基于DNA计算的布尔逻辑门的设计

论文摘要

在21世纪的高科技时代,计算机已经成为人们工作乃至生活各个方面都不可缺少的一部分。而一台电子计算机的内部实际上是由许许多多个数字电路组成,而数字电路可以看作是用电子器件实现的逻辑门网络。逻辑门可执行一个关于‘个或多个逻辑输入的逻辑运算,并产生一个逻辑输出。逻辑操作遵循布尔逻辑,这样的逻辑门就称为布尔逻辑门。所以设计逻辑门就成为设计数字电路甚至计算机的关键步骤。本文是以一种生物的方式对布尔逻辑门进行设计。DNA计算是近年来新兴的一种生物分子计算方法,它要以DNA与及其相关的生物酶作为基本材料,并基于一些生化反应原理进行计算。本文就是利用DNA计算来设计布尔逻辑门。DNA计算的机理是利用DNA的特殊双螺旋结构和Watson-Crick碱基互补原则进行信息的编码,把要进行计算的对象映射成DNA分子链,在一些相关的生物酶作用下生成各种完备的数据池,再按照一定的规则将初始问题的数据运算高度并行地映射成一种可控的生化过程。最后利用各种生物分子技术检测所需要的计算结果。以DNA计算模型为背景设计出的计算机就称为DNA计算机。DNA计算机有着海量存储容量和高度并行运算速度的优势。本文从DNA计算的角度分两种方法对布尔逻辑门进行设计,一种方法是利用脱氧核酶设计逻辑门,另一种方法是基于分子信标设计布尔逻辑门。两种方法都各有优势和缺点。对于这种新型的计算方式,优势是明显的,但是同时也面临着很多挑战,我们只有不断的研究才能克服这些困难,更好的利用这种计算方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 DNA计算的研究背景和现状
• 1.2 DNA计算的应用领域和发展方向
• 1.3 DNA计算的优势和所面临的阻碍
• 1.4 本论文的主要内容和创新之处
• 2 DNA计算的生物基础和计算模型
• 2.1 DNA的分子结构和性质
• 2.2 DNA计算机理
• 2.3 DNA计算中的基本操作
• 2.3.1 DNA链的分解
• 2.3.2 DNA链的延长
• 2.3.3 DNA链的缩短
• 2.3.4 DNA链的切割
• 2.3.5 DNA链的连接
• 2.3.6 DNA分子长度的测量
• 2.3.7 DNA分子的复制
• 2.3.8 读出序列
• 2.4 DNA计算模型
• 2.4.1 基于DNA分子结构特性的DNA计算模型
• 2.4.2 基于生物操作的DNA计算模型
• 2.4.3 DNA计算机模型
• 2.5 本章小结
• 3 基于脱氧核酶的布尔逻辑门的设计
• 3.1 简介
• 3.2 设计方案中所用的生物学原理
• 3.2.1 寡核苷酸
• 3.2.2 催化剂
• 3.2.3 脱氧核酶
• 3.2.4 裂缝
• 3.3 基于脱氧核酶逻辑门设计
• 3.3.1 传感器元件的设计
• 3.3.2 非门的设计
• 3.3.3 与门的设计
• 3.3.4 异或门的设计
• 3.3.5 设计或门的提议方案
• 3.3.6 设计与非门的提议方案
• 3.4 对输出寡核苷酸序列的检测
• 3.5 基于脱氧核酶的设计方法的优势与缺点
• 4 基于分子信标的布尔逻辑门的设计
• 4.1 发夹结构与分子信标
• 4.1.1 发夹结构
• 4.1.2 分子信标
• 4.2 逻辑门的设计
• 4.2.1 设计原理
• 4.2.2 与门的设计
• 4.2.3 或门的设计
• 5 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果