DNA计算与DNA纳米技术

随着后摩尔时代的到来,传统硅基计算机的发展已经濒临极限,人们迫切需要发展新的计算技术满足科技与生活的需要。由于具有超强的并行运算能力和杰出的数据存储能力,DNA计算成为新型计算机技术的一个重要分支和热门研究对象。蓬勃发展的DNA纳米技术为DNA计算提供了新的发展平台。该文首先对DNA纳米技术进行简要介绍,然后按照DNA逻辑门、DNA级联逻辑回路、智能DNA分子机器的顺序对DNA计算的发展进行论述和展望。     

DNA密码与DNA计算及应用

DNA密码是目前新兴的一个前沿研究方向,是传统密码技术的潜在替代途径之一,它以DNA为信息载体,以现代生物学技术为实现工具,挖掘DNA固有的高存储密度、高并行性等优点,实现加密、认证、签名等密码学功能.本文从信息安全的角度入手,首先分析了DNA密码的研究方向、研究现状及其发展特点,然后探讨了DNA计算在信息安全技术中的应用及其对现代密码体制的影响,最后对DNA密码和DNA计算将来的发展方向进行了总结和展望.     

基于DNA链置换的三级联组合分子逻辑电路设计

DNA计算研究内容繁多复杂,DNA复杂逻辑电路的搭建属于DNA计算的一个重要研究分支,其中逻辑门的构建属于DNA复杂逻辑电路搭建的基础研究,设计出更为简单的逻辑门可以为研究者搭建复杂电路提供参考,节省基础研究的宝贵时间。针对上述问题,该文利用使能控制端思想,采用DNA链置换技术,设计了与或、与非或非和异或同或3种DNA组合逻辑门。结果显示,设计的3种组合逻辑门可实现6种逻辑运算功能,并利用所构建的组合逻辑门成功构造了多级联组合分子逻辑电路,为DNA计算提供了更多的解决方案,促进了DNA计算机的发展。     

DNA计算的研究进展与展望

DNA计算是一种模拟生物分子DNA的结构并借助于分子生物技术进行计算的新方法,它开创了以化学反应作为计算工具的先例,为NP-完全问题的解决提供了一种全新的途径,具有广阔的应用前景.DNA计算的两个主要特点是计算的高度并行性和巨大的信息存储容量.本文首先介绍了DNA计算的基本思想;然后综述了DNA算例及其模型;分析了DNA计算的特点及其与遗传算法的类比关系;指出了DNA计算目前存在的问题;最后对DNA计算的发展前景进行展望.     

关于DNA分子计算机的研究

DNA分子计算机是一种生物化学计算机,具有高度并行性、大容量、低能耗的特点。目前关于DNA分子计算机的研究主要是抽象的计算模型和原理性的试验。介绍了DNA分子的组成、置换DNA分子链中部分碱基序列的生物置换操作方法和DNA图灵机的结构,提出了DNA逻辑运算器,并应用活性DNA分子完成逻辑运算。     

DNA Golay码的设计与分析

 DNA编码是DNA计算初始数据库中寡核苷酸序列的设计问题.合理的DNA编码可以提高实验的稳定性和正确性,从而确保DNA计算的成功率.本文给出DNA码字重量和DNA码字间Watson-Crick Hamming距离的定义;提出DNA Golay码的设计方法;分析了DNA Golay码的性质和规模;与随机搜索优码方法相比,DNA Golay码求解优码更加简单可行.     

DNA计算的研究与尚待解决的问题

DNA计算和DNA计算机是目前世界上研究的热点问题，文章介绍了DNA计算及其应用的研究，分析了DNA计算存在的问题与急待解决的问题。     

图3-着色问题的O链数DNA计算机算法

随着DNA计算的不断发展,如何克服穷举算法带来的指数爆炸问题已成为DNA计算领域的重要研究目标之一.为减少图3-着色问题DNA计算机算法中的DNA链数,本文将Adleman-Lipton模型生物操作与粘贴模型解空间相结合的DNA计算模型进行扩展,通过设计顶点着色器、稀疏图/稠密图搜索器,提出一种用于求解图3-着色问题的DNA计算模型与算法.将本算法与同类算法对比分析表明:本算法在保持多项式操作时间的条件下,将求解n个顶点的图3-着色问题所需DNA分子链数从O(3ⁿ)减少至O(2ⁿ),改进了3-着色问题同类文献的研究结果.     

DNA计算编码研究及其算法

编码问题仍是目前DNA计算中的重点和难点之一,实践证明通过有效的编码设计能够提高DNA计算过程中可靠性.本文介绍了约束条件的生物学特性,分析了约束条件与编码数量的关系,并给出编码的计数公式.文中设计了一种基于三字母表{A,T,C}的线性码的编码构造算法,并对运行结果进行了比较分析,同时分析了结果编码的热力学性质.最后指出DNA计算编码存在的问题及下一步的研究方向.     

二元DNA Hamming码的设计及分析

DNA计算作为一种新的计算模式,有着强大的计算能力。实验表明,有效的编码可以提高DNA计算的可靠性,从而保证DNA计算的成功率。二元Hamming码是一类达到Hamming界的好码,也是仅有的两类完全码中的一类。文中基于纠错码编码理论给出了二元DNA Hamming码的设计过程,并进一步分析了所设计的二元DNA Hamming码的性质及其优点。     

DNA密码中的DNA编码技术

DNA密码是目前新兴的一个前沿研究方向。文章阐述了DNA计算在密码学中几个方面的应用,探讨了DNA编码问题及限制条件,特别是从用DNA计算解决密码学中的一个组合问题的实验步骤中分析了DNA编码的质量,提出了更好的编码。     

0-1规划问题的DNA计算

DNA计算是解决一类难以计算问题的一种新方法，这种计算随着问题的增大可以呈指数增长。迄今为止，许多研究成果已经成功地提高了它的性能和增加了它的可行性，该文提出了在基于表面的DNA计算中采用了荧光标记策略，解决简单的0-1规划问题的一种理论方案，尝试了DNA计算在规划问题中的应用。这种方法具有编码简单，耗材底、操作时间短、技术先进等特点。     

DNA Computing Boosted by a Cationic Copolymer

The huge information storage capability of DNA and its ability to self‐assemble can be harnessed to enable massively parallel computing in a small space. DNA‐based logic gates are designed that rely on DNA strand displacement reactions; however, computation is slow due to time‐consuming DNA reassembly processes and prone to failure as DNA is susceptible to degradation by nucleases and under certain solution conditions. Here, it is shown that the presence of a cationic copolymer boosts the speed of DNA logic gate operations that involve multiple and parallel strand displacement reactions. Two kinds of DNA molecular operations, one based on a translator gate and one on a seesaw gate, are successfully enhanced by the copolymer without tuning of computing conditions or DNA sequences. The copolymer markedly reduces operation times from hours to minutes. Moreover, the copolymer enhances nuclease resistance.     

DNA编码的计算机筛选策略研究

1994年,Adleman提出了使用DNA分子进行计算的模型并通过实验得到了验证,昭示了这一新方法在大规模并行计算和数据存储中使用的广阔前景。然而,至今仍有很多影响其投入实际使用的关键问题未能得到很好地解决,DNA编码问题便是其中之一。文中分析了DNA编码中存在的限制条件,提出了使用计算机筛选DNA编码的思路,并使用计算机筛选出的DNA编码开展了分子生物学实验,旨在提供计算机快速有效筛选DNA编码的方法。     

TSP的DNA算法

由于Adleman和Lipton的开创性工作,最近DNA计算引起了人们的极大兴趣,他们提出的分子算法解决了图形的表示方法,但是没有给出如何处理图中节点的弧线的信息。本文的目的是通过提出在图中城市间的距离用简单的弧线代表,延伸了Adleman和Lipton提出的基本的分子算法。并提出只有当算法步骤由当前的需要人工干预被可执行的可在试管中操作的DNA链代替,解决计算难题的真正可行DNA计算可以实现。该算法的创新之处在于表示城市和路径的DNA链长度的设计,能使我们在合理的范围内寻找旅行商问题的解,较大地简化了问题的复杂度。     

最小顶点覆盖问题的改进粘贴模型

DNA计算是一种模拟生物分子DNA的结构并借助于分子生物技术进行计算的新方法。它开创了以化学 反应作为计算工具的先例,具有广阔的应用前景。本文简单回顾了DNA计算的发展,并简要介绍了分子计算的一 种模型--粘贴模型。最后我们利用粘贴模型的基本原理,运用荧光标记技术,提出了最小顶点覆盖问题的表面技 术解决方案。