DNA計算編碼序列的設(shè)計、評價與應(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計算方法求解有向圖的Hamilton有向路問題，標(biāo)志著一個全新的研究領(lǐng)域——DNA計算的隨之產(chǎn)生。由于DNA計算機具有的巨并行性、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。 在DNA計算中，信息是以DNA序列為載體并通過

2、DNA分子間的特異性雜交來完成信息處理的。十年來的研究表明，編碼問題是整個DNA計算機研制中最為核心的問題。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)計的目標(biāo)進行雜交；③編碼的好壞不僅直接影響解空間的大小，而且與DNA計算機能否深入發(fā)展息息相關(guān)；④當(dāng)前DNA計算的一個主要的難點是解的檢測問題。隨著DNA 計算研究的逐漸深入，編碼問題的重要性愈加凸顯。因為它在一定程度上決定著DNA 計算模式的未來走向。

3、 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計算模型的實際要求。根據(jù)DNA計算中編碼問題的定義，一個好的DNA編碼序列應(yīng)滿足①雜交反應(yīng)的特異性，即確保隨后所進行的生化反應(yīng)為特異性雜交；②產(chǎn)物的可擴增性，即反應(yīng)產(chǎn)物可進行可控的PCR反應(yīng)；③解的穩(wěn)定性和解空間的可檢測性,即要求解空間穩(wěn)定可靠等三個約束條件。所以，一套相對完善的用于DNA計算的編碼序列設(shè)計方案應(yīng)綜合考慮上述三個約束條件。因此，如何選擇高

4、質(zhì)量的編碼來最大限度避免計算過程中假陽性的出現(xiàn)就成為一個非常迫切和重要的問題。 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)的動力源泉。基于此，本文在對DNA計算中編碼問題的產(chǎn)生背景和主要研究進展做了簡單介紹，并進一步綜合分子生物學(xué)實驗涉及到DNA設(shè)計基本原則的基礎(chǔ)上，較為系統(tǒng)地研究適用于DNA計算的較短的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，對其進行整體優(yōu)化組合，構(gòu)建了計算DNA編碼序列的通用設(shè)計平臺，該平臺包括：設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計策略、編碼生成軟件以及編碼序列評價體系等。并以此為指導(dǎo)在生化實驗室中用于解決圖與優(yōu)化組合中的某些實際問題。通過解決這些問題，對原編碼方案進行了進一步的優(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計算模型的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的實