质粒DNA计算模型的研究.doc

1、1质粒 DNA 计算模型的研究摘要：介绍了一种以非线性的闭环质粒为基础的 DNA 计算模型，被用于计算的质粒都有一个独特的 DNA 插入片断，所有的片断保持在相应的限制性内切位点，用剪切与粘贴操作完成 DNA 计算过程。目的是简化DNA 计算过程及其模型。另外，还介绍了质粒 DNA 计算模型的基本思想和对应的数学描写，该模型的计算以及应用还需要以后继续研究。 关键词：DNA 计算；质粒；质粒模型 中图分类号：TP301 文献标志码：A 1994 年，文献1突破了传统计算机结构体系的束缚，第一次运用现代分子生物学技术，在试管中进行了 DNA 的实验，成功地利用线性 DNA分子解决了一个有方向图的

2、哈密尔顿路问题（Hamiltonian Path Problem，HPP） ，通过退火和连接的方法，从适当长度的分子中得到解。因为他首次提出 DNA 计算的方法来解决 NP-完全问题，开辟了解决 NP-完全问题的一个新领域，因此在国际上引起了巨大轰动，从此以后研究者不懈的探索，将 DNA 和其它的生物分子应用到计算过程中2。 本文主要研究对象是非线性结构的闭环 DNA，也就是质粒 DNA，文献3用质粒代替线性 DNA 解答了具有六个顶点的最大独立集问题。基因工程是现在科学研究的一个重要范围，但质粒作为基因工程里重要的载体，对质粒 DNA 的研究将会有很大促进，也将有效的帮助以质粒 DNA 为基

3、础的计算模型的研究。 21 质粒 DNA 计算的生物学模型 1.1 质粒 DNA 分子 质粒是一种非常受人关注的亚细胞有机体，其构成比病毒更加简略，不但不具有蛋白质外壳，也不具有细胞外的生命周期，仅仅能在寄主细胞内单独地扩增，然后跟随寄主细胞的分裂而一起遗传下去4。质粒拥有自复制能力和转录能力，能够让子代的细胞维持稳定的复制数目，可以传达质粒带有的遗传信息。因为质粒本身是单独的，并且是稳固的，所以它以后会成为一种优良的生物计算载体。 目前 DNA 计算中采用的质粒是一种游离在细菌染色体之外的闭环状的双链 DNA 分子，其大小从 1kB 至 200kB 各不相同。实验室中用于重组DNA 技术的质

4、粒是经过改造的，质粒 DNA 的编码中，能够作为基因克隆介质的一切质粒 DNA，都一定具有以下三种相同的组成结构：复制子结构、选择性记号和克隆位点。这里的复制子结构有一个复制起始位点、调控基因和一些复制子编码基因，这些基因通常是： 产生抗菌素； 抵制抗菌素； 降解有机化合物；产生大肠菌素；产生内毒素；产生限制或者修饰性的酶等5。克隆位点主要是多克隆位点，含有许多单一限制性酶切位点，外源 DNA 可以在特定位置插入。质粒结构如图 1 所示。 3 结论 该模型不需要实现合成指数级的解空间，可以较充分地反应 DNA 计算高度的并行性，与线性的 DNA 分子相比较，质粒 DNA 每进行一次限制性内切酶

5、的剪切操作以后，又立刻连成了闭环状的 DNA，因此能够保证其3它酶不会干扰到计算过程，这样的话，计算的结果会比较精确并且相对稳固。 在整个的计算过程中，质粒体一直都是双链 DNA 形式，不会有单链的 DNA 的发夹结构，把编码之后的 DNA 插入到闭环状质粒中方便了剪切操作；每次修改质粒后，其长度肯定会发生变化，用凝胶电泳检测，没有复杂的自身退火单链 DNA 或 PCR 扩增步骤带来的麻烦，这样可以让所使用的 DNA 保持原有的特性。在复制和转录的过程中，不把 DNA 分裂成较长的单链分子，相反地，DNA 的小部分被打开并受到相关蛋白质周密地控制，这样可以阻止退火在 DNA 计算中以某些显存形

6、式出现。 但是质粒 DNA 在插入外源核苷酸序列以前很可能会出现自环现象，而且若有不唯一的识别位点，片段有可能在载体的任意位点插入，只要能生成对应末端，并且这中序列的分离只能用相邻片段的剪切操作来完成，因此用于质粒计算中的初始载体有很高的要求。与此同时，计算过程中水溶液作为存储器需要不断的混合、分离，手工完成相对繁杂，如果能用其他有效的方法在特定的位置上进行修改，这样将在很大程度上提高计算效率。另外，质粒计算模型中所需要的酶的种类是线性增加的，而目前为止所发现的酶的种类是有限的，这将是质粒计算模型的瓶颈。质粒 DNA 在解决组合优化问题等领域具有明显的优势，有待进一步研究。参考文献： 1ADL

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