检索结果-内蒙古大学图书馆

电子与信息学报 2021年第8期43卷 2430-2438页

作者：王宾李亚赵宏伟大连大学先进设计与智能计算省部共建教育部重点实验室大连116622

dna链置换技术广泛用于生物计算中,在计算能力和信息处理方面表现出色。但是,在信号的放大、恢复与比较等一些计算中使用dna链置换技术,不仅增加dna链的数量,还会带来额外的计算成本。因此,为了减少dna链的使用数量,该文构建了一个基于... 详细信息

dna链置换技术广泛用于生物计算中,在计算能力和信息处理方面表现出色。但是,在信号的放大、恢复与比较等一些计算中使用dna链置换技术,不仅增加dna链的数量,还会带来额外的计算成本。因此,为了减少dna链的使用数量,该文构建了一个基于dna链置换实现的赢家通吃(WTA)神经网络。首先,通过神经元实现逻辑运算AND,NAND和OR,将其级联成WTA神经网络解决了线性不可分问题。通过与别人结果的比较,证明该文采用方法的有效性,并在Visual DSD(dna链置换)中获得了稳定而直观的结果。然后,为了检验神经元级联的可扩展性,设计了一个3人表决器,并对科学家进行分类,该文展示了分子系统如何表现出与大脑具有类似行为的思考能力,最后证明获得的准确率高于其他方法。

关键词： dna链置换赢家通吃神经网络逻辑运算 Visual DSD

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自组装dna链置换分子逻辑计算模型

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科学通报 2012年第1期57卷 2909-2915页

作者：张成马丽娜董亚非杨静许进北京大学信息科学技术学院高可信度软件技术教育部重点实验室北京100871 陕西师范大学生命科学学院西安710062 华北电力大学控制与计算机工程学院北京102206

将dna自组装与链置换技术相结合,构建了dna分子逻辑计算模型.通过输入dna信号链,经特异性识别和链置换,自组装初始结构发生变化,并释放特定信号分子或结构作为输出.计算模型能通过dna自组装结构电泳迁移率的改变输出计算结果.计算系统... 详细信息

将dna自组装与链置换技术相结合,构建了dna分子逻辑计算模型.通过输入dna信号链,经特异性识别和链置换,自组装初始结构发生变化,并释放特定信号分子或结构作为输出.计算模型能通过dna自组装结构电泳迁移率的改变输出计算结果.计算系统在室温下可自动触发、混合输入信号以及并行置换.另外,本模型中引入了单极和双极两种置换模式设计,其还具有并行信息处理和模块化组装等特点.最后经实验验证,通过输入特异性dna分子链置换,该计算模型能正确输出逻辑计算结果.

关键词： dna链置换 dna自组装分子逻辑计算分子智能模块化设计

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dna链置换模拟电路的研究

DNA链置换模拟电路的研究

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作者：邹成业大连理工大学

学位级别：博士

伴随着科学技术的不断发展,人们对计算机的性能和运算速度提出了越来越高的要求,但由于电子的波动性以及隧道效应等问题的限制,使得以硅基材料为基础的传统计算机性能和运算速度难以得到大幅度提升,而以dna分子计算为代表的新型计算模... 详细信息

伴随着科学技术的不断发展,人们对计算机的性能和运算速度提出了越来越高的要求,但由于电子的波动性以及隧道效应等问题的限制,使得以硅基材料为基础的传统计算机性能和运算速度难以得到大幅度提升,而以dna分子计算为代表的新型计算模式引起了人们广泛的关注。由于dna分子计算是以生物技术为基础,因而秉承了 dna分子本身的优势:例如易于编译、高存储、纳米级别、低耗能和并行处理。dna链置换(dna Strand Displacement,DSD)技术因其可在常温下自发进行,而且产出率高、易于操作等特点,逐渐成长为dna分子计算中的一种新兴技术手段和方法。本文重点研究了多种dna链置换模拟电路的动力学特征,并实现了不同的功能。全文主要工作如下:(1)实现了 dna链置换模拟电路的同步和投影同步。本文着重探究了两种物质浓度的误差下降原理,并提出了同步或投影同步反应模块以及新的降解反应模块。利用催化反应、降解反应、湮灭反应和同步(投影同步)反应模块构建了理想化反应网络(Chemical Reaction Network,CRN)。根据李雅普诺夫稳定理论,证明了两个同结构但初始浓度不同的“Lotka-Volterra”振荡系统可实现同步或投影同步。数值模拟表明DSD可以很好的实现理想化反应网络的同步或投影同步行为。(2)实现了 DSD模拟电路的耦合控制和同步。由于发光强度的检测精度要高于浓度的检测,而且发光强度的检测更加方便,设计了带有荧光团和淬灭团的DSD反应模块。利用耦合反应模块,可以将二维“Lotka-Volterra”振荡系统扩展成三维系统,其中耦合强度可以通过耦合反应模块加以控制。利用多个耦合反应模块可以使二维“Lotka-Volterra”振荡系统扩展成N维系统。以三维“Lotka-Volterra”振荡系统为例,根据李雅普诺夫稳定理论,利用耦合反应模块实现了两系统的耦合同步。数值模拟表明,利用反应模块搭建的DSD模拟电路可以很好地近似理想化CRN的耦合控制和同步过程。(3)改进了基于DSD的模拟运算。针对dna链的浓度非负的局限性,利用“双轨制”的思想设计了“加法门”、“减法门”、“乘法门”和“除法门”四个基本运算门,可处理正数与正数、负数与负数、正数与负数以及负数与正数之间的运算。由于这四个基本运算门的同质性与级联性,可构成模拟电路处理复杂的多项式。数值模拟展示了这四种运算门及模拟电路具有稳健的运算性能。(4)设计了基于DSD的方程求解电路。文中设计了催化反应、降解反应以及湮灭反应模块,这些反应模块对应着相应的运算模块。不同的方程或方程组可分解出不同的运算模块,这些运算模块对应着不同的反应模块,不同的反应模块构成不同的理想化CRN,由理想化CRN的微分方程(Ordinary Differential Equations,ODE)可知,当网络达到稳态时,方程或方程组得以求解。由理想化CRN和DSD模拟电路的求解性能的对比可以看出,DSD模拟电路可以很好的实现理想化CRN的求解功能。(5)提出了基于DSD的自适应线性神经元。文中设计了催化反应、降解反应和调节反应模块,这些反应模块对应着线性神经元的不同部分,利用反应模块构建的理想化CRN的动力学方程,提出了新型自适应线性神经元。当理想化CRN达到稳态时,神经元的权值得到了学习,并可拟合一类线性函数。通过对基于DSD的线性神经元的学习性能的分析和评估,DSD模拟电路可以实现理想化CRN的拟合功能,同时对dna链浓度检测精度、反应速率的控制以及噪声有一定的鲁棒性。

关键词：自适应线性神经元 dna分子计算 dna链置换 “Lotka-Volterra”振荡系统纳米级别

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dna链置换在加密和组合优化问题上的应用

DNA链置换在加密和组合优化问题上的应用

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作者：罗先航广州大学

学位级别：硕士

半导体发展到现阶段,摩尔定律可能已经失效,传统计算技术的发展面临瓶颈,例如计算速度受限、能量消耗高等问题。因而迫切需要一种新的计算方法来突破这些瓶颈。dna计算凭借着高存储、并行性、能耗低等天然优势已经成为代替半导体计算的... 详细信息

半导体发展到现阶段,摩尔定律可能已经失效,传统计算技术的发展面临瓶颈,例如计算速度受限、能量消耗高等问题。因而迫切需要一种新的计算方法来突破这些瓶颈。dna计算凭借着高存储、并行性、能耗低等天然优势已经成为代替半导体计算的最佳选择之一,并广泛应用于数据安全领域和组合优化问题的求解。本文的研究分为以下两部分:(1)在数据安全领域,加密算法作为一种安全保护措施有着重要意义。然而,在已有的基于dna计算的加密方法中,大多数仅仅使用dna代码转化来实现加密,这无疑没有将dna计算的优势真正发挥。为了解决这个问题,本文提出了一种基于dna链置换技术的生化实验的加密方法,使用dna计算实验的参数作为密钥的一部分,提高了破译的难度。此外,该方法将dna链置换在加密领域的研究从模拟仿真阶段推动到了生化实验阶段。最后通过实验分析证明该方法有较高的密钥敏感性、较大的密钥空间和抵抗统计攻击的能力。(2)在数据安全领域,组合优化问题可以用于解决一系列与安全相关的问题。并且许多加密算法涉及到在数据传输和存储过程中进行组合优化问题的求解。对此,本文提出了一个dna计算模型,将dna计算在加密领域的应用拓展至更具一般性的数学问题——组合优化问题上。NP-完全问题是组合优化问题中非常重要的问题,由于在多项式时间内无法被解决(除非P=NP),因而研究人员对其始终保持着高度的研究热情。凭借dna计算的并行性,解决NP-完全问题的很多dna计算方法已经被提出,但现有的dna计算模型都是基于具体问题构造的,也就是说一种模型只能用于求解一种NP-完全问题。尽管所有的NP-完全问题已经被证明在多项式时间内可以相互规约转化,但没有一种生物方法可以实现这种复杂的规约。对此,本文基于dna链置换技术设计了一种通用的dna计算模型,可以用来求解一系列不同的NP-完全问题,此过程完全依靠生物操作,无需借助传统计算机进行规约。最后通过仿真实验和生化实验验证了该模型求解最小控制集、最大独立集、最小点覆盖问题的能力。

关键词： dna计算 dna链置换 dna加密 NP-完全问题

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dna链置换反应机制及其在突变检测中的应用研究

DNA链置换反应机制及其在突变检测中的应用研究

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作者：翁智重庆医科大学

学位级别：硕士

dna链置换反应在dna纳米技术中扮演着重要的角色,其在生物传感领域亦有许多应用。在此,本文针对dna链置换的新机制及其在突变检测中的应用进行了如下研究:首先,本文介绍了一种新型的dna链置换调节机制——合作分支迁移（Cooperative bra... 详细信息

dna链置换反应在dna纳米技术中扮演着重要的角色,其在生物传感领域亦有许多应用。在此,本文针对dna链置换的新机制及其在突变检测中的应用进行了如下研究:首先,本文介绍了一种新型的dna链置换调节机制——合作分支迁移（Cooperative branch migration,CBM）。CBM通过调节分支迁移域的互补性来控制dna链置换反应,其与大多数调控工具兼容并可连续微调跨越5个数量级的反应速率。此外,CBM还整合了多种调控功能,包括速率微调、连续动态调控、反应重置和选择性激活。基于CBM的强大功能,我们通过级联CBM反应构建了嵌套if函数信号处理系统,可用于处理不同的输入信号组合。CBM将有效地丰富dna链置换的工具箱,并促进在核酸研究和生物医学应用中构建具有更高复杂性的dna纳米机器。随后,针对dna链置换反应在突变检测中的瓶颈,本文以双链核酸杂交为核心,提出了一系列相关策略,其中包括:两种双链核酸富集策略,可用于简便获取可杂交双链靶标;两种高特异通用杂交方法,其特异性优于常见的立足点交换反应;一种长靶标检测方法,可有效扩大可检测长度范围;以及一种双链核酸催化的循环放大反应,在提高灵敏度的同时兼具优越的抗干扰性及单碱基分辨能力;最后,本文将具有分叉立足点的双链核酸作为基本原件构建了一系列逻辑门,实现了不同输入组合的识别。鉴于双链核酸的独特优势,此部分工作有望推动双链核酸杂交技术在临床检验诊断学和动态dna纳米技术中的应用。

关键词：基因突变 PCR dna链置换核酸杂交逻辑运算

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基于dna链置换与荧光标记的0-1规划问题的计算模型

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数学的实践与认识 2013年第11期43卷 152-159页

作者：马丽娜董亚非张成刘西奎陕西师范大学生命科学学院陕西西安710062 北京大学信息科学技术学院北京100871 山东科技大学信息科学与工程学院山东青岛266590

dna链置换技术和荧光标记是近年生物计算领域的新兴的方法,并且因为它们都有着操作简单的优势而成为dna计算的常用方法.dna自组装算法是以dna分子作为数据存储和运算的一种新型计算模式.为了提高算法的特异性和检测的灵敏度,在自组装算... 详细信息

dna链置换技术和荧光标记是近年生物计算领域的新兴的方法,并且因为它们都有着操作简单的优势而成为dna计算的常用方法.dna自组装算法是以dna分子作为数据存储和运算的一种新型计算模式.为了提高算法的特异性和检测的灵敏度,在自组装算法的基础上,首次将dna链置换技术和荧光标记结合引入到自组装模型中,提出了一个解决0-1规划问题的dna计算新模型.与以往dna计算模型相比,该模型提高了运算的可靠性和准确性,而且可以逐步缩小解空间,降低运算的复杂度,同时也使检测的方法更加灵活,易于引入到其他自组装算法模型中.

关键词： dna链置换荧光标记 0-1规划自组装算法

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基于G-四极子和dna链置换构建的生物传感和逻辑计算体系

基于G-四极子和DNA链置换构建的生物传感和逻辑计算体系

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作者：朱进波中国科学院大学

学位级别：博士

本论文以G-四极子增强比色和荧光信号为基本信号报告装置，结合脚链介导的dna链置换技术设计开发了一系列生物传感器和dna逻辑计算体系。具体主要包括以下几方面的研究内容:\n (1)分裂G-四极子增强原卟啉(PPIX)荧光发射强度的研究。... 详细信息

本论文以G-四极子增强比色和荧光信号为基本信号报告装置，结合脚链介导的dna链置换技术设计开发了一系列生物传感器和dna逻辑计算体系。具体主要包括以下几方面的研究内容:\n (1)分裂G-四极子增强原卟啉(PPIX)荧光发射强度的研究。首先基于分裂G-四极子对PPIX的荧光增强作用受其两个富G片段间距离的直接影响，我们开发了一种分子测量工具，可以对dna两段特定序列间，精确到个位数级别的碱基间隔数进行测定。其次，我们以T30695为模板，对其中12个G碱基按照不同比例进行切分，并详细对比了不同切分方式下的分裂G-四极子和PPIX作用的荧光发射情况，结果发现4∶8切分要优于大家经常使用的3∶9和6∶6切分。这项研究为大家在分裂G-四极子设计时提供了一种新的更佳的切分模式，而且加深了大家对分裂G-四极子的切分和形成的认识。\n (2)我们研究了G-四极子对银纳米簇的荧光增强作用，通过实验证明了T30695、AS1411和TBA等G-四极子也能有效增强银簇荧光，并尝试了其在生物成像中的应用。\n (3)非四极子富G序列dna增强硫磺色素T(ThT)的荧光现象的发现和作用机理探究。我们首次观察到5\'端带有TG两个碱基的交替重复GA序列可以非常有效地增强ThT的荧光发射强度，并通过荧光、紫外、电泳、pyrene标记、CD等一系列技术手段探明了其作用机理。这一机制可用于金属离子检测方法和免标记荧光探针的开发。\n (4)比色dna逻辑体系的构建。通过对分裂G-四极子结合血红素形成的dnazyme的调控，我们构建了一种比色多位dna密码锁体系和一系列比色dna逻辑门。在多位密码锁中，我们利用分裂四极子dnazyme催化变色产生信号，以银微球为载体并利用其进行分离，最终实现了多位dna输入次序决定的变色反应。在比色逻辑门的构建中，我们以分裂G-四极子dnazyme结构的形成和解离为基础建立了一种新型的分子催化信标，并由此设计的一系列免标记比色逻辑门(NOT, NOR，IMPLICATION，AND，OR和INHIBIT)。\n (5) dna逻辑电路和传感平台的构建。首先我们建造了一系列无标记的dna荧光逻辑门（包括YES，NOZOR，AND，INHIBIT, IMPLICATION和NAND门），然后利用脚链介导的dna链置换反应，将它们串联成了电路，并利用该电路实现了对模型药物PPIX的可控释放。随后，我们设计开发了一种新型的dna四通结结构驱动的链置换反应。在该模式中，不同的功能区域分布在四链结构的不同支链上，胶连链将他们重新组合灵活地构建成各个逻辑门。基于这一反应机制，通过将三个AND门和一个OR门的连接，我们设计构造了一个多数表决dna逻辑电路。这是一次通过组合逻辑门构成电路并实现既定功能的成功尝试。最后，通过基于dna链置换的逻辑体系与适配体技术的结合，我们又构建了两种以小分子目标物作为输入信号的dna逻辑电路，同时它们也是两种适配体传感平台。适配体在dna逻辑体系设计中的引入，使得逻辑电路的输出信号可以被小分子目标物所调控，扩宽了dna逻辑体系可接收的输入信号的范围，这对于dna逻辑计算体系在更广范围的应用是非常有意义的。

关键词： G-四极子 dna链置换生物传感器 dna计算荧光发射

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dna链置换反应网络在求解可满足问题中的应用

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广州大学学报（自然科学版） 2022年第2期21卷 76-85页

作者：王夕远殷志祥唐震杨静崔建中徐如解安徽理工大学数学与大数据学院安徽淮南232001 上海工程技术大学数学与统计学院上海201620 淮南联合大学计算机系安徽淮南232001

dna链置换是一种非常重要的分子自组装方法,因其操作性强、实验条件简单而被广泛应用于dna计算中。可满足问题是非确定性多项式问题(NP问题)中的一个经典问题,文章利用dna链置换反应网络来求解可满足问题,利用Visual DSD语言设计dna链... 详细信息

dna链置换是一种非常重要的分子自组装方法,因其操作性强、实验条件简单而被广泛应用于dna计算中。可满足问题是非确定性多项式问题(NP问题)中的一个经典问题,文章利用dna链置换反应网络来求解可满足问题,利用Visual DSD语言设计dna链。求解过程主要分为3个反应模块,即变量转换模块、求和模块和阈值比较模块。变量转换模块是将不同变量所代表的dna链通过链置换反应转换成同一条链;求和模块是将转换后的链浓度进行相加;在阈值比较模块中,由于浓度的检测会存在一定的误差,为此设计了2个链置换反应检测是否有荧光显示来判断可行解,若有荧光显示则为可行解,反之不是。通过Visual DSD仿真软件得到了变量转换模块相对应的链置换反应网络图、变量仿真图以及阈值比较图。该方法可用来求解多个变量的可满足性问题。文章利用上述方法成功解决了一个5变量的可满足问题。

关键词： Visual DSD 阈值比较反应网络 dna链置换

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dna链置换技术的研究现状与展望

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郑州轻工业学院学报（自然科学版） 2014年第1期29卷 15-21页

作者：姚莉娜田桂花叶盟盟赵涛涛崔光照王延峰郑州轻工业学院电气信息工程学院河南郑州450002

综述了利用dna分子元件构造人工逻辑生化电路的新技术——dna链置换技术在构造逻辑门运算模型、生化逻辑电路与神经网络、dna纳米机器人、dna反应网络等领域的研究进展,并通过对半加器/全加器逻辑运算模型和编码器逻辑运算模型的设计及... 详细信息

综述了利用dna分子元件构造人工逻辑生化电路的新技术——dna链置换技术在构造逻辑门运算模型、生化逻辑电路与神经网络、dna纳米机器人、dna反应网络等领域的研究进展,并通过对半加器/全加器逻辑运算模型和编码器逻辑运算模型的设计及仿真,对dna链置换技术的相关应用进行了实验验证.在此基础上提出:构建运动及功能型dna纳米机器,整合dna逻辑门、自底向上地构建dna计算机体系结构,将是dna链置换技术应用的发展方向.

关键词： dna链置换逻辑门运算模型生化逻辑电路 dna纳米机器人 dna反应网络

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基于dna链置换反应的自然数素性判定问题研究

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郑州大学学报（工学版） 2015年第5期36卷 96-100页

作者：王子成豆根生周小刚叶盟盟郑州轻工业学院电气信息工程学院河南郑州450002 河南省信息化电器重点实验室河南郑州450002 河南农业大学理学院河南郑州450002

借助自组装dna计算的显著优势,采用dna链置换反应原理开展了自然数的素性判定问题研究.首先,构造了有关dna分子逻辑门,并构建了相应的dna分子计算模型,然后设计了用于自然数素性判定的分子逻辑电路.最后基于Visual DSD仿真平台,对分子... 详细信息

借助自组装dna计算的显著优势,采用dna链置换反应原理开展了自然数的素性判定问题研究.首先,构造了有关dna分子逻辑门,并构建了相应的dna分子计算模型,然后设计了用于自然数素性判定的分子逻辑电路.最后基于Visual DSD仿真平台,对分子逻辑电路进行仿真.结果表明:采用的分子逻辑电路能够实现自然数的素性判断.

关键词： dna链置换素性判定逻辑电路

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