基于鏈置換反應(yīng)的分子加法器構(gòu)建方法
【專(zhuān)利摘要】基于鏈置換反應(yīng)的分子加法器構(gòu)建方法，涉及邏輯計(jì)算和分子計(jì)算。提供一種基于鏈置換反應(yīng)的半加器、全加器等分子加法器的構(gòu)建方法。包括：編碼電路的輸入與各級(jí)輸出，形式化表征加法器電路；基于鏈置換反應(yīng)多層轉(zhuǎn)化，獲得計(jì)算機(jī)可運(yùn)行的文件；在Mathematica平臺(tái)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)層級(jí)分子加法器的仿真，實(shí)現(xiàn)分子加法器的構(gòu)建?；阪溨脫Q反應(yīng)建立分子電路與電子電路的聯(lián)系，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)分子加法器的搭建。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于鏈置換反應(yīng)的分子加法器構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及邏輯計(jì)算和分子計(jì)算，尤其是涉及一種基于鏈置換反應(yīng)的分子加法器構(gòu)建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]分子計(jì)算的思想最先由Feynman于20世紀(jì)60年代提出[Feynman R P.There’splenty of room at the bottom[J].Engineering and Science, 1960，23(5):22-36.]。1994年，Adleman教授在Science雜志上發(fā)表了一篇論文，他利用DNA分子作為計(jì)算載體，通過(guò)生物化學(xué)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了分子計(jì)算的構(gòu)想[Adleman L M.Molecularcomputation of solutions to combinatorial problems[J].SCIENCE-NEW YORK THENWASHINGTON-, 1994:1021-1021.]。這篇文章中他求解了一個(gè)具有7個(gè)頂點(diǎn)的有向漢密爾頓路徑問(wèn)題。Adleman教授的研究工作在學(xué)術(shù)界引起了巨大反響，大量計(jì)算機(jī)、分子生物學(xué)、數(shù)學(xué)等方面的專(zhuān)家學(xué)者投入到這個(gè)領(lǐng)域的研究。這種模型擁有的很多“天然的”優(yōu)點(diǎn)是電子計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬，比如高度并行性，運(yùn)算速度快，信息貯存量巨大，能耗低，計(jì)算材料資源豐
田寸ο
[0003]目前，關(guān)于DNA計(jì)算機(jī)的研究方向主要包括DNA計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能模塊的模擬和實(shí)現(xiàn)，如運(yùn)算系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，和應(yīng)用型DNA計(jì)算機(jī)模型的實(shí)現(xiàn)研究，如圖密碼破譯的DNA計(jì)算機(jī)模型等。總而言之，生物分子計(jì)算還無(wú)法、也不一定要取代傳統(tǒng)的計(jì)算模式，它可以作為各種新的應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。通過(guò)DNA分子構(gòu)建基本邏輯門(mén)和分 子電路有大量的研究成果，利用DNA鏈置換反應(yīng)在常溫、無(wú)酶的條件下就可以進(jìn)行的特點(diǎn)，Winfree研究團(tuán)隊(duì)的在這個(gè)方向上做了大量工作，他們構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的seesaw門(mén)模塊，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建大規(guī)模DNA分子電路[Qian L, Winfree E, BruckJ.Neural network computation with DNA strand displacement cascades[J].Nature, 2011, 475(7356):368-372.]。
[0004]隨著納電子技術(shù)、分子信息處理的發(fā)展，DNA邏輯運(yùn)算成為了分子計(jì)算的研究熱點(diǎn)。它不僅在基因工程、疾病診療中有眾多應(yīng)用，還在并行計(jì)算、納米信號(hào)和分子密碼等領(lǐng)域有著重要的意義。2000年，Mao等首先使用復(fù)雜自組裝DNA實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單邏輯運(yùn)算[Jain AK, Duin R P W，Mao J.Statistical pattern recognition:A review[J].Pattern Analysisand Machine Intelligence, IEEE Transactions on, 2000, 22 (I): 4-37.] ? 隨后 2003 年，Sto janovic等利用DNA核酶,構(gòu)建了 DNA多種邏輯運(yùn)算模型[Stojanovic M N, StefanovicD.A deoxyribozyme-based molecular automaton[J].Nature biotechnology, 2003, 21 (9):1069-1074.]。加法器作為一種簡(jiǎn)單的布爾函數(shù)，是計(jì)算機(jī)的算術(shù)邏輯單元(ALU)的核心部件之一，利用分子計(jì)算的思想實(shí)現(xiàn)加法器運(yùn)算對(duì)未來(lái)分子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)具有重大的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供實(shí)現(xiàn)基于分子計(jì)算的思想完成加法器運(yùn)算的一種基于鏈置換反應(yīng)的分子加法器構(gòu)建方法。
[0006]本發(fā)明包括以下步驟:
[0007]I)用特定的符號(hào)形式化表征加法器電路；
[0008]2)將形式化電路轉(zhuǎn)化為與之等價(jià)的雙軌電路；
[0009]3)將雙軌電路轉(zhuǎn)化為與之等價(jià)的分子加法器電路；
[0010]4)生成Mathemat i ca包文件,在Mathemat i ca平臺(tái)模擬分子加法器的化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)分子加法器的構(gòu)建。
[0011]在步驟I)中，所述用特定的符號(hào)形式化表征加法器電路，是將電路的輸入和各級(jí)輸出數(shù)字編碼。
[0012]在步驟2)中，所述雙軌電路，是用不同的分子表不一個(gè)輸入變量或輸出變量的O值和I值，由于在分子電路中，反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，用分子的“有”和“無(wú)”表示“I”和“O”存在檢測(cè)方面的困難，所以采用雙軌電路解決這個(gè)問(wèn)題。
[0013]在步驟3)中，所述分子加法器電路的輸入和輸出可通過(guò)兩個(gè)分子表示，是由于在分子電路中，將電路轉(zhuǎn)化成了與之等價(jià)的雙軌電路，因此分子加法器電路的輸入和輸出可通過(guò)兩個(gè)分子表示。
[0014]在步驟4)中，所述生成Mathematica包文件,在Mathematica平臺(tái)模擬分子加法器的化學(xué)反應(yīng)，是生成Mathematica包文件,在Mathematica平臺(tái)運(yùn)行,對(duì)分子加法器進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)層級(jí)仿真，其結(jié)果顯示為一個(gè)二維的坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)為反應(yīng)時(shí)間，縱坐標(biāo)是輸出分子的相對(duì)濃度，通過(guò)輸出分子相對(duì)濃度的對(duì)比，可以讀取加法器的輸出，所得的輸入輸出映射，即為所構(gòu)建的分子電路。
[0015]本發(fā)明基于鏈置換反應(yīng)建立分子電路與電子電路的聯(lián)系，在計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)層級(jí)的分子加法器搭建。本發(fā)明將原始的加法器電路用特定符號(hào)形式化表征，再利用多個(gè)編譯器多級(jí)轉(zhuǎn)化為可運(yùn)行的包文件，最終在Mathematica平臺(tái)模擬分子加法器的反應(yīng)，提出了 一種全新的分子加法器的構(gòu)建方法。整個(gè)構(gòu)建方法中，未曾借助實(shí)際的生化分子搭建電路，而是通過(guò)層層轉(zhuǎn)化，最終通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行反應(yīng)層級(jí)分子加法器反應(yīng)的仿真，所以稱(chēng)之為分子加法器。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中半加器的邏輯電路示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中半加器的雙軌電路示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中半加器分子電路示意圖；
[0019]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中半加器分子電路描述；
[0020]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中半加器的電路在Mathematica中仿真。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0022]本發(fā)明實(shí)施例給出了半加器的構(gòu)建。
[0023]半加器是完成兩個(gè)一位二進(jìn)制數(shù)相加而不考慮低位進(jìn)位的加法器。半加器也稱(chēng)模2加或按位加，其邏輯電路如圖1所示，輸入為in_l、in_2，表示兩個(gè)要進(jìn)行相加運(yùn)算的二進(jìn)制數(shù)；輸出為out_7和out_8,分別表示兩個(gè)數(shù)相加的和位和進(jìn)位；out_3和out_6代表中間過(guò)程輸出。半加器的邏輯函數(shù)可以表示為(其中，A、B代表輸入，S代表和位輸出，C代表進(jìn)位輸出):
[
【權(quán)利要求】
1.基于鏈置換反應(yīng)的分子加法器構(gòu)建方法，其特征在于包括以下步驟: 1)用特定的符號(hào)形式化表征加法器電路； 2)將形式化電路轉(zhuǎn)化為與之等價(jià)的雙軌電路； 3)將雙軌電路轉(zhuǎn)化為與之等價(jià)的分子加法器電路； 4 )生成Mathemat i ca包文件,在Mathemat i ca平臺(tái)模擬分子加法器的化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)分子加法器的構(gòu)建。
2.如權(quán)利要求1所述基于鏈置換反應(yīng)的分子加法器構(gòu)建方法，其特征在于在步驟I)中，所述用特定的符號(hào)形式化表征加法器電路，是將電路的輸入和各級(jí)輸出數(shù)字編碼。
3.如權(quán)利要求1所述基于鏈置換反應(yīng)的分子加法器構(gòu)建方法，其特征在于在步驟2)中，所述雙軌電路，是用不同的分子表示一個(gè)輸入變量或輸出變量的O值和I值。
4.如權(quán)利要求1所述基于鏈置換反應(yīng)的分子加法器構(gòu)建方法，其特征在于在步驟3)中，所述分子加法器電路的輸入和輸出通過(guò)兩個(gè)分子表示，是由于在分子電路中，將電路轉(zhuǎn)化成了與之等價(jià)的雙軌電路，因此分子加法器電路的輸入和輸出可通過(guò)兩個(gè)分子表示。
5.如權(quán)利要求1所述基于鏈置換反應(yīng)的分子加法器構(gòu)建方法，其特征在于在步驟4)中，所述生成Mathematica包文件,在Mathematica平臺(tái)模擬分子加法器的化學(xué)反應(yīng),是生成Mathematica包文件,在Mathematica平臺(tái)運(yùn)行,對(duì)分子加法器進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)層級(jí)仿真，其結(jié)果顯示為一個(gè)二維的坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)為反應(yīng)時(shí)間，縱坐標(biāo)是輸出分子的相對(duì)濃度，通過(guò)輸出分子相對(duì)濃度的對(duì)比，可以讀取加法器的輸出，所得的輸入輸出映射，即為所構(gòu)建的分子電路。
【文檔編號(hào)】G06F7/501GK103699354SQ201410011255
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月10日
【發(fā)明者】劉向榮, 索娟, 黃曉陽(yáng), 於猛, 陳迎潮 申請(qǐng)人:廈門(mén)大學(xué)