单位文秘网 2021-07-08 08:17:10 点击: 次
摘要:近年来,基于生化反应机理的DNA计算模型受到科学领域内许多不同学科领域学者们的关注。DNA计算已经形成国际科学前沿领域内研究的一个新的热点。该文主要讨论了DNA计算的原理,综述了DNA计算的特点、DNA计算模型,并指出了DNA计算研究中存在的问题,最后就DNA计算的发展前景进行了展望。
关键词:DNA计算;计算模型;DNA计算发展前景
中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2011)04-0920-02
Analysis DNA Computing and its Development
XIAO Zhen-nan1, JIANG Han-yang1,2,WANG Xiang-wen1
(1.Department of Computer Science and Technology, Hunan Technological and Economic Vocational College, Hengyang 421001, China;2. Department of Computer Science, Hengyang Normal University, Hengyang 421000, China)
Abstract: In recent years, based on the biochemical reaction mechanism of DNA computing model by many different scientific disciplines within the field of scholarly concern. DNA computing has become the forefront of international scientific research within the field of a new hot spot. This paper discusses the principle of DNA computing, DNA computing summarized the characteristics, DNA computing model, and pointed out the study of DNA computing problems, and finally to the development of DNA computing prospect.
Key words: DNA computing; computing model; prospects of DNA computing
DNA计算利用DNA特殊的双螺旋结构和碱基互补配对的原则对问题进行编码,把要运算的对象映射成DNA分子链,在生物酶的作用下,生成问题的可能解即初始数据。然后按照一定的规则将原始问题的数据运算并行地映射成DNA分子链的可控的生化过程。最后利用现代生物技术等手段获得运算结果。
1994年,Aldeman博士介绍了用DNA来解决复杂的数学问题想法。Aldeman是美国南加州大学的一名计算机科学家,在阅读James Watson写的《分子生物学的基因》得出了结论:DNA是有潜力的计算。Aldeman博士在实验室采用现代分子生物技术,在试管中利用DNA分子解决了具有7个顶点的有向Hamihon回路问题(Hamilton pathproblem。HPP),该研究开创了用DNA分子解决经典困难计算问题的先河。它的新颖性不在于算法。也不在于速度,而在于采用了迄今为止还没有作为计算机硬件的生物工业技术来实现,并且开发了DNA潜在的并行性。随着传统电子计算机的制造工艺濒I临极限,DNA计算成为了传统硅介质计算机的最有利挑战者。这一研究成果引起了世界范围内各个科学研究领域科学家的广泛关注,继而开辟了一个崭新的研究领域--DNA计算。
目前,国内北京大学、上海交通大学、西安交通大学系统工程研究所和华中科技大学分子生物计算机研究所等高校、科研单位和计算机专家在DNA计算科学研究领域取得了很好的研究成果。其中上海交通大学Bio—X生命科学研究中心和中科院上海生命科学院营养科学研究所于试管中完成了DNA计算机的雏形研制。在实验上把自动机与表面DNA计算结合到了一起,这在中国还是首次。
1 DNA计算原理
DNA计算的原理来自分子生物学的研究成果。DNA链的巨大并行性和Watson—Crick的互补结构使这样的计算对解决一些问题。特别是一些传统电子计算机还无法解决的问题,有了良好并且广阔的发展前景。DNA计算原理图如图1所示。
DNA的来源广阔.生物乃至人的体内就拥有大量的DNA链。DNA是由聚合链组成.通常这样的链称为DNA链,DNA链由核苷酸构成,核苷酸由4个不同的碱基:A(腺嘌呤)、G(鸟嘌呤)、C(胞嘧啶)、T(胸腺嘧啶)。而根据Watson—Crick互补双链结构.这样的碱基配对相互吸引:A与T连接。G与C连接。正如电子计算机由0和1的编码来编写和表示信息一样,由字母表Σ={A、T、G、Cl组成的DNA单链可以看做是编写和表示信息的方法.而基于DNA链的一些生物操作(PCR操作、亲和层析、超声波降解、磁珠分离、凝胶电泳等)可以认为对这个字母表的计算方式。这种计算,不仅是一种物理性质的符号变换,也是一种化学性质的变换,这种计算方式是前所未有的,是划时代的。
2 DNA计算模型
DNA计算模型的研究已经引起了数学、计算机科学、生命科学等领域研究者的广泛关注。DNA计算研究的最终目的是构造出具有巨大并行性的DNA计算机。在目前所获得的DNA计算模型中,最能引起学者们兴趣与关注的模型有如下几种:粘贴模型、剪接系统模型、表面与芯片DNA计算模型、布尔电路模拟等。国内开始DNA计算的研究始于1996年。到目前为止,我国关于DNA计算的研究已经取得许多可喜的研究成果。如最小顶点覆盖问题的Sticker模型,布尔电路模拟,DNA计算与遗传算法,神经网络算法的结合,DNA计算中的编码等。
目前,DNA计算模型主要分为基于DNA分子结构特征的DNA计算模型和基于生物操作与实现的计算模型。
2.1 基于DNA分子结构特征的DNA计算模型
1) 基于DNA分子结构特征
粘贴模型是由Roweis等人于1996年提出来的。它是一种基于分子操作和随机访问内存的一种DNA计算模型,是一种通用计算机系统。粘贴模型采用单链和双链的混合形式进行编码,将一条长链划分为若干段。其中有些是单链,有些是双链,单双链随机分布。若用单链表示数据0,用双链表示数据1,则一条这祥的一个长链可用来表示二进制数据。由于单链和双链根据不同的生物操作可发生变化,因而DNA链相当于一个随机数据存储器。粘贴模型的优点是在运算过程中不需要DNA链的延伸,也不需要酶的作用,并且DNA链可重复使用。
2) 基于DNA分子结构特征的其它计算模型
除了粘贴模型外,目前研究比较热的还有剪切系统模型、插入—删除系统模型、发夹DNA计算模型、质粒DNA计算模型等。
2.2 基于生物操作与实现的DNA计算模型
基于生物操作与实现的DNA计算模型主要包括试管型、表面型两种。
3 DNA计算的优点
1) 运算速度快
普通的计算机的运算速度为106次/秒,目前最快的超级计算机的计算速度为1012次/秒,而对于分子计算机,如果是两个DNA的连接视为一次操作,又假定4*1014个边DNA片断有一半发生了连接反应,则分子计算机的运算速度为1014次/秒。
2) 低能耗
生化反应所需要的能量消耗很小, 完成同样的运算DNA计算所消耗的能量是大型机的十亿分之一。
3) 存储容量高
DNA存储信息的密度是1bit/nm3,而当前录像带的信息存储密度仅为1bit/1212nm3。
4) 可以真正实现并行工作
传统电子计算机主要是串行工作,而分子计算机可视为多CPU的并行工作,可以实现现有计算机无法真正实现的模糊推理和神经网络运算功能。对于分子计算机,一个DNA分子相当于一个CPU,在1molDNA溶液中就含有1023个分子,则可以实现1023量级的并行计算。
5) DNA计算存在的问题
随着生物技术的不断发展,DNA计算将会被用来解决更多的实际问题,特别对一些复杂巨系统中的问题。它将会给数学、计算机科学、生物学、化学和工程等学科带来飞速的发展。但DNA计算本身也存在一些问题网:
1) 没有统一的操作
由于其本身的生物技术的多样性,基于DNA计算的基本操作并没有统一。通常在不同的解决方案里会提出同样的操作名称,但其对应的生物操作并不相同。对于研究者来讲。在查阅相关资料时.不得不把更多的精力放在分子生物学操作上,这对于用DNA计算解决问题是不利的。特别是随着问题规模的增大,所需要的DNA分子数目和各种酶的数量会呈指数增长,而生物操作错误和统计误差的概率会被放大。
2) 自动化程度不高
在DNA计算中人的参与还是比较多的,随着DNA计算研究的发展,现在已经出现了一些半自动的DNA计算机,但还是无法离开人类的参与,从某些角度上来讲,也大大制约了DNA计算的发展。
3) 缺乏良好的人机对话界面
DNA计算机要想真正地取代传统电子计算机,就目前而言,在人机对话界面上还有待改进,无法便利地输入问题和获得解,在这些方面还是无法离开传统计算机。
4 DNA计算的发展前景
目前,关于DNA计算和DNA计算机的研究发展速度十分惊人。无论在理论研究上,还是实验方式的研究上都有很大的进展旧。基于固体表面的DNA计算可不在溶液中进行。这项成果大大降低了DNA计算的出错率。粘贴计算模型的出现使得在运算过程中不需要DNA链的延伸,也不需要酶的作用。并且DNA链可重复使用,对DNA链的增长起到了控制作用。
DNA计算应用广泛。利用DNA计算可以解决某些NP完全问题;实现数据加密、解密;进行智能控制;解决生物化学、组合化学、医学等领域问题;实现Boolean电路和数据流逻辑运算等。
DNA计算是跨学科的研究热点。涉及到DNA计算的学科有生物学、化学、数学和计算机科学等。
DNA计算研究方向广泛,涉及到DNA计算的的主要研究方向有DNA nanotechnology、表面实验、算法设计和计算模型等。
5 小结
综上所述,DNA计算的发展前景是非常广阔的,随着生物技术的发展,特别是越来越多的研究者的参与,DNA计算的研究将会出现一个崭新的局面。很多制约现在DNA计算的问题慢慢会得到解决。虽然在很多方面,DNA计算还存在问题,但在特定的领域和复杂问题上,它已显现出巨大的潜力。这一新领域的发展和研究值得关注和重视。
参考文献:
[1] 高琳,许进,张军英.DNA计算的研究进展与展望[J].电子学报,2001,29(7).
[2] 许进,谭钢军,范月科,等.DNA计算机原理、进展及难点(1V):论DNA计算机模型[J].计算机学报,2007(6).
[3] 王庆虎,郑虹.一种新的求解最小生成树问题的DNA算法[J].电脑知识与技术,2009(1).
[4] 郑卉.DNA计算原理研究及展望[J].重庆电子工程职业学院学报,2009,18(2).
[5] 叶子.DNA计算方法及应用[J].科技创新导报,2010(6).
[6] 支凌迎.DNA计算研究概述与分析[J].系统工程与电子技术,2009(6).
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