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摘要：国际上，DNA计算机的研究持续的“热点”。同样在其他方面有广泛应用。未来主要在三方向发展与突破。一是DNA计算的通用语言设计，能够提供方法性；二所谓软计算，结合其他计算模型方法，例如与神经网络模型的结合。三与分子生物学发展密切结合，解决自身实际能力问题。
关键词：DNA计算 ＤＮＡ算法设计 DNA计算机
DNA calculates and applies
Ye SongYe Zi
Abstract:On international,the DNA computer research continues “the hot spot”.Similarly has the widespread application in other aspects.Future mainly in tripartite to development and breakthrough.One is the DNA computation general purpose language design,can provide the method; Two so-called soft computations,unifies other computation model method,for example and neural network model union.Three with the molecular biology development close union,solves own virtual rating problem.
Keywords:DNA computation DNA algorithm design DNA computer
【中图分类号】R-1 【文献标识码】a 【文章编号】1008-1879(2010)12-0008-01
1 DNA计算产生的背景
1946年，世界上第一台数字电子计算机ENIAC在美国的宾夕法尼亚大学诞生。从此，电子计算机经历了从电子管（1946－1956）、晶体管（1957－1964）、集成电路（1965－1970）到超大规模集成电路（1971－至今）四个发展阶段。但是，量子理论已经揭示出计算机芯片制造的物理极限尺寸-0.08微米。然而，1994年在美国加利福尼亚大学的Adleman博士利用DNA分子序列计算NP完全问题方法带给发展新型计算机的曙光［１］，美国、加拿大、英国、波兰、德国、以色列等国家的著名研究机构和大学都相继开展了这一领域的研究工作，我国在此方面的研究工作也已经展开，主要研究基地之一，华中科技大学许进教授领导的IDNA计算和分子计算机研究所。进行DNA计算系统的探索和研究，基于DNA芯片的DNA计算研究探索和分子生物计算中的膜计算研究。此外，国内还有东华大学和其他一些研究人员从事这方面的研究，但是大部分的结果都是综述性的。
2 DNA计算的生物学基础
DNA计算的本质是对其分子序列的各种操作完成问题的编码描述与算法设计和实际生物技术模型来完成。因此每一个问题解决，都是小小DNA计算机模型的一次运行［2，4］。具体生物操作包括下列几方面：
2.1 DNA分子序列双链分离与结合复性,经设定温度加热与冷却完成,通常在聚合酶链式反应（PCR）检测中进行。
2.2 DNA序列链的切割与连接；分别由于内、外切酶与连接酶完成。
2.3 DNA序列长度与序列组成测量；聚合酶序列延长与Sanger末端终止方法测序及凝胶电泳技术确定序列长短。
2.4 DNA序列复制与重组标志，由PCR完成及荧光探针标志等。
3 ＤＮＡ算法的生物模型
任何算法设计最终是依靠生物分子操作的执行并由实际的生物技术与方法完成。不同的操作技术与方法决定其计算的体系模型的不同。因此根据问题选择需要的构造体系是关键。一般生物模型由下列分子计算组件构成［9］：
3.1 描述方式与结构，选择双链或者三链DNA分子序列［10］；
3.2 选择操作表示计算内容模式，如粘贴与剪切方式不同,对于序列切割与分离的酶的选择不同［2］。
3.3 结果识别与分离，分子信标，荧光探针序列的选择［7］。
3.4 结果解或者答案的提取技术组件。其中PCR与凝胶电泳技术是必要的手段。
4 前景
国际上，DNA计算机的研究持续的“热点”［8］。例如2001年11月，以色列的Weizmann研究所的Shapiro研制出由DNA分子和酶分子构成的生物计算机，它实质上是一种半自动化的可编程的有穷自动机。2002年2月，Suyama等研制出一台用于基因表达分析的DNA计算机。同样在其他方面有广泛应用。未来主要在三方向发展与突破。一是DNA计算的通用语言设计，能够提供方法性［4，11］；二所谓软计算，结合其他计算模型方法，例如与神经网络模型的结合［12，13］。三与分子生物学发展密切结合，解决自身实际能力问题［5，12］，例如ＤＮＡ算法的实际准确性与误差的限制，以及对生物学的反馈应用。
参考文献
［1］ Adleman L. Molecular Computation of Solution to Combinatorial problems. Science. 1994,66 (11):1021-1024
［2］ 许进，王淑栋，潘强林（译）.DNA计算［M］,北京,清华大学出版社
［3］ 2004. 殷志祥，图与组合优化中的DNA计算. 科学出版社,2004
［4］ 王翼飞.计算分子生物学［M］.北京,化学工业出版社,2004
［5］ 孟大志，曹海萍. DNA计算与生物数学. 生物物理学报. 2002，18（2）：163－174
［6］ 李源,方辰,欧阳颀. 最大集团问题的DNA计算机进化算法. 科学通报,2004,49（5）：439-443
［7］ 张永有,程金平,朱艳冰. 分子信标及其应用研究进展,生命的化学,2002,2
［8］ Suyama A. et al. DNA Chips- Intergrated Chemical Circuits for DNA Diagnosis and DNA computers. Proc. 3rd International Micromachine Symp,1997:7-12
［9］ Head T,Kaolan P. D,Bladergroen R. R,et al. Computing with DNA by operating on plasmids. Biosystem,2000,57:87-93
［10］ 杨静，殷志强.基于抗原中介三链DNA结构的0-1整数规划.计算机工程与应用,2008,44(2):76-79
［11］ 黄育潜.DNA计算的基本代数原理(一)计算机学报,2008,3311(3):353-371
［12］ 刘文斌，朱翔鸥，刘向荣.基于BP神经网络的DNA解链温度预测模型. 计算机工程与应用,2006,42(10):1-4
［13］ 李艳，刘西奎.模糊神经网络的DNA算法训练.小型计算机系统,2006,27(7):1270-1274
关键词：DNA计算 ＤＮＡ算法设计 DNA计算机
DNA calculates and applies
Ye SongYe Zi
Abstract:On international,the DNA computer research continues “the hot spot”.Similarly has the widespread application in other aspects.Future mainly in tripartite to development and breakthrough.One is the DNA computation general purpose language design,can provide the method; Two so-called soft computations,unifies other computation model method,for example and neural network model union.Three with the molecular biology development close union,solves own virtual rating problem.
Keywords:DNA computation DNA algorithm design DNA computer
【中图分类号】R-1 【文献标识码】a 【文章编号】1008-1879(2010)12-0008-01
1 DNA计算产生的背景
1946年，世界上第一台数字电子计算机ENIAC在美国的宾夕法尼亚大学诞生。从此，电子计算机经历了从电子管（1946－1956）、晶体管（1957－1964）、集成电路（1965－1970）到超大规模集成电路（1971－至今）四个发展阶段。但是，量子理论已经揭示出计算机芯片制造的物理极限尺寸-0.08微米。然而，1994年在美国加利福尼亚大学的Adleman博士利用DNA分子序列计算NP完全问题方法带给发展新型计算机的曙光［１］，美国、加拿大、英国、波兰、德国、以色列等国家的著名研究机构和大学都相继开展了这一领域的研究工作，我国在此方面的研究工作也已经展开，主要研究基地之一，华中科技大学许进教授领导的IDNA计算和分子计算机研究所。进行DNA计算系统的探索和研究，基于DNA芯片的DNA计算研究探索和分子生物计算中的膜计算研究。此外，国内还有东华大学和其他一些研究人员从事这方面的研究，但是大部分的结果都是综述性的。
2 DNA计算的生物学基础
DNA计算的本质是对其分子序列的各种操作完成问题的编码描述与算法设计和实际生物技术模型来完成。因此每一个问题解决，都是小小DNA计算机模型的一次运行［2，4］。具体生物操作包括下列几方面：
2.1 DNA分子序列双链分离与结合复性,经设定温度加热与冷却完成,通常在聚合酶链式反应（PCR）检测中进行。
2.2 DNA序列链的切割与连接；分别由于内、外切酶与连接酶完成。
2.3 DNA序列长度与序列组成测量；聚合酶序列延长与Sanger末端终止方法测序及凝胶电泳技术确定序列长短。
2.4 DNA序列复制与重组标志，由PCR完成及荧光探针标志等。
3 ＤＮＡ算法的生物模型
任何算法设计最终是依靠生物分子操作的执行并由实际的生物技术与方法完成。不同的操作技术与方法决定其计算的体系模型的不同。因此根据问题选择需要的构造体系是关键。一般生物模型由下列分子计算组件构成［9］：
3.1 描述方式与结构，选择双链或者三链DNA分子序列［10］；
3.2 选择操作表示计算内容模式，如粘贴与剪切方式不同,对于序列切割与分离的酶的选择不同［2］。
3.3 结果识别与分离，分子信标，荧光探针序列的选择［7］。
3.4 结果解或者答案的提取技术组件。其中PCR与凝胶电泳技术是必要的手段。
4 前景
国际上，DNA计算机的研究持续的“热点”［8］。例如2001年11月，以色列的Weizmann研究所的Shapiro研制出由DNA分子和酶分子构成的生物计算机，它实质上是一种半自动化的可编程的有穷自动机。2002年2月，Suyama等研制出一台用于基因表达分析的DNA计算机。同样在其他方面有广泛应用。未来主要在三方向发展与突破。一是DNA计算的通用语言设计，能够提供方法性［4，11］；二所谓软计算，结合其他计算模型方法，例如与神经网络模型的结合［12，13］。三与分子生物学发展密切结合，解决自身实际能力问题［5，12］，例如ＤＮＡ算法的实际准确性与误差的限制，以及对生物学的反馈应用。
参考文献
［1］ Adleman L. Molecular Computation of Solution to Combinatorial problems. Science. 1994,66 (11):1021-1024
［2］ 许进，王淑栋，潘强林（译）.DNA计算［M］,北京,清华大学出版社
［3］ 2004. 殷志祥，图与组合优化中的DNA计算. 科学出版社,2004
［4］ 王翼飞.计算分子生物学［M］.北京,化学工业出版社,2004
［5］ 孟大志，曹海萍. DNA计算与生物数学. 生物物理学报. 2002，18（2）：163－174
［6］ 李源,方辰,欧阳颀. 最大集团问题的DNA计算机进化算法. 科学通报,2004,49（5）：439-443
［7］ 张永有,程金平,朱艳冰. 分子信标及其应用研究进展,生命的化学,2002,2
［8］ Suyama A. et al. DNA Chips- Intergrated Chemical Circuits for DNA Diagnosis and DNA computers. Proc. 3rd International Micromachine Symp,1997:7-12
［9］ Head T,Kaolan P. D,Bladergroen R. R,et al. Computing with DNA by operating on plasmids. Biosystem,2000,57:87-93
［10］ 杨静，殷志强.基于抗原中介三链DNA结构的0-1整数规划.计算机工程与应用,2008,44(2):76-79
［11］ 黄育潜.DNA计算的基本代数原理(一)计算机学报,2008,3311(3):353-371
［12］ 刘文斌，朱翔鸥，刘向荣.基于BP神经网络的DNA解链温度预测模型. 计算机工程与应用,2006,42(10):1-4
［13］ 李艳，刘西奎.模糊神经网络的DNA算法训练.小型计算机系统,2006,27(7):1270-1274