高级搜索

基于DNA折纸基底的与非门计算模型

殷志祥 唐震 张强 崔建中 杨静 王日晟 赵寿为 张居丽

引用本文: 殷志祥, 唐震, 张强, 崔建中, 杨静, 王日晟, 赵寿为, 张居丽. 基于DNA折纸基底的与非门计算模型[J]. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190825 shu
Citation:  Zhixiang YIN, Zhen TANG, Qiang ZHANG, Jianhong CUI, Jing YANG, Risheng WANG, Shouwei ZHAO, Juli ZHANG. NAND Gate Computational Model Based on the DNA Origami Template[J]. Journal of Electronics and Information Technology, doi: 10.11999/JEIT190825 shu

基于DNA折纸基底的与非门计算模型

    作者简介: 殷志祥: 男,1966年生,教授,研究方向为DNA计算和DNA自组装;
    唐震: 男,1994年生,博士生,研究方向为DNA计算和DNA自组装;
    张强: 男,1971年生,教授,研究方向为生物计算、智能机器人和医疗大数据处理;
    崔建中: 男,1973年生,博士生,研究方向为DNA计算和DNA自组装;
    杨静: 女,1980年生,副教授,研究方向为DNA计算和DNA自组装;
    王日晟: 男,1993年生,博士生,研究方向为DNA计算和DNA自组装;
    赵寿为: 女,1982年生,博士,研究方向为应用数学;
    张居丽: 女,1982年生,博士,研究方向为计算数学
    通讯作者: 唐震,1179145666@qq.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(61672001, 61702008, 11801362),军委科技委前沿创新计划重点项目(18-163-ZT-005-009-01),安徽省自然科学基金项目(1808085MF193),安徽省高校自然科学研究项目(KJ2019A0538)

摘要: 与非门的本质是与门和非门的叠加,先进行与运算,再进行非运算,它是建立DNA计算机的基础。为了实现与非门的计算,该文在DNA折纸基底上建立了一个与非门计算模型,逻辑值的输入是通过在DNA折纸基底上发生有向的杂交链式反应来完成的,输入链先经过与门区域再经过非门区域,最后通过DNA折纸基底上是否还保留纳米金颗粒来显示计算结果的真假。利用Visual DSD对该计算模型进行仿真模拟,显示该计算模型具有较好的可行性。

English

    1. [1]

      ADLEMAN L M. Molecular computation of solutions to combinatorial problems[J]. Science, 1994, 266(5187): 1021–1024. doi: 10.1126/science.7973651

    2. [2]

      LIPTON R J. DNA solution of hard computational problems[J]. Science, 1995, 268(5210): 542–545. doi: 10.1126/science.7725098

    3. [3]

      SAKAMOTO K, GOUZU H, KOMIYA K, et al. Molecular computation by DNA hairpin formation[J]. Science, 2000, 288(5469): 1223–1226. doi: 10.1126/science.288.5469.1223

    4. [4]

      YIN Zhixiang, CUI Jianzhong, YANG Jing, et al. DNA computing model of the integer linear programming problem based on molecular beacon[C]. International Conference on Intelligent Computing, Kunming, China, 2006: 238–247.

    5. [5]

      GUO Ping and LIU Lili. A surface-based DNA algorithm for the 0–1 programming problem[C]. The 3rd International Conference on Innovative Computing Information and Control, Dalian, China, 2008.

    6. [6]

      QIAN Lulu and WINFREE E. Scaling up digital circuit computation with DNA strand displacement cascades[J]. Science, 2011, 32(6034): 1196–1201.

    7. [7]

      YANG Jing, ZHANG Cheng, LIU Shi, et al. A molecular computing model for 0-1 programming problem using DNA nanoparticles[J]. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 2013, 10(10): 2380–2384. doi: 10.1166/jctn.2013.3218

    8. [8]

      LI Fei, LIU Jingming, and LI Zheng. DNA computation based on self-assembled nanoparticle probes for 0-1 integer programming problem[J]. Mathematics and Computers in Simulation, 2018, 151: 140–146. doi: 10.1016/j.matcom.2017.02.004

    9. [9]

      YIN Zhixiang, CUI Jianzhong, and YANG Jing. Integer programming problem based on plasmid DNA computing model[J]. Chinese Journal of Electronics, 2017, 26(6): 1284–1288. doi: 10.1049/cje.2017.07.013

    10. [10]

      XU Jin, QIANG Xiaoli, ZHANG Kai, et al. A DNA computing model for the graph vertex coloring problem based on a probe graph[J]. Engineering, 2018, 4(1): 61–77. doi: 10.1016/j.eng.2018.02.011

    11. [11]

      YURKE B, TURBERFIELD A J, MILLS JR A P, et al. A DNA-fuelled molecular machine made of DNA[J]. Nature, 2000, 406(6796): 605–608. doi: 10.1038/35020524

    12. [12]

      DIRKS R M and PIERCE N A. Triggered amplification by hybridization chain reaction[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2004, 101(43): 15275–15278. doi: 10.1073/pnas.0407024101

    13. [13]

      ROTHEMUND P W K. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns[J]. Nature, 2006, 440(7082): 297–302. doi: 10.1038/nature04586

    14. [14]

      LAKIN M R, PARKER D, CARDELLI L, et al. Design and analysis of DNA strand displacement devices using probabilistic model checking[J]. Journal of the Royal Society Interface, 2012, 9(72): 1470–1485. doi: 10.1098/rsif.2011.0800

    15. [15]

      CONDON A, KIRKPATRICK B, and MAŇUCH J. Reachability bounds for chemical reaction networks and strand displacement systems[J]. Natural Computing, 2014, 13(4): 499–516. doi: 10.1007/s11047-013-9403-8

    16. [16]

      MARDIAN R, SEKIYAMA K, and FUKUDA T. DNA strand displacement for stochastic decision making based on immune’s clonal selection algorithm[J]. Information Technologies Knowledge, 2013, 7(1): 34–45.

    17. [17]

      YANG Jing, DONG Chen, DONG Yafei, et al. Logic nanoparticle beacon triggered by the binding-induced effect of multiple inputs[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(16): 14486–14492.

    18. [18]

      YANG Jing, JIANG Shuoxing, LIU Xiangrong, et al. Aptamer-binding directed DNA origami pattern for logic gates[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(49): 34054–34060.

    19. [19]

      PAN Linqiang, WANG Zhiyu, LI Yifan, et al. Nicking enzyme-controlled toehold regulation for DNA logic circuits[J]. Nanoscale, 2017, 9(46): 18223–18228. doi: 10.1039/C7NR06484E

    20. [20]

      YANG Jing, WU Ranfeng, LI Yifan, et al. Entropy-driven DNA logic circuits regulated by DNAzyme[J]. Nucleic Acids Research, 2018, 46(16): 8532–8541. doi: 10.1093/nar/gky663

    21. [21]

      XU Fei, WU Tingfang, SHI Xiaolong, et al. A study on a special DNA nanotube assembled from two single-stranded tiles[J]. Nanotechnology, 2019, 30(11): 115602. doi: 10.1088/1361-6528/aaf9bc

    22. [22]

      PAN Linqiang, HU Yingxin, DING Taoli, et al. Aptamer-based regulation of transcription circuits[J]. Chemical Communications, 2019, 55(51): 7378–7381. doi: 10.1039/C9CC03141C

    23. [23]

      WANG Xiaolong, BAO Zhenmin, HU Jingjie, et al. Solving the SAT problem using a DNA computing algorithm based on ligase chain reaction[J]. Biosystems, 2008, 91(1): 117–125. doi: 10.1016/j.biosystems.2007.08.006

    24. [24]

      俞洋, 苏邵, 晁洁. 基于“DNA折纸术”设计哈密顿路径问题的解决方案[J]. 中国科学: 化学, 2015, 45(11): 1226–1230. doi: 10.1360/N032015-00035
      YU Yang, SU Shao, and CHAO Jie. A "DNA origami"-based approach to the solution of Hamilton path problem[J]. Scientia Sinica Chimica, 2015, 45(11): 1226–1230. doi: 10.1360/N032015-00035

    25. [25]

      俞洋, 苏邵, 晁洁. 基于“DNA折纸术”设计图着色问题的解决方案[J]. 南京大学学报: 自然科学, 2016, 52(4): 656–661.
      YU Yang, SU Shao, and CHAO Jie. A "DNA origami"-based approach to the solution of graph coloring problem[J]. Journal of Nanjing University:Natural Sciences, 2016, 52(4): 656–661.

    26. [26]

      YANG Jing, SONG Zhichao, LIU Shi, et al. Dynamically arranging gold nanoparticles on DNA origami for molecular logic gates[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(34): 22451–22456.

    27. [27]

      ZHANG Qiang, WANG Xiaobiao, Wang Xiaojun, et al. Solving probability reasoning based on DNA strand displacement and probability modules[J]. Computational Biology and Chemistry, 2017, 71: 274–279. doi: 10.1016/j.compbiolchem.2017.09.011

    28. [28]

      CHAO Jie, WANG Jianbang, WANG Fei, et al. Solving mazes with single-molecule DNA navigators[J]. Nature Materials, 2019, 18(3): 273–279. doi: 10.1038/s41563-018-0205-3

    29. [29]

      TANG Zhen, YIN Zhixiang, SUN Xia, et al. Dynamically NAND gate system on DNA origami template[J]. Computers in Biology and Medicine, 2019, 109: 112–120. doi: 10.1016/j.compbiomed.2019.04.026

    1. [1]

      王雷, 林亚平. DNA计算在整数规划问题中的应用. 电子与信息学报,

    2. [2]

      殷志祥, 张凤月, 许进. 0-1规划问题的DNA计算. 电子与信息学报,

    3. [3]

      刘文斌, 朱翔鸥, 王向红, 张强, 马润年. 一种优化DNA计算模板性能的新方法. 电子与信息学报,

    4. [4]

      吴雪, 赵艺. 最大加权独立集问题的DNA算法. 电子与信息学报,

    5. [5]

      谭丽, 孙季丰, 郭礼华. 基于Memetic算法的DNA序列数据压缩方法. 电子与信息学报,

    6. [6]

      张顺, 高铁杠. 基于类DNA编码分组与替换的加密方案. 电子与信息学报,

    7. [7]

      梁静, 李红菊, 赵凤, 丁健. 一种构造GC常重量DNA码的方法. 电子与信息学报,

    8. [8]

      陈嘉勇, 王超, 张卫明, 祝跃飞. 安全的密文域图像隐写术. 电子与信息学报,

    9. [9]

      韩涛, 祝跃飞. 基于Canny边缘检测的自适应空域隐写术. 电子与信息学报,

    10. [10]

      龙宁, 张凤荔, 虞厥邦. 基于双采样速率的动目术检测技术研究. 电子与信息学报,

    11. [11]

      宋辉, 孔祥维, 尤新刚. 基于K-L差异的隐密术安全性理论研究. 电子与信息学报,

    12. [12]

      胡宗煊, 蒋保臣. 不定矩阵的拓扑计算. 电子与信息学报,

    13. [13]

      王勇. 波导加载腔的场计算. 电子与信息学报,

    14. [14]

      李镇淮, 宋文淼. 双重入腔的场计算. 电子与信息学报,

    15. [15]

      张向东, 吴振森, 吴成柯. 复杂目标后向LRCS的计算. 电子与信息学报,

    16. [16]

      张晓燕, 盛新庆. 地下目标散射的FDTD计算. 电子与信息学报,

    17. [17]

      周文表. 浅槽波导的场分布计算. 电子与信息学报,

    18. [18]

      夏明曜. 模型导弹的自然频率计算. 电子与信息学报,

    19. [19]

      曾理, 倪风岳, 刘宝东, 洪达平. 计算机统一设备架构加速外部计算机断层图像重建. 电子与信息学报,

    20. [20]

      徐成发, 郝宇星, 陆潞, 高梅国. 基于互相关的快速角度估计算法. 电子与信息学报,

  • 图 1  杂交链式反应基本反应原理

    图 2  构建好的折纸基底示意图

    图 3  输入链示意图

    图 4  输入A=0, B=0后的结果示意图

    图 5  输入A=1, B=0后的结果示意图

    图 6  输入A=0, B=1后的结果示意图

    图 7  输入A=1, B=1后的结果示意图

    图 8  仿真模拟数据图

    图 9  最终产物的DNA链示意图

    表 1  与非门真值表

    A0011
    B0101
    F1110
    下载: 导出CSV
  • 加载中
图(9)表(1)
计量
  • PDF下载量:  11
  • 文章访问数:  127
  • HTML全文浏览量:  65
文章相关
  • 通讯作者:  唐震, 1179145666@qq.com
  • 收稿日期:  2019-10-28
  • 录用日期:  2020-01-17
  • 网络出版日期:  2020-02-19
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章