基于DNA动态自组装的逻辑运算研究

摘要

近年来，DNA作为一种遗传物质载体承受着巨大的信息遗传的任务，DNA纳米技术的发展已成为当前生物信息处理界的研究热点之一。而DNA纳米结构体的模型构建以及纳米逻辑电路设计又是当前控制领域亟需解决的问题之一，通过对动态DNA自组装模型构建以及逻辑电路设计方法理论和应用的研究,为DNA计算在生物信息中的应用研究提供坚实的理论支撑和创建实用的方法。本文以六臂DNA sub-tile分子瓦模型以及链置换（即动态自组装）技术为研究对象,利用自下而上的自组装理论实现了异或及同或的纳米逻辑的操作运算，并利用纳米逻辑电路解决实际问题。主要内容如下： 针对先前的四臂分子瓦模型结构的不稳定性进行探讨和改进，设计了六种不同长度的DNA sub-tile分子瓦单链结构，根据单链分子瓦序列的粘性末端互补性构建了六臂的分子瓦结构模型。根据粘性末端互补配对原则构建了六臂的分子瓦模型结构，并运用六臂DNA sub-tile模型的结构设计了异或和同或两种逻辑运算操作，基于这两种操作运算又进行了纳米图形的设计，即基于异或操作构建了中国地图模型结构和基于同或操作运算构建了亚洲地图模型结构，这对将来在生物计算机中的应用提供很好的理论基础。 针对传统计算机体积大，计算不准确，操作运算速度慢等问题设计了判奇电路和矩阵向量乘逻辑电路。整个电路设计的可行性可通过DSD软件进行编程和仿真，通过编译计算装置的程序，给出了输入输出的仿真结果。根据仿真结果，有力的证明了电路设计的有效性，说明了运用DNA链置换的方法实现更为复杂的逻辑运算是可行的，促进了DNA生物计算机的发展，有望在更大复杂逻辑电路设计方面有更好的应用。 针对传统的火灾报警装置判断不准确，容易产生误报警的情况设计了火灾报警系统，利用烟感、温感、光感和手报装置作为火灾的四类探测信号，将四种探测信号分别用DNA单链，然后基于动态自组装进行火灾报警电路设计，被置换出的单链结构表示该报警系统的逻辑输出结果，且输出结果用二进制数代表，通过对输出结果进行仿真来判断某种情况下是否有火灾发生。 本文详细地从自组装与链置换两个方面探究生物计算问题，探索了动态DNA自组装逻辑运算操作在生物计算机中的应用以及大规模集成电路的设计与仿真，进一步拓展了纳米模型结构的构建以及纳米电路的设计思想，对生物计算机的发展具有一定的理论指导意义。

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June 2018

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 DNA自组装技术

1.2.2 DNA链置换技术

1.3 本文研究的主要内容与创新点

第二章基于DNA sub-tile自组装的逻辑电路设计

2.1 引言

2.2 六臂DNA sub-tile分子瓦模型搭建

2.3 六臂DNA sub-tile自组装异或运算

2.3.1 XOR逻辑运算

2.3.2 基于XOR逻辑运算模型的中国地图模型设计

2.4 六臂DNA sub-tile自组装同或运算

2.4.1 XNOR逻辑运算

2.4.2 基于XNOR逻辑运算模型的亚洲地图模型设计

2.5 小结

第三章 基于DNA 链置换的判奇逻辑电路设计

3.1 引言

3.2 判奇数字逻辑电路设计

3.3 判奇双轨逻辑电路设计

3.4 判奇生化逻辑电路设计

3.5 仿真结果与分析

3.6 小结

第四章 基于DNA 链置换的矩阵向量乘逻辑电路设计

4.1 引言

4.2 矩阵向量乘数字逻辑电路设计

4.3 矩阵向量乘双轨逻辑电路设计

4.4 矩阵向量乘生化逻辑电路设计

4.5 仿真结果与分析

4.6 小结

第五章 基于DNA 链置换的火灾报警逻辑电路设计

5.1 引言

5.2 火灾报警数字逻辑电路设计

5.3 火灾报警双轨逻辑电路设计

5.4 火灾报警生化逻辑电路设计

5.5 仿真结果与分析

5.6 小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致 谢

参考文献

附录1 攻读学位期间所发表的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研课题

附录3 攻读硕士学位期间所获得的奖励