基于生物芯片的DNA計(jì)算

內(nèi)容概要

這本《基于生物芯片的DNA計(jì)算——模型算法及應(yīng)用》面向生物計(jì)算的學(xué)科前沿，討論了基于生物芯片的DNA計(jì)算模型、算法和應(yīng)用的若干方面，包括基于生物芯片的DNA計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，DNA計(jì)算的運(yùn)算系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、通信機(jī)制、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、一些典型的算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以及DNA計(jì)算在生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用。本書取材新穎，內(nèi)容深入淺出，材料豐富，理論密切結(jié)合實(shí)際，具有較高的學(xué)術(shù)水平和參考價(jià)值。
《基于生物芯片的DNA計(jì)算——模型算法及應(yīng)用》可作為高等院校有關(guān)專業(yè)高年級本科生或研究生的教材及參考書，也可供從事生物計(jì)算、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)控制、智能科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)等領(lǐng)域研究的教師和科技工作者參考使用。

書籍目錄

《智能科學(xué)技術(shù)著作叢書》序
前言
第1章 緒論
 1.1 引言
 1.2 DNA計(jì)算概述
 1.2.1 DNA計(jì)算的原理
 1.2.2 DNA計(jì)算的特點(diǎn)
 1.3 DNA計(jì)算的實(shí)現(xiàn)形式
 1.3.1 基于試管的DNA計(jì)算
 1.3.2 基于表面的DNA計(jì)算
 1.3.3 基于芯片的DNA計(jì)算
 1.4 DNA計(jì)算的研究現(xiàn)狀
 1.4.1 DNA計(jì)算的研究成果
 1.4.2 DNA計(jì)算的重要性
 1.4.3 DNA計(jì)算所面臨的困難和挑戰(zhàn)
 1.5 小結(jié)
 參考文獻(xiàn)
第2章 DNA計(jì)算的生物學(xué)基礎(chǔ)
 2.1 引言
 2.2 核酸的生物基礎(chǔ)
 2.3 DNA的結(jié)構(gòu)
 2.3.1 DNA的一級結(jié)構(gòu)
 2.3.2 DNA的二級結(jié)構(gòu)
 2.3.3 DNA的三級結(jié)構(gòu)
 2.4 DNA計(jì)算的分子生物操作
 2.4.1 計(jì)算工具——生化酶
 2.4.2 計(jì)算方法——分子操縱手段
 2.5結(jié)論
 參考文獻(xiàn)
第3章 面向DNA計(jì)算的智能芯片反應(yīng)裝置
 3.1 引言
 3.2 生物芯片
 3.2.1 生物芯片的概念
 3.2.2 生物芯片的類型
 3.3 芯片掃描系統(tǒng)
 3.3.1 芯片掃描系統(tǒng)概述
 3.3.2 自動(dòng)定位芯片掃描系統(tǒng)
 3.4 芯片電泳系統(tǒng)
 3.4.1 芯片電泳的工作原理
 3.4.2 芯片電泳高壓裝置
 3.5 芯片PCR系統(tǒng)
 3.5.1 芯片PCR概述
 3.5.2 智能芯片PCR系統(tǒng)
 3.6 智能芯片反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)
 3.7 芯片微管道自動(dòng)定位
 3.7.1 圖像細(xì)化算法概述
 3.7.2 基于圖像處理技術(shù)的微管道自動(dòng)定位方法
 3.7.3 自動(dòng)化分析改造的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 3.8 結(jié)論
 參考文獻(xiàn)
第4章 基于生物芯片的DNA計(jì)算模型
 4.1 引言
 4.2 模型的基本指令集
 4.3 基于生物芯片的DNA計(jì)算模型分析
 4.4 結(jié)論
 參考文獻(xiàn)
第5章 模塊化DNA計(jì)算機(jī)的分層通信機(jī)制
 5.1 引言
 5.2 微流控芯片
 5.3 基于電子計(jì)算機(jī)的DNA計(jì)算反應(yīng)器
 5.4 DNA計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)之間的分層通信模型
 5.5 層次通信模型中指令封裝/解釋層的研究
 5.5.1 指令封裝/解釋的編碼規(guī)則
 5.5.2 指令封裝/解釋的編碼實(shí)現(xiàn)
 5.5.3 指令封裝/解釋的通用性問題
 5.6 層次通信模型中反饋/接口層的研究
 5.7 層次通信模型中的算法實(shí)例
 5.7.1 選擇操作
 5.7.2 Hamilton路徑問題
 5.8 結(jié)論
 參考文獻(xiàn)
第6章 基于生物芯片的DNA計(jì)算模型的存儲系統(tǒng)
 6.1 引言
 6.2 DNA計(jì)算模型上存儲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
 6.3 DNA計(jì)算模型上棧式存儲模塊的實(shí)現(xiàn)
 6.4 DNA計(jì)算模型上鏈?zhǔn)酱鎯ζ鞯膶?shí)現(xiàn)
 6.4.1 存儲載體
 6.4.2 信息編碼
 6.5 小結(jié)
 參考文獻(xiàn)
第7章 基于生物芯片的DNA計(jì)算模型的運(yùn)算系統(tǒng)
 7.1 引言
 7.2 具有棧式存儲結(jié)構(gòu)的DNA自動(dòng)機(jī)
 7.3 基于DNA自動(dòng)機(jī)的二進(jìn)制串行加法
 7.3.1 基于DNA自動(dòng)機(jī)的一位二進(jìn)制進(jìn)位加法
 7.3.2 基于DNA自動(dòng)機(jī)的n位二進(jìn)制串行加法
 7.4 編碼示例
 7.5 DNA計(jì)算機(jī)中奇偶校驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)
 7.5.1 奇偶校驗(yàn)算法
 7.5.2 實(shí)現(xiàn)奇偶校驗(yàn)算法的有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)
 7.5.3 有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)的核苷酸編碼
 7.5.4 算法的仿真
 7.6 結(jié)論
 參考文獻(xiàn)
第8章 基于生物芯片的DNA計(jì)算模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
 8.1 引言
 8.2 DNA計(jì)算模型上堆棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
 8.2.1 DNA計(jì)算模型中堆棧的存儲結(jié)構(gòu)
 8.2.2 DNA計(jì)算模型中堆棧的生物操作
 8.2.3 DNA計(jì)算模型中堆棧的算法實(shí)例
 8.3 DNA計(jì)算模型上隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
 8.3.1 DNA計(jì)算模型中隊(duì)列的存儲結(jié)構(gòu)
 8.3.2 DNA計(jì)算模型中隊(duì)列的生物操作
 8.3.3 DNA計(jì)算模型中隊(duì)列的算法實(shí)例
 8.4 DNA計(jì)算模型上廣義表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
 8.4.1 廣義表的存儲結(jié)構(gòu)
 8.4.2 k-臂DNA分子
 8.4.3 廣義表鏈表結(jié)點(diǎn)的DNA分子表示
 8.4.4 DNA計(jì)算機(jī)中廣義表的操作
 8.5 結(jié)論
 參考文獻(xiàn)
第9章 隨機(jī)DNA計(jì)算的研究
 9.1 引言
 9.2 確定DNA有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)
 9.3 不確定DNA有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)
 9.4 DNA下推自動(dòng)機(jī)在回文識別中的應(yīng)用
 9.4.1 接受回文語言的下推自動(dòng)機(jī)
 9.4.2 可自治DNA下推自動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)
 9.5 不確定DNA有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)在基因網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
 9.5.1 基因表達(dá)的不確定有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)模型
 9.5.2 不確定DNA有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)的實(shí)現(xiàn)
 9.6 結(jié)論
 參考文獻(xiàn)
第10章 可信DNA計(jì)算的研究
 10.1 引言
 10.2 DNA計(jì)算的自復(fù)制性
 10.2.1 DNA片段自組裝
 10.2.2 二維DNA分子元胞自動(dòng)機(jī)
 10.3 DNA計(jì)算的可逆性.
 10.3.1 基于DNA計(jì)算的布爾電路
 10.3.2 可逆容錯(cuò)門電路
 10.3.3 基于DNA計(jì)算的可逆容錯(cuò)門電路
 10.4 結(jié)論
 參考文獻(xiàn)
第11章 0-1整數(shù)規(guī)劃問題的DNA求解
 11.1 引言
 11.2 0-1整數(shù)規(guī)劃問題及其解法
 11.2.1 0-1整數(shù)規(guī)劃問題的定義
 11.2.2 0-1整數(shù)規(guī)劃問題的電子計(jì)算機(jī)算法
 11.2.3 0-1整數(shù)規(guī)劃問題的通用DNA算法
 11.3 DNA計(jì)算模型上0-1整數(shù)規(guī)劃問題的算法
 11.3.1 基于芯片電泳的在線DNA片段分離
 11.3.2 用于實(shí)現(xiàn)算法的生物芯片
 11.3.3 算法描述
 11.4 仿真實(shí)例
 11.5 結(jié)論
 參考文獻(xiàn)
第12章 圖像模式識別的DNA算法
 12.1 引言
 12.2 基于句法的圖像識別及其在等腰三角形識別中應(yīng)用
 12.3 等腰三角形識別的DNA算法
 12.3.1 算法設(shè)計(jì)
 12.3.2 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)例
 12.3.3 生物實(shí)驗(yàn)
 12.4 人臉識別的DNA算法
 12.4.1 人臉識別的研究現(xiàn)狀
 12.4.2 一種基于奇異值分解的人臉識別方法
 12.4.3 結(jié)合DNA算法和奇異值分解的人臉識別算法
 12.5 結(jié)論
 參考文獻(xiàn)
第13章 基于生物芯片的背包問題DNA算法
 13.1 引言
 13.2 反應(yīng)設(shè)計(jì)和編碼實(shí)現(xiàn)
 13.2.1 背包問題的數(shù)學(xué)模型
 13.2.2 DNA反應(yīng)鏈的設(shè)計(jì)
 13.2.3 計(jì)算和結(jié)果檢測
 13.3 材料和方法
 13.3.1 實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備
 13.3.2 實(shí)驗(yàn)操作步驟
 13.3.3 克隆測序檢測
 13.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 13.4.1 反應(yīng)產(chǎn)物PCR結(jié)果
 13.4.2 克隆測序結(jié)果
 13.5 結(jié)論
 參考文獻(xiàn)
第14章 DNA計(jì)算在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用
 14.1 引言
 14.2 敗血癥基因芯片檢測模型
 14.2.1 方法
 14.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟
 14.3 基于DNA計(jì)算的疾病基因診療模型
 14.4 結(jié)論
 參考文獻(xiàn)
第15章 DNA計(jì)算在基因注釋以及蛋白質(zhì)組學(xué)上的應(yīng)用
 15.1 引言
 15.2 基于Apollo平臺的基因注釋
 15.2.1 為牛蜱的基因作注釋
 15.2.2 Apollo軟件的使用
 15.3 用蛋白質(zhì)組的方法研究牛蜱感染免疫疫苗
 15.4 基于分層通信模型的蛋白質(zhì)測量
 15.4.1 蛋白質(zhì)液相分離
 15.4.2 2D凝膠電泳
 15.5 牛蜱胃液蛋白質(zhì)組分析
 15.6 結(jié)論
 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：第1章 緒論1.1 引言進(jìn)入21世紀(jì)，隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多復(fù)雜系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，如NP完全問題、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測、藥物篩選等。電子計(jì)算機(jī)在解決這類復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)常常顯得無能為力，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，與要解決的實(shí)際問題相比，電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度太慢，無法在可行時(shí)間內(nèi)解決這些實(shí)際問題；另一方面，目前的電子計(jì)算機(jī)存儲容量太小，在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和算法下，其內(nèi)存遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足解決這些復(fù)雜問題的實(shí)際需要。雖然電子計(jì)算機(jī)也正向高速度、大容量、小體積方向飛速發(fā)展，但是集成電路的復(fù)雜性、硅芯片的存儲極限以及傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)本身計(jì)算方法的局限性，使得計(jì)算機(jī)在實(shí)現(xiàn)超微結(jié)構(gòu)、超大存儲容量、超高速運(yùn)算等方面存在很大困難。電子計(jì)算機(jī)是否可能走入窮途末路？摩爾定律是否還能繼續(xù)有效？目前的現(xiàn)狀是，越來越高的集成度要求向傳統(tǒng)的集成電路工藝提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而集成電路的發(fā)展已經(jīng)越來越接近技術(shù)所能容許的極限。首先，電子通道的布線因越來越密而變得越來越難，因?yàn)榫w管之間連接導(dǎo)線的厚度已被蝕刻到0.18μm，電路線寬在0.1μm以下將不可避免地達(dá)到僅有單個(gè)分子大小的物理學(xué)極限，現(xiàn)在指甲蓋大小的面積上已經(jīng)能安裝上百萬個(gè)晶體管，再增加晶體管數(shù)量是很困難的，必須考慮別的途徑；其次，由于電流效應(yīng)，在更小的硅芯片上布設(shè)更密的電路將導(dǎo)致過熱的高溫而使硅芯片難以承受。多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為，隨著半導(dǎo)體晶體管的尺寸接近納米級，不僅芯片發(fā)熱等副作用逐漸顯現(xiàn)，電子的運(yùn)行也難以控制，半導(dǎo)體晶體管將不再可靠?；谶@些原因，科學(xué)家一直在尋求新的取代電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算技術(shù)，以滿足這些新的需要。生命的發(fā)展是一個(gè)漫長的過程，生命體在遺傳、變異和選擇的作用下不斷地向前發(fā)展和進(jìn)化。生命體是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。生命為了維持遠(yuǎn)離平衡的耗散結(jié)構(gòu)，必須能夠進(jìn)行自組織、自適應(yīng)。任何生命在其存在的每一瞬間，都在不斷地調(diào)節(jié)自己內(nèi)部各種機(jī)能的狀況，調(diào)整自身與外界環(huán)境的關(guān)系。高等生物的自我調(diào)節(jié)是多層次的，其中包括分子的、細(xì)胞的、整體的調(diào)節(jié)。即使是原核生物也有自我調(diào)節(jié)，而且它也是通過多種途徑實(shí)現(xiàn)的，例如，細(xì)菌有能力合成許多自身所需要的分子，可是某一分子是否合成，合成的速度如何，則隨自身內(nèi)部狀態(tài)與環(huán)境的不同而不同。細(xì)菌內(nèi)部所需要的分子，既不過多地產(chǎn)生，也不感到缺乏，而是靠自身的調(diào)節(jié)機(jī)制完成的。生命的基本組成―――脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA）、酶、蛋白質(zhì)，能夠完成這些復(fù)雜的生物任務(wù)。從這個(gè)意義上說，生命系統(tǒng)可看成一個(gè)高級信息處理系統(tǒng)，生命自開始就進(jìn)行著各種復(fù)雜的計(jì)算。計(jì)算機(jī)科學(xué)中的很多技術(shù)都是受到生命信息系統(tǒng)的啟發(fā)而發(fā)展的，如元胞自動(dòng)機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化計(jì)算、免疫計(jì)算等。我們知道，蝙蝠是用超聲波來進(jìn)行定向的，然而人類制成一臺這樣的超聲定向儀，其體積卻比蝙蝠大上許多倍。生物體的這種高效能和超小型使科學(xué)家獲得啟發(fā)：能否也用有機(jī)物來制造計(jì)算機(jī)呢？生物分子的大小在納米尺度，同時(shí)生物分子具有良好的可操作性與強(qiáng)大的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)能力，這就為利用生物分子元件組裝成生物計(jì)算機(jī)的研究提供了可能。在生物計(jì)算領(lǐng)域，DNA計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā)展引起了研究者的廣泛關(guān)注［1］。1.2 DNA計(jì)算概述DNA是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。DNA由4種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶（分別簡稱為A，G，C和T）組合而成。堿基的排列組合存儲著生物遺傳信息。DNA的一個(gè)重要特性是DNA鏈可以通過堿基互補(bǔ)配對作用形成雙鏈，而且這種配對具有高度的特異性：A只能與T，G只能與C配對。同一平面的堿基在兩條骨架之間形成堿基對：G和C之間有三個(gè)氫鍵，而A和T之間只有兩個(gè)氫鍵。DNA計(jì)算就是通過DNA分子的這些特點(diǎn)而構(gòu)建的，即將運(yùn)算信息編碼在DNA鏈上，并通過DNA片段之間特定的生化操作來得出運(yùn)算結(jié)果。光束分離器。微陣列上各點(diǎn)的熒光釋放強(qiáng)度通常要比激發(fā)光強(qiáng)度弱幾個(gè)數(shù)量級，要從激發(fā)光中檢測出微弱的熒光信號，就需要對這兩種類型的光進(jìn)行分離，由于光束中的光波長不相同，可利用光波分離將不同的光分開。許多裝有目鏡的掃描儀采用的是表面照明方式，激發(fā)光束與釋放光束從樣品到目鏡經(jīng)過同樣的路徑只是方向相反。這種途徑使得從樣品上反射和散射的光與熒光束混合在一起，所以需要用光束分離器對混合光進(jìn)行分離。一種類型的光束過濾器是色彩二向或多向過濾器，它將激發(fā)光束反射并把釋放光束以一較長的波長傳輸。這種濾光器對一、二或三種不同的激發(fā)／釋放光都可進(jìn)行較好的分離，但若超過四種以上的混合光束則分離有困難。另外一種類型的光線分離器稱為幾何光線分離器，如圖3.4 所示。在掃描系統(tǒng)中，目鏡的數(shù)值孔徑為0.6 ，像素的大小為10mm，從目鏡出來的激發(fā)光束比釋放光束細(xì)，一個(gè)小反光鏡將激光束反射但是讓環(huán)形部分的釋放光束通過，其分離效果與波長光束分離器相同。從理論上來說，光束分離器可以完全將激發(fā)和釋放光束分開，但實(shí)際上并非如此，通常在探測器前放濾光片過濾釋放光束。這些濾光片只允許染料的釋放高峰附近很窄的一段波長的光通過，而其他波長的光包括激發(fā)光都被阻擋了。這是微陣列掃描儀必需的第二道光束分離裝置。有的掃描儀不用光束分離器而是將激發(fā)光束和釋放光束放在不同的軸上。該方法能將釋放光路徑的激發(fā)光發(fā)射回去，但卻難以達(dá)到較高的數(shù)值孔徑，因?yàn)槟跨R離樣品很近，通常小于Imm，所以激發(fā)光束能進(jìn)入目鏡的角度范圍很小。

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《基于生物芯片的DNA計(jì)算:模型、算法及應(yīng)用》是智能科學(xué)技術(shù)著作叢書之一。

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