質(zhì)粒dna計(jì)算模型的研究

1、<p>　　質(zhì)粒DNA計(jì)算模型的研究</p><p>　　摘要：介紹了一種以非線性的閉環(huán)質(zhì)粒為基礎(chǔ)的DNA計(jì)算模型，被用于計(jì)算的質(zhì)粒都有一個(gè)獨(dú)特的DNA插入片斷，所有的片斷保持在相應(yīng)的限制性內(nèi)切位點(diǎn)，用剪切與粘貼操作完成DNA計(jì)算過程。目的是簡(jiǎn)化DNA計(jì)算過程及其模型。另外，還介紹了質(zhì)粒DNA計(jì)算模型的基本思想和對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)描寫，該模型的計(jì)算以及應(yīng)用還需要以后繼續(xù)研究。 </p><p

2、>　　關(guān)鍵詞：DNA計(jì)算；質(zhì)粒；質(zhì)粒模型 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TP301文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A </p><p>　　1994年，文獻(xiàn)[1]突破了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)體系的束縛，第一次運(yùn)用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)，在試管中進(jìn)行了DNA的實(shí)驗(yàn)，成功地利用線性DNA分子解決了一個(gè)有方向圖的哈密爾頓路問題（Hamiltonian Path Problem，HPP），通過退火和連接的方法，從適當(dāng)長(zhǎng)

3、度的分子中得到解。因?yàn)樗状翁岢鯠NA計(jì)算的方法來解決NP-完全問題，開辟了解決NP-完全問題的一個(gè)新領(lǐng)域，因此在國(guó)際上引起了巨大轟動(dòng)，從此以后研究者不懈的探索，將DNA和其它的生物分子應(yīng)用到計(jì)算過程中[2]。 </p><p>　　本文主要研究對(duì)象是非線性結(jié)構(gòu)的閉環(huán)DNA，也就是質(zhì)粒DNA，文獻(xiàn)[3]用質(zhì)粒代替線性DNA解答了具有六個(gè)頂點(diǎn)的最大獨(dú)立集問題?；蚬こ淌乾F(xiàn)在科學(xué)研究的一個(gè)重要范圍，但質(zhì)粒作為基因工程

4、里重要的載體，對(duì)質(zhì)粒DNA的研究將會(huì)有很大促進(jìn)，也將有效的幫助以質(zhì)粒DNA為基礎(chǔ)的計(jì)算模型的研究。 </p><p>　　1質(zhì)粒DNA計(jì)算的生物學(xué)模型 </p><p>　　1.1質(zhì)粒DNA分子 </p><p>　　質(zhì)粒是一種非常受人關(guān)注的亞細(xì)胞有機(jī)體，其構(gòu)成比病毒更加簡(jiǎn)略，不但不具有蛋白質(zhì)外殼，也不具有細(xì)胞外的生命周期，僅僅能在寄主細(xì)胞內(nèi)單獨(dú)地?cái)U(kuò)增，然后跟隨寄主

5、細(xì)胞的分裂而一起遺傳下去[4]。質(zhì)粒擁有自復(fù)制能力和轉(zhuǎn)錄能力，能夠讓子代的細(xì)胞維持穩(wěn)定的復(fù)制數(shù)目，可以傳達(dá)質(zhì)粒帶有的遺傳信息。因?yàn)橘|(zhì)粒本身是單獨(dú)的，并且是穩(wěn)固的，所以它以后會(huì)成為一種優(yōu)良的生物計(jì)算載體。 </p><p>　　目前DNA計(jì)算中采用的質(zhì)粒是一種游離在細(xì)菌染色體之外的閉環(huán)狀的雙鏈DNA分子，其大小從1kB至200kB各不相同。實(shí)驗(yàn)室中用于重組DNA技術(shù)的質(zhì)粒是經(jīng)過改造的，質(zhì)粒DNA的編碼中，能夠作為基

6、因克隆介質(zhì)的一切質(zhì)粒DNA，都一定具有以下三種相同的組成結(jié)構(gòu)：復(fù)制子結(jié)構(gòu)、選擇性記號(hào)和克隆位點(diǎn)。這里的復(fù)制子結(jié)構(gòu)有一個(gè)復(fù)制起始位點(diǎn)、調(diào)控基因和一些復(fù)制子編碼基因，這些基因通常是： ①產(chǎn)生抗菌素； ②抵制抗菌素； ③降解有機(jī)化合物；④產(chǎn)生大腸菌素；⑤產(chǎn)生內(nèi)毒素；⑥產(chǎn)生限制或者修飾性的酶等[5]。克隆位點(diǎn)主要是多克隆位點(diǎn)，含有許多單一限制性酶切位點(diǎn)，外源DNA可以在特定位置插入。質(zhì)粒結(jié)構(gòu)如圖1所示。 </p><p>

7、;<b>　　3結(jié)論 </b></p><p>　　該模型不需要實(shí)現(xiàn)合成指數(shù)級(jí)的解空間，可以較充分地反應(yīng)DNA計(jì)算高度的并行性，與線性的DNA分子相比較，質(zhì)粒DNA每進(jìn)行一次限制性內(nèi)切酶的剪切操作以后，又立刻連成了閉環(huán)狀的DNA，因此能夠保證其它酶不會(huì)干擾到計(jì)算過程，這樣的話，計(jì)算的結(jié)果會(huì)比較精確并且相對(duì)穩(wěn)固。 在整個(gè)的計(jì)算過程中，質(zhì)粒體一直都是雙鏈DNA形式，不會(huì)有單鏈的DNA的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，

8、把編碼之后的DNA插入到閉環(huán)狀質(zhì)粒中方便了剪切操作；每次修改質(zhì)粒后，其長(zhǎng)度肯定會(huì)發(fā)生變化，用凝膠電泳檢測(cè)，沒有復(fù)雜的自身退火單鏈DNA或PCR擴(kuò)增步驟帶來的麻煩，這樣可以讓所使用的DNA保持原有的特性。在復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的過程中，不把DNA分裂成較長(zhǎng)的單鏈分子，相反地，DNA的小部分被打開并受到相關(guān)蛋白質(zhì)周密地控制，這樣可以阻止退火在DNA計(jì)算中以某些顯存形式出現(xiàn)。 </p><p>　　但是質(zhì)粒DNA在插入外源核苷酸

9、序列以前很可能會(huì)出現(xiàn)自環(huán)現(xiàn)象，而且若有不唯一的識(shí)別位點(diǎn)，片段有可能在載體的任意位點(diǎn)插入，只要能生成對(duì)應(yīng)末端，并且這中序列的分離只能用相鄰片段的剪切操作來完成，因此用于質(zhì)粒計(jì)算中的初始載體有很高的要求。與此同時(shí)，計(jì)算過程中水溶液作為存儲(chǔ)器需要不斷的混合、分離，手工完成相對(duì)繁雜，如果能用其他有效的方法在特定的位置上進(jìn)行修改，這樣將在很大程度上提高計(jì)算效率。另外，質(zhì)粒計(jì)算模型中所需要的酶的種類是線性增加的，而目前為止所發(fā)現(xiàn)的酶的種類是有限的，

10、這將是質(zhì)粒計(jì)算模型的瓶頸。質(zhì)粒DNA在解決組合優(yōu)化問題等領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)，有待進(jìn)一步研究。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]ADLEMAN L.Molecular computation of solution to combinatorial problems [J].Science，1994，66（11）：1 021

11、-1 024. </p><p>　　[2]高琳，馬潤(rùn)年，許進(jìn). 基于質(zhì)粒求解最大匹配問題的DNA算法[J]. 生物化學(xué)與生物物理學(xué)進(jìn)展，2002，29（5）：820-823. </p><p>　　[3]HEAD T， ROZENBERG G， BLADERGROEN R B， et al. Computing with DNA by operating on plasmids[J].

12、BioSystems，2000，57：87-93. </p><p>　　[4]吳乃虎.基因工程原理[M].第2版.北京：科學(xué)出版社，2002：176-193. </p><p>　　[5]許進(jìn)，潭鋼軍，范月科，等.DNA計(jì)算機(jī)原理、進(jìn)展及難點(diǎn)（Ⅳ）：論DNA計(jì)算機(jī)模型[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2007，30（6）：881-893. </p><p>　　[6]許進(jìn)，張社

13、明，范月科，等.DNA計(jì)算機(jī)原理、進(jìn)展及難點(diǎn)（Ⅲ）：分子生物計(jì)算中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)于特性[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2007，30（6）：869-880. </p><p>　　[7]馬潤(rùn)年，張強(qiáng)，高琳，等.圖的最大權(quán)團(tuán)的DNA計(jì)算[J].電子學(xué)報(bào)，2004，32（1）：13-16. </p><p>　　[8]高琳，馬潤(rùn)年，許進(jìn). 基于質(zhì)粒求解最大匹配問題的DNA算法[J]. 生物化學(xué)與生物物理學(xué)進(jìn)展

14、，2002，29（5）：820-823. </p><p>　　[9]王劍波.基于質(zhì)粒模型的DNA計(jì)算機(jī)算法求解背包問題[J].湖南人文科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，4（4）：77-79. </p><p>　　[10]張連珍. 質(zhì)粒DNA計(jì)算模型的研究與應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學(xué)，2003. </p><p>　　[11]殷志祥，張家秀.圖論中的DNA計(jì)算模型[J]