第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 DNA计算概述 2
1.2.1 DNA计算的原理 2
1.2.2 DNA计算的特点 3
1.3 DNA计算的实现形式 3
1.3.1 基于试管的DNA计算 4
1.3.2 基于表面的DNA计算 4
1.3.3 基于芯片的DNA计算 4
1.4 DNA计算的研究现状 5
1.4.1 DNA计算的研究成果 5
1.4.2 DNA计算的重要性 8
1.4.3 DNA计算所面临的困难和挑战 8
1.5 小结 10
参考文献 10
第2章 DNA计算的生物学基础 13
2.1 引言 13
2.2 核酸的生物基础 14
2.3 DNA的结构 15
2.3.1 DNA的一级结构 15
2.3.2 DNA的二级结构 16
2.3.3 DNA的三级结构 17
2.4 DNA计算的分子生物操作 17
2.4.1 计算工具——生化酶 17
2.4.2 计算方法——分子操纵手段 20
2.5 结论 24
参考文献 24
第3章 面向DNA计算的智能芯片反应装置 26
3.1 引言 26
3.2 生物芯片 27
3.2.1 生物芯片的概念 27
3.2.2 生物芯片的类型 27
3.3 芯片扫描系统 28
3.3.1 芯片扫描系统概述 29
3.3.2 自动定位芯片扫描系统 33
3.4 芯片电泳系统 36
3.4.1 芯片电泳的工作原理 36
3.4.2 芯片电泳高压装置 37
3.5 芯片PCR系统 38
3.5.1 芯片PCR概述 38
3.5.2 智能芯片PCR系统 39
3.6 智能芯片反应装置的设计 40
3.7 芯片微管道自动定位 42
3.7.1 图像细化算法概述 42
3.7.2 基于图像处理技术的微管道自动定位方法 46
3.7.3 自动化分析改造的实验结果 50
3.8 结论 52
参考文献 52
第4章 基于生物芯片的DNA计算模型 55
4.1 引言 55
4.2 模型的基本指令集 56
4.3 基于生物芯片的DNA计算模型分析 58
4.4 结论 65
参考文献 65
第5章 模块化DNA计算机的分层通信机制 68
5.1 引言 68
5.2 微流控芯片 68
5.3 基于电子计算机的DNA计算反应器 69
5.4 DNA计算机与电子计算机之间的分层通信模型 71
5.5 层次通信模型中指令封装／解释层的研究 73
5.5.1 指令封装／解释的编码规则 73
5.5.2 指令封装／解释的编码实现 74
5.5.3 指令封装／解释的通用性问题 77
5.6 层次通信模型中反馈／接口层的研究 81
5.7 层次通信模型中的算法实例 84
5.7.1 选择操作 84
5.7.2 Hamilton路径问题 87
5.8 结论 93
参考文献 93
第6章 基于生物芯片的DNA计算模型的存储系统 95
6.1 引言 95
6.2 DNA计算模型上存储系统的设计 95
6.3 DNA计算模型上栈式存储模块的实现 96
6.4 DNA计算模型上链式存储器的实现 98
6.4.1 存储载体 98
6.4.2 信息编码 99
6.5 小结 100
参考文献 100
第7章 基于生物芯片的DNA计算模型的运算系统 102
7.1 引言 102
7.2 具有栈式存储结构的DNA自动机 102
7.3 基于DNA自动机的二进制串行加法 103
7.3.1 基于DNA自动机的一位二进制进位加法 103
7.3.2 基于DNA自动机的n位二进制串行加法 106
7.4 编码示例 106
7.5 DNA计算机中奇偶校验的实现 107
7.5.1 奇偶校验算法 108
7.5.2 实现奇偶校验算法的有限状态自动机 109
7.5.3 有限状态自动机的核苷酸编码 109
7.5.4 算法的仿真 110
7.6 结论 112
参考文献 112
第8章 基于生物芯片的DNA计算模型的数据结构 113
8.1 引言 113
8.2 DNA计算模型上堆栈数据结构 114
8.2.1 DNA计算模型中堆栈的存储结构 114
8.2.2 DNA计算模型中堆栈的生物操作 115
8.2.3 DNA计算模型中堆栈的算法实例 117
8.3 DNA计算模型上队列数据结构 120
8.3.1 DNA计算模型中队列的存储结构 120
8.3.2 DNA计算模型中队列的生物操作 120
8.3.3 DNA计算模型中队列的算法实例 124
8.4 DNA计算模型上广义表数据结构 126
8.4.1 广义表的存储结构 126
8.4.2 k－臂DNA分子 126
8.4.3 广义表链表结点的DNA分子表示 127
8.4.4 DNA计算机中广义表的操作 128
8.5 结论 131
参考文献 131
第9章 随机DNA计算的研究 132
9.1 引言 132
9.2 确定DNA有限状态自动机 132
9.3 不确定DNA有限状态自动机 133
9.4 DNA下推自动机在回文识别中的应用 135
9.4.1 接受回文语言的下推自动机 135
9.4.2 可自治DNA下推自动机实现 136
9.5 不确定DNA有限状态自动机在基因网络中的应用 139
9.5.1 基因表达的不确定有限状态自动机模型 140
9.5.2 不确定DNA有限状态自动机的实现 141
9.6 结论 141
参考文献 142
第10章 可信DNA计算的研究 144
10.1 引言 144
10.2 DNA计算的自复制性 145
10.2.1 DNA片段自组装 145
10.2.2 二维DNA分子元胞自动机 145
10.3 DNA计算的可逆性 147
10.3.1 基于DNA计算的布尔电路 147
10.3.2 可逆容错门电路 147
10.3.3 基于DNA计算的可逆容错门电路 149
10.4 结论 150
参考文献 150
第11章 0-1整数规划问题的DNA求解 152
11.1 引言 152
11.2 0-1整数规划问题及其解法 152
11.2.1 0-1整数规划问题的定义 152
11.2.2 0-1整数规划问题的电子计算机算法 153
11.2.3 0-1整数规划问题的通用DNA算法 153
11.3 DNA计算模型上0-1整数规划问题的算法 154
11.3.1 基于芯片电泳的在线DNA片段分离 154
11.3.2 用于实现算法的生物芯片 155
11.3.3 算法描述 156
11.4 仿真实例 156
11.5 结论 159
参考文献 159
第12章 图像模式识别的DNA算法 161
12.1 引言 161
12.2 基于句法的图像识别及其在等腰三角形识别中应用 162
12.3 等腰三角形识别的DNA算法 163
12.3.1 算法设计 163
12.3.2 计算机仿真实例 165
12.3.3 生物实验 166
12.4 人脸识别的DNA算法 171
12.4.1 人脸识别的研究现状 171
12.4.2 一种基于奇异值分解的人脸识别方法 171
12.4.3 结合DNA算法和奇异值分解的人脸识别算法 171
12.5 结论 173
参考文献 174
第13章 基于生物芯片的背包问题DNA算法 175
13.1 引言 175
13.2 反应设计和编码实现 175
13.2.1 背包问题的数学模型 175
13.2.2 DNA反应链的设计 176
13.2.3 计算和结果检测 177
13.3 材料和方法 178
13.3.1 实验材料准备 178
13.3.2 实验操作步骤 180
13.3.3 克隆测序检测 181
13.4 实验结果 183
13.4.1 反应产物PCR结果 183
13.4.2 克隆测序结果 184
13.5 结论 184
参考文献 185
第14章 DNA计算在医学上的应用 187
14.1 引言 187
14.2 败血症基因芯片检测模型 187
14.2.1 方法 188
14.2.2 实验步骤 188
14.3 基于DNA计算的疾病基因诊疗模型 189
14.4 结论 192
参考文献 192
第15章 DNA计算在基因注释以及蛋白质组学上的应用 194
15.1 引言 194
15.2 基于Apollo平台的基因注释 195
15.2.1 为牛蜱的基因作注释 195
15.2.2 Apollo软件的使用 196
15.3 用蛋白质组的方法研究牛蜱感染免疫疫苗 197
15.4 基于分层通信模型的蛋白质测量 198
15.4.1 蛋白质液相分离 198
15.4.2 2D凝胶电泳 199
15.5 牛蜱胃液蛋白质组分析 205
15.6 结论 208
参考文献 209