質(zhì)粒dna計算模型的研究

1、<p>　　質(zhì)粒DNA計算模型的研究</p><p>　　摘要：介紹了一種以非線性的閉環(huán)質(zhì)粒為基礎的DNA計算模型，被用于計算的質(zhì)粒都有一個獨特的DNA插入片斷，所有的片斷保持在相應的限制性內(nèi)切位點，用剪切與粘貼操作完成DNA計算過程。目的是簡化DNA計算過程及其模型。另外，還介紹了質(zhì)粒DNA計算模型的基本思想和對應的數(shù)學描寫，該模型的計算以及應用還需要以后繼續(xù)研究。 </p><p

2、>　　關鍵詞：DNA計算；質(zhì)粒；質(zhì)粒模型 </p><p>　　中圖分類號：TP301文獻標志碼：A </p><p>　　1994年，文獻[1]突破了傳統(tǒng)計算機結構體系的束縛，第一次運用現(xiàn)代分子生物學技術，在試管中進行了DNA的實驗，成功地利用線性DNA分子解決了一個有方向圖的哈密爾頓路問題（Hamiltonian Path Problem，HPP），通過退火和連接的方法，從適當長

3、度的分子中得到解。因為他首次提出DNA計算的方法來解決NP-完全問題，開辟了解決NP-完全問題的一個新領域，因此在國際上引起了巨大轟動，從此以后研究者不懈的探索，將DNA和其它的生物分子應用到計算過程中[2]。 </p><p>　　本文主要研究對象是非線性結構的閉環(huán)DNA，也就是質(zhì)粒DNA，文獻[3]用質(zhì)粒代替線性DNA解答了具有六個頂點的最大獨立集問題。基因工程是現(xiàn)在科學研究的一個重要范圍，但質(zhì)粒作為基因工程

4、里重要的載體，對質(zhì)粒DNA的研究將會有很大促進，也將有效的幫助以質(zhì)粒DNA為基礎的計算模型的研究。 </p><p>　　1質(zhì)粒DNA計算的生物學模型 </p><p>　　1.1質(zhì)粒DNA分子 </p><p>　　質(zhì)粒是一種非常受人關注的亞細胞有機體，其構成比病毒更加簡略，不但不具有蛋白質(zhì)外殼，也不具有細胞外的生命周期，僅僅能在寄主細胞內(nèi)單獨地擴增，然后跟隨寄主

5、細胞的分裂而一起遺傳下去[4]。質(zhì)粒擁有自復制能力和轉錄能力，能夠讓子代的細胞維持穩(wěn)定的復制數(shù)目，可以傳達質(zhì)粒帶有的遺傳信息。因為質(zhì)粒本身是單獨的，并且是穩(wěn)固的，所以它以后會成為一種優(yōu)良的生物計算載體。 </p><p>　　目前DNA計算中采用的質(zhì)粒是一種游離在細菌染色體之外的閉環(huán)狀的雙鏈DNA分子，其大小從1kB至200kB各不相同。實驗室中用于重組DNA技術的質(zhì)粒是經(jīng)過改造的，質(zhì)粒DNA的編碼中，能夠作為基

6、因克隆介質(zhì)的一切質(zhì)粒DNA，都一定具有以下三種相同的組成結構：復制子結構、選擇性記號和克隆位點。這里的復制子結構有一個復制起始位點、調(diào)控基因和一些復制子編碼基因，這些基因通常是： ①產(chǎn)生抗菌素； ②抵制抗菌素； ③降解有機化合物；④產(chǎn)生大腸菌素；⑤產(chǎn)生內(nèi)毒素；⑥產(chǎn)生限制或者修飾性的酶等[5]?？寺∥稽c主要是多克隆位點，含有許多單一限制性酶切位點，外源DNA可以在特定位置插入。質(zhì)粒結構如圖1所示。 </p><p>

7、;<b>　　3結論 </b></p><p>　　該模型不需要實現(xiàn)合成指數(shù)級的解空間，可以較充分地反應DNA計算高度的并行性，與線性的DNA分子相比較，質(zhì)粒DNA每進行一次限制性內(nèi)切酶的剪切操作以后，又立刻連成了閉環(huán)狀的DNA，因此能夠保證其它酶不會干擾到計算過程，這樣的話，計算的結果會比較精確并且相對穩(wěn)固。 在整個的計算過程中，質(zhì)粒體一直都是雙鏈DNA形式，不會有單鏈的DNA的發(fā)夾結構，

8、把編碼之后的DNA插入到閉環(huán)狀質(zhì)粒中方便了剪切操作；每次修改質(zhì)粒后，其長度肯定會發(fā)生變化，用凝膠電泳檢測，沒有復雜的自身退火單鏈DNA或PCR擴增步驟帶來的麻煩，這樣可以讓所使用的DNA保持原有的特性。在復制和轉錄的過程中，不把DNA分裂成較長的單鏈分子，相反地，DNA的小部分被打開并受到相關蛋白質(zhì)周密地控制，這樣可以阻止退火在DNA計算中以某些顯存形式出現(xiàn)。 </p><p>　　但是質(zhì)粒DNA在插入外源核苷酸

9、序列以前很可能會出現(xiàn)自環(huán)現(xiàn)象，而且若有不唯一的識別位點，片段有可能在載體的任意位點插入，只要能生成對應末端，并且這中序列的分離只能用相鄰片段的剪切操作來完成，因此用于質(zhì)粒計算中的初始載體有很高的要求。與此同時，計算過程中水溶液作為存儲器需要不斷的混合、分離，手工完成相對繁雜，如果能用其他有效的方法在特定的位置上進行修改，這樣將在很大程度上提高計算效率。另外，質(zhì)粒計算模型中所需要的酶的種類是線性增加的，而目前為止所發(fā)現(xiàn)的酶的種類是有限的，

10、這將是質(zhì)粒計算模型的瓶頸。質(zhì)粒DNA在解決組合優(yōu)化問題等領域具有明顯的優(yōu)勢，有待進一步研究。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]ADLEMAN L.Molecular computation of solution to combinatorial problems [J].Science，1994，66（11）：1 021

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