一種DNA計算機與電子計算機之間的通信模型

1　引言以DNA分子作為計算載體的計算方法最早由Adleman博士于1994年在生物實(shí)驗室實(shí)現[1]。隨后,DNA計算取得了很多研究成果。1995年[2],Lipton提出了用DNA實(shí)驗解決布爾可滿(mǎn)足性問(wèn)題(SAT)的方法。1997年[3],Ouyang等人用分子生物技術(shù)解決了最大團問(wèn)題,并相應地建立了六個(gè)節點(diǎn)的DNA分子計算池。2000年[4],Liu等人設計了一個(gè)DNA計算系統,將計算問(wèn)題的所有可能候選解編碼成一系列DNA分子,把這些分子綜合起來(lái)貼在磁珠的表面。2001年[5],Wu分析并改進(jìn)了前者所采用的基于表面磁珠的方法。這種新穎的計算方式是建立在其高密度信息存儲和大量并行計算基礎上的,有望在求解NP問(wèn)題、破解密碼、疾病診斷、新材料等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用代寫(xiě)論文。

微流控系統為快速化學(xué)反應和生物分析提供了基礎。微流控系統作為DNA計算的一種平臺,已經(jīng)有了初步的研究成果。2004年[6],Ledesma等人提出了一種用微流控系統解決Hamilton路徑問(wèn)題的線(xiàn)性DNA算法,實(shí)現了并行計算。1999年[7],Gehani和Reif研究了用微流生物分子計算模型解決某個(gè)問(wèn)題在理論上所需要的最少DNA序列和最少反應時(shí)間,并且提出了反應池之間有效地傳送DNA序列的方法。2001年[8],McCaskill采用枚舉法用DNA序列對每個(gè)可能子圖進(jìn)行編碼。該算法使用了所謂的選擇模塊(STM)來(lái)保留圖中所有可能團,然后用排序的方法確定了最大團。2001年[9],Chiu等提出了一種新的方法,把子圖和圖的邊分別編譯成反應池和緩沖池。這些反應池和緩沖池帶有熒光劑,由通道連接,輸出以各個(gè)子圖所發(fā)出的熒光強度不同來(lái)區分。2004年[10],Livstone和Landweber提出一種微反應器用來(lái)解決布爾函數“與”和“或”的問(wèn)題。

隨著(zhù)微機電(MEMS)技術(shù)的快速發(fā)展,在生物芯片上集成各種能與電子計算機之間相互通信的傳感器是各種功能芯片研究的熱點(diǎn)[11]。DNA計算的一個(gè)嚴重缺點(diǎn)是操作的不可控,嚴重影響了DNA計算的實(shí)用性。本文在微流控平臺上,討論基于生物芯片的DNA計算機和電子計算機之間相互通信的層次模型,從而為發(fā)展DNA計算機和電子計算機相集成的雜合計算機提供一種通信模型和方法。

2　基于電子計算機的DNA計算反應器模型為了使電子計算機能夠對DNA計算進(jìn)行控制,我們研究并設計了適合于DNA計算的反應器。如圖1所示,該反應器通過(guò)RS232接口與電子計算機連接,人機交互界面的平臺是LabVIEW。

(1)數據流:在電子計算機軟件客戶(hù)端由用戶(hù)選擇某個(gè)NP問(wèn)題,程序開(kāi)始設計DNA計算機,包括:輸入符號、終止符號、〈狀態(tài),符號〉、轉移分子、擴增所需的引物和DNA編碼;酶的選擇;擴增、酶切、酶連的動(dòng)作選擇,針對上述酶設計反應溫度和階段。(2)控制流:設計具體問(wèn)題的程序輸入分子和采用的微流控芯片,芯片的通道數量和通道之間的連接以及通道的形狀,設計實(shí)驗實(shí)現的詳細步驟:每一步的動(dòng)作、所需的時(shí)間、反應的底物、目標產(chǎn)物、代表的中間變量等。圖1　DNA計算的反應器模型　　電子計算機主機與89C51系列單片機相連,將數據流和控制流同時(shí)送到接口端的高精度全方位機械手:分配試劑,根據反饋的圖像信號定位芯片反應平臺。生化反應的動(dòng)態(tài)結果反映在應用層,包括當前反應所在的通道、該反應所需的時(shí)間、已經(jīng)消耗的時(shí)間、通道的切換、反應產(chǎn)物的解釋。DNA計算反應器與電子計算機通信的系統控制模塊、光電檢測模塊、高壓電源模塊和溫度加熱模塊與電子計算機之間的連接如圖2所示。整個(gè)反應器能夠實(shí)現激光誘導熒光檢測、芯片電泳和僅與溫度有關(guān)的生化反應,如PCR、退火、復性等等。

3　DNA計算機與電子計算機之間通信的層次模型　　DNA計算本質(zhì)上是以DNA分子及生化酶作為物質(zhì)基礎,施以適當的生化操作來(lái)解決數學(xué)問(wèn)題的一種新型的計算模式。由于DNA計算的處理對象是DNA片段,因此運用DNA計算求解數學(xué)問(wèn)題時(shí)首先需要將實(shí)際問(wèn)題用{A,T,C,G}四個(gè)堿基來(lái)編碼,原理類(lèi)似電子計算機求解這些問(wèn)題時(shí)需要用二進(jìn)制編碼。然后需要為求解過(guò)程設計合適的生化操作,這個(gè)完成運算的生化操作序列我們稱(chēng)之為生物算法。DNA計算是在分子尺度內進(jìn)行的,完成計算過(guò)程的生化操作的不可控一直制約著(zhù)DNA計算的進(jìn)一步應用。隨著(zhù)電子計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展,二者在DNA計算中的結合可實(shí)現對生化操作的精確控制,提高DNA計算的可靠性,為DNA計算進(jìn)一步走向實(shí)用化發(fā)揮重要作用。圖3給出了電子計算機和DNA計算機之間通信的層次模型。圖2　DNA計算反應器與電子計算機的通信為了便于描述通信過(guò)程,將該模型分為六個(gè)部分,每一部分的組成和完成功能描述如下。圖3　DNA計算機和電子計算機的層次通信模型

(1)應用層提供用戶(hù)與DNA計算機之間交互的接口。應用層主要完成兩個(gè)功能:一是提供用戶(hù)操縱DNA計算機的界面。在這個(gè)界面上用戶(hù)可以完成原始問(wèn)題到DNA堿基域的映射以及完成生物算法的設計。通過(guò)這個(gè)界面,用戶(hù)可以像使用Office辦公軟件一樣方便地使用DNA計算機。另一個(gè)功能是接收指令解釋層傳送的DNA計算結果,并將結果可視化。指令解釋層傳送的結果也是用電子計算機語(yǔ)言來(lái)描述的。運算結果的可視化可以幫助直觀(guān)地對這些結果進(jìn)行合理的解釋。應用層由安裝在Windows操作系統的電子計算機上的應用程序組成。

(2)指令解釋層由于應用層的指令是用戶(hù)所熟悉的電子計算機語(yǔ)言描述的,而DNA計算機的基本指令是具體的生物操作,所處理的對象是DNA分子,因此需要將應用層的電子計算機指令解釋成DNA計算機上具體的生物操作指令(這些生物操作指令是DNA計算機的最小執行單位———基本指令),確定這些生物操作的執行順序,并依次將這些生物操作指令單個(gè)傳送給編碼封裝層。另一方面,還需要將編碼封裝層反饋的DNA計算結果解釋成計算機語(yǔ)言。指令解釋層也是由安裝在電子計算機內部的代理程序構成。(3)編碼封裝層將指令解釋層傳送的單個(gè)生物操作指令封裝成DNA計算機能直接執行的指令。這里需要考慮每個(gè)原子生物操作的實(shí)驗室實(shí)現方法。然后將這個(gè)操作的步驟映射成控制傳感器和生化儀器的一系列指令,包括對生物芯片上發(fā)生該反應的位置信息。編碼封裝層由操作傳感器和生化儀器的接口程序構成。

(4)接口層接口層是傳感器和生化儀器的各種信號接口。一方面,將編碼封裝層中的控制指令轉換成控制DNA計算機執行生化操作的指令;另一方面,也將DNA計算機上的反饋信號轉換成電子計算機中的控制指令。接口層之間的通信采用電子計算機的串口通信方式,也可以設計成并口通信方式。(5)反應層DNA計算的生化操作在這一層得以物理實(shí)現,以完成解釋層下達的任務(wù)。此層包含有完成生化反應的生物芯片以及控制這些生化反應的各種傳感器和生化儀器。(6)反饋層這一層由監控生化反應的傳感器構成。反應層的生化操作的執行情況由這些傳感器收集,以便反饋給指令解釋層。4　通信模型的實(shí)例為了更直觀(guān)地理解本文提出的層次模型,我們以選擇操作為例,解釋在層次模型下DNA計算機上實(shí)現選擇操作的過(guò)程。