛋白介导生成的三链核酸结构进行计算以降低编码的复杂度,并减少计算的错误。同时将压电基因传感器技术引入DNA计算,与以往的表面DNA计算模型比较,显示了基于压电基因传感器DNA计算的优越性及意义。 一般来讲在DNA计算中,信息是以线性DNA序列为载体并通过DNA分子间的特异性杂交来完成信息的处理的,因此,DNA计算首要的问题就是DNA序列的编码问题。由于DNA计算编码问题实质上属于NP问题,目前的编码方法还无法很好地满足特定DNA计算模型的实际要求。本文首先介绍了基于k-臂DNA分子的三维DNA计算模型,用它解决图的连通度问题在一定程度上降低了编码的复杂度,但是由于实验技术的制约基于这一DNA结构的计算在具体实现上有极大的困难。2002年,Braich等人利用Sticker模型设计了一种半自动化装置,解决了一个20个变量的3-可满足性问题。为了减少计算所产生的错误他们在编码时给出了7个约束条件,这使编码相当复杂。参考这种DNA计算方法及Sticker模型,本文提出用一种新的分子结构--Rec-A蛋白介导生成的三链核酸解决可满足性问题的DNA计算模型。由于Rec-A包裹的寡聚核苷酸探针不会产生发卡结构,同时它们之间不会发生非特异性杂交,而构成解空间的双链DNA也不会有发卡结构和非特异性杂交,因此编码时主要强调表示变量的DNA序列的特异性。这样编码的复杂度会有较大的降低,同时计算过程的错误也会减少。结合具体的一个可满足性问题对这一DNA计算模型进行了实验验证,证实它在一定程度上是可行的。 DNA计算离不开生化反应,并且在很大程度上依赖于生物技术的进步,而代表生物技术前沿的生物芯片和生物传感器技术,在对信息的处理和DNA计算上有诸多相似之处。本文比较了以前用DNA计算解决整数规划问题研究中,基于表面的几个DNA计算模型,建立了基于压电基因传感器的0-1规划及一类特殊整数规划问题的DNA计算模型。通过比较,显示基于压电基因传感器解决整数规划问题的优越性,指出基于压电基因传感器的DNA计算的真正意义在于更便于构建自动化的计算机器。另外,我们指出压电基因传感器技术可以用来构建DNA计算的缩微芯片实验室(Lab-on-chip)。它是将溶液计算的高度并行和高存储性,表面计算的高自动化程度等优点相结合的产物,用它可能会解决更复杂的NP-完全问题。 目前DNA计算领域所关注的焦点在于能否解决现实中的难计算问题。由于生物技术的制约,进行计算时无法获得极大的反应规模,而影响计算效率和结果的编码问题,解空间指数爆炸问题,计算中解的提取问题也都没有很好的解决。这些都成为制约DNA计算发展的瓶颈。为了突破这一瓶颈,我们针对用于DNA计算的生物实验技术进行了探索和开发。我们利用Rec-A蛋白介导的三链核酸及新兴的压电基因传感器技术构建了新的DNA计算模型,尽管用它们还没有解决实际的难计算问题,但两类模型都在一定程度上解决了一些瓶颈问题,特别是后者具有自动化,微型和高通量分析的特征。我们认为通过将前沿的生物技术和计算的新形式相互结合,探索构建自动化的微型DNA计算机将有助于DNA计算的发展,同时也会促进生物前沿技术的进一步发展。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TP212.3

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