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1、应用物理范凯平B31114057应用物理范凯平B31114057DNA分子计算机——突破计算机发展瓶颈的新技术DNA计算机是一种生物形式的计算机。它是利用DNA（脱氧核糖核酸）建立的一种完整的信息技术形式，以编码的DNA序列（通常意义上计算机内存）为运算对象，通过分子生物学的运算操作以解决复杂的数学难题。由于起初的DNA计算要将DNA溶于试管中实现，这种计算机由一堆装着机液体的试管组成，因此有人称为试管计算机。一、DNA计算的原理DNA(脱氧核糖核酸〕是生物遗传的物质基础.1953年:认一Waston和Crick
2、通过X射线衍射方法得出DNA的双螺旋构,DNA双螺旋结构的骨架由脱氧核糖和磷酸基通过酚键交替连接而成:两条骨架绕一共同轴心以右手方向盘旋:相互平行而走向相反形成双螺旋结构.DNA由4种碱基:腺嗦岭、鸟嗦岭、胞喀哇、胸腺喀AA{分别简称为A,G,C和T}组合而成:碱基位于螺旋的内侧:它们以垂直于螺旋轴的取向通过糖普键与骨架糖基相连.碱基的排列组合存储看生物遗传信息.DNA的一个重要特性是DNA链可以通过碱基互补配对作用形成杂合的双链,而且配对具有高度的特异性:即A只能与T,G只能与C结合.同一平面的碱基在两条骨架之
3、间形成碱基对G和C之间有3个氢键.而A和T之间只有两个氢键.DNA计算机即是通过这些特异性的配对作用而构建的:即将运算信息排列于DXA上:并通过特定DNA片段之间的相互作用来得出运算结果.事实上,DXA分子即可以看作4种不同的符号A,G,C,T组成的串.可以将字母集合{C,G,A,T}按照碱基互补配对原则进行编码.利用DNA分子的特异性配对原理可以很方便地实现分子逻辑开关.美国Scripps研究所GHadiri研究小组在2003年提出了通过荧光标记的DNA分子构建分子逻辑门的方法.利用DNA分子之间的配对作用和多
4、种荧光分子之间的fster共振能量转移效应:他们构建了3种光学逻辑门:AND和NADA和INHIBIT.我们此前则设计了一种完全由DNA碱基构成的逻辑门.在这个工作中选用了一种铜离子依赖的DNA核酶(一种具有酶活性的特殊DNA结构),构建YES门,NOT门等基本的逻辑门.基于这一方法也可以实现逻辑门之间的连接:形成较为复杂的逻辑门:如AND(A.NOT(B),NOT(C))等.DNA计算机的主要特征之一就是实施大规模的并行运算.DNA计算之父Adleman指出,DNA计算机一步可完成10^20次运算；其运算速度大
5、大超过电子计算机的运算速度！同时，生物计算机每消耗1J的能量:可以完成10^19次运算，其能量损耗及能量效率远远优于电子计算机，并行运算可以解决电子计算机难以解决的计算问题:如非多项式问题。NP问题的计算时间，随看变量数目的增加呈指数增加，因此电子计算机在变量数目较大时就对NP问题无能为力了。哈密尔顿路径问题即是一类典型的NP问题.HPP问题是指推销员在一个具有n个城市和m条航线的地图中，寻找从某一城市出发到达目的城市的一条通路。并且要求经过且仅经过其他所有城市一次.1994年Adleman利用DNA计算机实现了
6、具有7个城市和13条航线的哈密尔顿路径问题.其解决方案分为3个部分：〔1)先用长度为:20个核普酸的不同DNA序列，编码7个城市设为oi(i=o，1，2，…6):然后将13条i到j边编码Oi—Oj的前10个核普酸是Oj5端的10个核普酸。而后10个核普酸为Oj5端的10个核普酸.在分子生物学反应中，将等摩尔量的恤的互补涟和Oi—Oj混合，以Oi的互补涟为模板，使对应的边进行反应，进而产生各种随机连接序列(路径)（2）以Oo序列J和06的互补序列为引物，通过PCR扩增随机序列，不满足条件的“路径”序列将不被扩增.（
7、3）应用电泳分离扩增产物:获取目的双涟DNA，此DNA序列即代表通过7个城市的“路径”序列.（4)上述双涟DNA变性后与磁颗粒固定的Oi互补涟结合:选取通过城市1的通路.然后依次用磁颗粒固定的O102030405的互补涟重复操作:获取同时通过所有城市的路径.〔5〕将最终获取的DNA序列通过聚合酶涟式反应（PCR）扩增，用电泳分离输出结果.通过这一模型实验，Adleman成功展示了利用DNA计算机解决HPP问题的可能性，重要的是，电子计算机进行HPP问题计算时其运算步骤与节点数目呈指数关系;而DNA计算具有高度的并
8、行性:其运算步骤与城市节点的数目呈线性关系.因止DNA计算在解决大变量数目的NP问题时具有常规电子计算机所不可比拟的优势.由Adleman的例子也可看出DNA计算可分为3个过程.第一是编码合成过程，即对数学问题所有可能的解答，设计出用不同的DNA序列进行编码，并合成大量的各种DNA码序列.第二是清除运算过程，通过DNA链的互补结合以及核酸酶的作用，大量清除那些代表不正确答
