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基于DNA变构的智能分子信息处理研究进展
1
作者 郑学东 谭诗霖 《沈阳航空航天大学学报》 2025年第1期1-13,共13页
因其强大的信息存储和编程能力,DNA被视为最有前途的新型信息存储与处理材料,亟需开发新型DNA操纵技术及信息处理策略,以在非传统介质中实现纳米级信息存储与处理,为构造新一代智能分子信息处理系统提供工具。基于生物体内信号调控与通... 因其强大的信息存储和编程能力,DNA被视为最有前途的新型信息存储与处理材料,亟需开发新型DNA操纵技术及信息处理策略,以在非传统介质中实现纳米级信息存储与处理,为构造新一代智能分子信息处理系统提供工具。基于生物体内信号调控与通讯的基本机制,从DNA变构的角度,对近年来的相关研究进行了总结。首先,对DNA电路的相关研究进行了总结,包括DNA链置换技术及蛋白质酶的应用。然后,从信息处理及计算平台两方面,对智能分子信息处理的重要研究成果进行了分析与总结,包括DNA神经网络、具备学习能力的模拟生化反应系统、基于DNA折纸的计算框架等。通过梳理这些成果,分析了当前智能分子信息处理研究中面临的关键问题,并给出了潜在的解决方案。最后,对该领域的未来发展方向及应用前景进行了总结与展望,相信分子信息处理技术将为人类社会带来更加高效、智能的信息处理方式。 展开更多
关键词 DNA链置换 DNA电路 分子信息处理 DNA变构 DNA神经网络
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基于变构设计的可编程分子逻辑计算电路研究
2
作者 叶帕莉 许智榜 石晓龙 《广州大学学报(自然科学版)》 2025年第4期37-47,共11页
计算机技术发展面临硅基芯片物理极限与冯·诺依曼架构能效瓶颈的双重挑战,推动计算范式向生物分子计算等新兴领域延伸。脱氧核酶(DNAzyme)作为生物计算的重要工具,其应用目前局限于单层逻辑运算。文章提出模块化分子电路设计策略,... 计算机技术发展面临硅基芯片物理极限与冯·诺依曼架构能效瓶颈的双重挑战,推动计算范式向生物分子计算等新兴领域延伸。脱氧核酶(DNAzyme)作为生物计算的重要工具,其应用目前局限于单层逻辑运算。文章提出模块化分子电路设计策略,在DNAzyme动态催化机制基础上引入变构调节链,构建了可编程的加权求和门、阈值门和减法门等逻辑门,并通过级联实现了分子神经元和分子分类器。该研究通过NUPACK仿真和生化实验验证表明,所设计的逻辑门能稳定实现特定运算;进一步通过VisualDSD仿真和实验证实了分子神经元和分类器的功能。该研究为发展复杂生物计算系统提供了新的技术路径。 展开更多
关键词 DNA计算 DNAZYME DNA链置换 逻辑门 神经元
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人脑组织-机器生物计算机问世
3
作者 吴玉(编译) 《自然杂志》 CAS 2024年第1期11-11,34,共2页
在2023年12月11日发表于《自然-电子学》的一项研究中,科学家制造了一种混合生物计算机,将实验室培养的人类脑组织与传统电子硬件结合在一起,可以完成语音识别等任务。
关键词 生物计算机 语音识别 人脑组织 实验室培养 硬件 电子学 科学家
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DNA数据存储中信息处理技术的研究进展与挑战 被引量：2
4
作者 刘杨奕 张轶 刘凯 《集成技术》 2024年第3期25-38,共14页
作为新一代信息存储介质,DNA具有高信息密度和长期保存能力,有望解决全球数据存储介质耗竭的问题。但目前DNA信息存储技术的发展主要围绕信息“冷存储”开展,这使得存储过程中出现修改、更新、删除、销毁等需求时束手无策。该文从“冷... 作为新一代信息存储介质,DNA具有高信息密度和长期保存能力,有望解决全球数据存储介质耗竭的问题。但目前DNA信息存储技术的发展主要围绕信息“冷存储”开展,这使得存储过程中出现修改、更新、删除、销毁等需求时束手无策。该文从“冷存储”技术的现状出发,通过归纳总结DNA信息存储介质难以实现“热存储”应用的原因,解析用于信息处理功能的一系列“热存储”技术,包括加密销毁、重写再生、擦除恢复、运算记录等,详细论证DNA介质用作信息处理载体的可行性与有效性,分析各技术之间的关联性和挑战性,以期为DNA存储技术低能耗、高精准、高效率、高安全性的应用奠定基础,并推动新一代智能型信息存储介质和信息处理系统的发展。 展开更多
关键词 脱氧核糖核酸 信息存储 高密度存储 信息处理 信息安全
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基于动态遗传算法的DNA序列集合设计(英文) 被引量：10
5
作者 张强 王宾 +1 位作者 张锐 许春霞 《计算机学报》 EI CSCD 北大核心 2008年第12期2193-2199,共7页
DNA编码序列的质量与数量直接影响着DNA计算的可靠性和规模,如何找到尽可能好的及尽可能多的DNA序列用于实际的应用一直是DNA计算的一个核心问题.文中首先介绍了研究DNA编码和DNA序列集合对DNA计算的意义,并给出了DNA序列设计的汉明距... DNA编码序列的质量与数量直接影响着DNA计算的可靠性和规模,如何找到尽可能好的及尽可能多的DNA序列用于实际的应用一直是DNA计算的一个核心问题.文中首先介绍了研究DNA编码和DNA序列集合对DNA计算的意义,并给出了DNA序列设计的汉明距离和反汉明距离约束条件的定义.DNA序列集合的研究对DNA计算的可靠性和规模有着重要的影响,因此文中利用遗传算法和动态遗传算法来设计满足上述约束条件的DNA序列集合,通过对两种方法所得结果的比较,证明了动态遗传算法明显优于遗传算法.与此同时,将文中所得到的实验结果与前人的研究成果进行比较可知,文中的结果大幅提高了DNA编码的上界,从而进一步缩小了DNA编码界的取值范围.并且文中所给出的实验结果,对以后DNA编码的理论界的研究以及编码理论中关于4元码界的研究,提供了重要的参考值. 展开更多
关键词 DNA序列集合 遗传算法 汉明距离 反汉明距离 动态遗传算法
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DNA计算机的研究和展望 被引量：7
6
作者 陈惟昌 陈志华 +1 位作者 邱红霞 王自强 《生物化学与生物物理进展》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2001年第2期156-159,共4页
DNA计算机是计算机科学和分子生物学互相结合、互相渗透而产生的新兴交叉研究领域 .目前已取得较大进展 .DNA计算机是以编码的DNA序列为运算对象 ,通过分子生物学的运算操作以解决复杂的数学难题 .DNA计算机的重要特点是信息容量的巨量... DNA计算机是计算机科学和分子生物学互相结合、互相渗透而产生的新兴交叉研究领域 .目前已取得较大进展 .DNA计算机是以编码的DNA序列为运算对象 ,通过分子生物学的运算操作以解决复杂的数学难题 .DNA计算机的重要特点是信息容量的巨量性和密集性 ,和处理操作的高度并行性 ,通过强力搜索策略迅速得出正确的答案 ,从而使其运算速度大大超过常规计算机的计算速度 .介绍了DNA计算机的近期进展和工作原理及其分子生物学的运算操作过程 .并对DNA计算机的未来发展前景及在生物信息学中的意义 ,进行了分析和讨论 . 展开更多
关键词 DNA计算机 NP完全问题 并行处理 强力搜索策略 互补DNA链
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基于汉明距离的DNA编码约束研究 被引量：9
7
作者 张凯 肖建华 +1 位作者 耿修堂 邵泽辉 《计算机工程与应用》 CSCD 北大核心 2008年第14期24-26,共3页
DNA计算是将现实问题进行编码映射到DNA分子上,通过生物实验产生出代表问题的解的DNA分子,最后通过检测技术提取出该DNA分子。高质量的DNA编码可以尽可能避免或减少计算过程中出现的错误,并使检测阶段易于提取出代表问题的解的DNA分子。... DNA计算是将现实问题进行编码映射到DNA分子上,通过生物实验产生出代表问题的解的DNA分子,最后通过检测技术提取出该DNA分子。高质量的DNA编码可以尽可能避免或减少计算过程中出现的错误,并使检测阶段易于提取出代表问题的解的DNA分子。对DNA编码约束进行了研究,分析了基于汉明距离的编码约束可以有效降低DNA分子间相似程度,减少DNA计算过程中DNA分子间的相互干扰,从而提高DNA计算的有效性和可靠性。还证明了基于汉明距离的编码约束存在等价的序列组合,降低了编码计算的复杂度。 展开更多
关键词 DNA计算 DNA编码设计 汉明距离 特异性杂交
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DNA计算机中队列数据结构的设计及实现 被引量：17
8
作者 李汪根 丁永生 《计算机学报》 EI CSCD 北大核心 2007年第6期993-998,共6页
提出了DNA计算机中队列数据结构的设计方法,该方法利用两种不同的限制性内切酶完成队列的入队和出队操作,并给出了队列的DNA编码和仿真实例.首先给出了DNA计算机中队列存储结构的形式描述;然后详细给出了DNA计算机中队列初始化、入队和... 提出了DNA计算机中队列数据结构的设计方法,该方法利用两种不同的限制性内切酶完成队列的入队和出队操作,并给出了队列的DNA编码和仿真实例.首先给出了DNA计算机中队列存储结构的形式描述;然后详细给出了DNA计算机中队列初始化、入队和出队等操作的生物实现方法;最后给出了一个具体算法的实例,仿真了DNA计算机上该算法的运行机制.仿真结果表明文中提出的队列的设计方法在DNA计算机上切实可行.这种方法可推广到DNA计算机上其他类型的数据结构,帮助DNA计算机合理、有效地组织需要处理的信息,从而使DNA计算机走向实际应用. 展开更多
关键词 DNA计算机 数据结构 队列 DNA编码 存储结构
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关于DNA计算的基本原理与探讨 被引量：21
9
作者 李人厚 余文 《计算机学报》 EI CSCD 北大核心 2001年第9期972-978,共7页
该文综述了 DNA计算的原理及其当前发展的动向 .DNA计算虽然刚刚兴起不久 ,但它是一个新的交叉学科和研究领域 ,有不可估量的应用潜力 .文中指出了
关键词 DNA计算 NP完全问题 并行进化算法 分子计算机
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探索信息系统的异构性问题 被引量：11
10
作者 曾国荪 陈闳中 《计算机工程与应用》 CSCD 北大核心 2003年第19期1-4,54,共5页
同构是相对的,异构是绝对的。异构性在信息系统中普遍存在,它是信息共享以及信息系统之间互操作的主要障碍。该文探索了信息系统异构性的合理化描述,给出几种定义异构性的方法。另外,异构性和任何事物一样,存在积极和消极的两个方面。... 同构是相对的,异构是绝对的。异构性在信息系统中普遍存在,它是信息共享以及信息系统之间互操作的主要障碍。该文探索了信息系统异构性的合理化描述,给出几种定义异构性的方法。另外,异构性和任何事物一样,存在积极和消极的两个方面。论文研究并指出开发和利用异构性可增强信息系统的功能,屏蔽和抑制异构性可消除负面影响,从而拓宽信息系统的互操作和可用性。以上研究工作尚处于起步阶段,为深入探索异构性的规律及解决方案奠定了基础。 展开更多
关键词 信息系统 异构性 异构性定义 开发异构性 隐藏异构性
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DNA计算机中二叉树的链式存储结构 被引量：5
11
作者 朱雅莉 李肯立 李琳 《计算机应用研究》 CSCD 北大核心 2008年第9期2631-2633,2636,共4页
利用DNA分子和连接酶的生物特性,提出DNA计算机中二叉树的链式存储结构的设计方法,并给出二叉树链式存储结构的形式描述。在连接酶的作用下,各节点之间产生杂交和连接反应形成DNA双链,其中用到的生物技术在实验室中都能实现。为了验证... 利用DNA分子和连接酶的生物特性,提出DNA计算机中二叉树的链式存储结构的设计方法,并给出二叉树链式存储结构的形式描述。在连接酶的作用下,各节点之间产生杂交和连接反应形成DNA双链,其中用到的生物技术在实验室中都能实现。为了验证方法的可行性,给出一棵二叉树的链式存储结构实例,实例表明该设计方法构造的DNA双链对应于二叉树的中序遍历序列。 展开更多
关键词 DNA计算机 二叉树 数据结构 链式存储结构
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图论中的DNA计算模型 被引量：7
12
作者 殷志祥 张家秀 《系统工程与电子技术》 EI CSCD 北大核心 2007年第7期1159-1163,共5页
基于生化反应机理的DNA计算模型受到科学领域内许多不同学科学者们的关注。DNA计算已经形成国际科学前沿领域内研究的一个新的热点。主要介绍了近几年国内关于图论的DNA计算模型研究的现状及研究进展。分析了图论的DNA计算模型中存在的... 基于生化反应机理的DNA计算模型受到科学领域内许多不同学科学者们的关注。DNA计算已经形成国际科学前沿领域内研究的一个新的热点。主要介绍了近几年国内关于图论的DNA计算模型研究的现状及研究进展。分析了图论的DNA计算模型中存在的问题。指出未来国内DNA计算研究的重点可以在三个方面:解的检测,降低空间复杂度,生化实验研究。 展开更多
关键词 DNA计算 图论 最大团 最小顶点覆盖 赋权图
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背包问题DNA算法的反应设计及其生物实现(英文) 被引量：4
13
作者 朱莹 任立红 +1 位作者 丁永生 Kongsuwan Kritaya 《计算机学报》 EI CSCD 北大核心 2008年第12期2207-2214,共8页
有关背包问题的DNA算法近年来得到重视,文中实现了求解背包问题的并行搜索解的实验,通过最优的方法完成有限容量背包的物品选择.展示了面向反应的DNA片段设计,计算过程为溶液DNA高效连接反应,反应结果分别用定量(PCR)和定性(测序)两种... 有关背包问题的DNA算法近年来得到重视,文中实现了求解背包问题的并行搜索解的实验,通过最优的方法完成有限容量背包的物品选择.展示了面向反应的DNA片段设计,计算过程为溶液DNA高效连接反应,反应结果分别用定量(PCR)和定性(测序)两种方法检测.文中的方法适用于多重约束条件的优化问题. 展开更多
关键词 背包问题 DNA计算 引物设计 高效连接 克隆测序
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基于微流控技术图顶点着色问题的DNA计算模型 被引量：3
14
作者 张勋才 牛莹 郗方 《吉林大学学报（工学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第1期206-211,共6页
为减少DNA计算中的人为操作,实现对生化操作的精确控制,设计了一种基于微流控技术求解图顶点着色问题的微流控DNA计算模型。通过温度来控制微反应器中DNA链库与磁珠探针的杂交与变性,并利用不同电极间的电位差来驱动DNA分子在微通道内... 为减少DNA计算中的人为操作,实现对生化操作的精确控制,设计了一种基于微流控技术求解图顶点着色问题的微流控DNA计算模型。通过温度来控制微反应器中DNA链库与磁珠探针的杂交与变性,并利用不同电极间的电位差来驱动DNA分子在微通道内移动以实现整个计算过程。分析表明,采用本文模型可以自动化地求解任意一个图顶点着色问题,提高了DNA计算的可靠性。 展开更多
关键词 计算机应用 DNA计算机 图顶点着色问题 微流控技术
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DNA计算机中堆栈数据结构的设计 被引量：15
15
作者 朱雅莉 李肯立 《计算机工程与科学》 CSCD 2008年第4期121-123,127,共4页
数据结构的设计对DNA计算机的具体实现有重要的研究价值。本文在参考已有队列数据结构设计的基础上,利用堆栈的特点、DNA分子和限制性内切酶的生物特性,提出了DNA计算机中堆栈数据结构的设计方法,给出了堆栈的DNA编码及算法实例。实例... 数据结构的设计对DNA计算机的具体实现有重要的研究价值。本文在参考已有队列数据结构设计的基础上,利用堆栈的特点、DNA分子和限制性内切酶的生物特性,提出了DNA计算机中堆栈数据结构的设计方法,给出了堆栈的DNA编码及算法实例。实例结果表明了此设计方法在DNA计算机上的可行性和可推广性。 展开更多
关键词 DNA计算机 堆栈 数据结构 限制性内切酶
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高维空间中基于DNA计算的RNA数字编码的运算法则 被引量：6
16
作者 李书超 许进 潘林强 《科技通报》 北大核心 2003年第6期461-465,共5页
随着DNA计算机的发展,用RNA代替DNA来进行大规模的计算已成为很有价值的研究课题,同时对RNA序列进行数字编码有其生物学和数学背景.RNA序列的高维空间二进制数字编码,除可以对RNA序列的碱基结构、功能基团、碱基互补、氢键强弱等性质进... 随着DNA计算机的发展,用RNA代替DNA来进行大规模的计算已成为很有价值的研究课题,同时对RNA序列进行数字编码有其生物学和数学背景.RNA序列的高维空间二进制数字编码,除可以对RNA序列的碱基结构、功能基团、碱基互补、氢键强弱等性质进行编码之外,还可以方便地进行数学运算和逻辑运算.RNA序列高维空间数字编码的运算法则是:(1)根据RNA序列数码的奇偶性质,可以推导出其与末位碱基的对应关系.当RNA序列R的数值X(R)=4n,4n+1,4n+2,4n+3时,其末位碱基依次为C,U,A,G(n=1,2,…);(2)提出RNA序列高维空间的表观维数Nv,数值维数Nx及差异维数Nd的概念.当Nd=0时,首位碱基为A或G,当Nd=2n或2n+1(n=1,2,…)时,首位碱基为Cn或(C)nU;(3)提出RNA子序列的概念并定义RNA子序列的定值部Xi(digitalvalue)和定位部Wi(locationvalue)及其计算公式;(4)导出RNA序列的延长运算、删除运算、缺失运算、插入运算、转位运算、换位运算和置换运算等的运算法则. 展开更多
关键词 计算机工程 DNA计算 数字编码 表观维数 DNA序列运算法则
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DNA计算机中基于顺序存储方式的二叉树数据结构 被引量：5
17
作者 朱雅莉 李肯立 《计算机应用》 CSCD 北大核心 2008年第6期1591-1594,共4页
数据结构的设计对DNA计算机的具体实现有重要研究价值。提出了DNA计算机中基于顺序存储方式的二叉树数据结构的设计方法,该方法利用DNA分子和限制性内切酶的生物特性,完成二叉树的顺序存储结构和基本操作。其中用到的生物技术在实验室... 数据结构的设计对DNA计算机的具体实现有重要研究价值。提出了DNA计算机中基于顺序存储方式的二叉树数据结构的设计方法,该方法利用DNA分子和限制性内切酶的生物特性,完成二叉树的顺序存储结构和基本操作。其中用到的生物技术在实验室中都能实现。为了验证方法的可行性,给出了一个二叉树的DNA编码及仿真实例,仿真结果表明该二叉树设计方法在DNA计算机中切实可行。 展开更多
关键词 DNA计算机 二叉树 数据结构 顺序存储结构
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图3-着色问题的O(2^n)链数DNA计算机算法 被引量：2
18
作者 李肯立 周旭 许进 《电子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第11期2096-2101,共6页
随着DNA计算的不断发展,如何克服穷举算法带来的指数爆炸问题已成为DNA计算领域的重要研究目标之一.为减少图3-着色问题DNA计算机算法中的DNA链数,本文将Adleman-Lipton模型生物操作与粘贴模型解空间相结合的DNA计算模型进行扩展,通过... 随着DNA计算的不断发展,如何克服穷举算法带来的指数爆炸问题已成为DNA计算领域的重要研究目标之一.为减少图3-着色问题DNA计算机算法中的DNA链数,本文将Adleman-Lipton模型生物操作与粘贴模型解空间相结合的DNA计算模型进行扩展,通过设计顶点着色器、稀疏图/稠密图搜索器,提出一种用于求解图3-着色问题的DNA计算模型与算法.将本算法与同类算法对比分析表明:本算法在保持多项式操作时间的条件下,将求解n个顶点的图3-着色问题所需DNA分子链数从O(3n)减少至O(2n),改进了3-着色问题同类文献的研究结果. 展开更多
关键词 DNA超级计算 图3-着色问题 剪枝策略 NP完全问题
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分子生物计算机层次结构及分子计算基本概念的讨论 被引量：2
19
作者 洪龙 朱梧槚 王建东 《南京邮电大学学报（自然科学版）》 EI 2006年第6期43-47,共5页
分子生物计算是当今世界科学前沿的研究热点。由于分子生物计算领域研究者的兴趣已从验证性的算法阶段开始走向实际应用,所以研究通用分子生物计算机是一件重要且有趣的事。针对报道中频繁出现的分子生物计算机、分子生物计算机的硬件... 分子生物计算是当今世界科学前沿的研究热点。由于分子生物计算领域研究者的兴趣已从验证性的算法阶段开始走向实际应用,所以研究通用分子生物计算机是一件重要且有趣的事。针对报道中频繁出现的分子生物计算机、分子生物计算机的硬件和软件等基本术语,文中继承性地提出了新观点,对这些概念的讨论有益于分子生物计算机的研究与发展。文中还设计了面向不同用户的分子生物计算机逻辑层次结构,并描述了各层的作用和对各类用户的知识要求。该文认为,在分子生物计算机中,至少应有面向用户和面向专家的程序设计语言,并以求解有向Ham ilton路径为例,分别描述了这两种语言的模式。此外,在建立了一种分子生物计算机物理模型之后,还对分子生物计算机结构和组成进行了较详细的讨论。这些工作使研究分子生物计算机,有了不同的方向和途径。 展开更多
关键词 分子计算 层次 模型 分子处理单元
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基于DNA链置换反应的自然数素性判定问题研究 被引量：2
20
作者 王子成 豆根生 +1 位作者 周小刚 叶盟盟 《郑州大学学报（工学版）》 CAS 北大核心 2015年第5期96-100,共5页
借助自组装DNA计算的显著优势,采用DNA链置换反应原理开展了自然数的素性判定问题研究.首先,构造了有关DNA分子逻辑门,并构建了相应的DNA分子计算模型,然后设计了用于自然数素性判定的分子逻辑电路.最后基于Visual DSD仿真平台,对分子... 借助自组装DNA计算的显著优势,采用DNA链置换反应原理开展了自然数的素性判定问题研究.首先,构造了有关DNA分子逻辑门,并构建了相应的DNA分子计算模型,然后设计了用于自然数素性判定的分子逻辑电路.最后基于Visual DSD仿真平台,对分子逻辑电路进行仿真.结果表明:采用的分子逻辑电路能够实现自然数的素性判断. 展开更多
关键词 DNA链置换 素性判定 逻辑电路
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