一種DNA計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)之間的通信模型

1　引言以DNA分子作為計(jì)算載體的計(jì)算方法最早由Adleman博士于1994年在生物實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)[1]。隨后,DNA計(jì)算取得了很多研究成果。1995年[2],Lipton提出了用DNA實(shí)驗(yàn)解決布爾可滿足性問(wèn)題(SAT)的方法。1997年[3],Ouyang等人用分子生物技術(shù)解決了最大團(tuán)問(wèn)題,并相應(yīng)地建立了六個(gè)節(jié)點(diǎn)的DNA分子計(jì)算池。2000年[4],Liu等人設(shè)計(jì)了一個(gè)DNA計(jì)算系統(tǒng),將計(jì)算問(wèn)題的所有可能候選解編碼成一系列DNA分子,把這些分子綜合起來(lái)貼在磁珠的表面。2001年[5],Wu分析并改進(jìn)了前者所采用的基于表面磁珠的方法。這種新穎的計(jì)算方式是建立在其高密度信息存儲(chǔ)和大量并行計(jì)算基礎(chǔ)上的,有望在求解NP問(wèn)題、破解密碼、疾病診斷、新材料等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用代寫(xiě)論文。

微流控系統(tǒng)為快速化學(xué)反應(yīng)和生物分析提供了基礎(chǔ)。微流控系統(tǒng)作為DNA計(jì)算的一種平臺(tái),已經(jīng)有了初步的研究成果。2004年[6],Ledesma等人提出了一種用微流控系統(tǒng)解決Hamilton路徑問(wèn)題的線性DNA算法,實(shí)現(xiàn)了并行計(jì)算。1999年[7],Gehani和Reif研究了用微流生物分子計(jì)算模型解決某個(gè)問(wèn)題在理論上所需要的最少DNA序列和最少反應(yīng)時(shí)間,并且提出了反應(yīng)池之間有效地傳送DNA序列的方法。2001年[8],McCaskill采用枚舉法用DNA序列對(duì)每個(gè)可能子圖進(jìn)行編碼。該算法使用了所謂的選擇模塊(STM)來(lái)保留圖中所有可能團(tuán),然后用排序的方法確定了最大團(tuán)。2001年[9],Chiu等提出了一種新的方法,把子圖和圖的邊分別編譯成反應(yīng)池和緩沖池。這些反應(yīng)池和緩沖池帶有熒光劑,由通道連接,輸出以各個(gè)子圖所發(fā)出的熒光強(qiáng)度不同來(lái)區(qū)分。2004年[10],Livstone和Landweber提出一種微反應(yīng)器用來(lái)解決布爾函數(shù)“與”和“或”的問(wèn)題。

隨著微機(jī)電(MEMS)技術(shù)的快速發(fā)展,在生物芯片上集成各種能與電子計(jì)算機(jī)之間相互通信的傳感器是各種功能芯片研究的熱點(diǎn)[11]。DNA計(jì)算的一個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)是操作的不可控,嚴(yán)重影響了DNA計(jì)算的實(shí)用性。本文在微流控平臺(tái)上,討論基于生物芯片的DNA計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)之間相互通信的層次模型,從而為發(fā)展DNA計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)相集成的雜合計(jì)算機(jī)提供一種通信模型和方法。

2　基于電子計(jì)算機(jī)的DNA計(jì)算反應(yīng)器模型為了使電子計(jì)算機(jī)能夠?qū)NA計(jì)算進(jìn)行控制,我們研究并設(shè)計(jì)了適合于DNA計(jì)算的反應(yīng)器。如圖1所示,該反應(yīng)器通過(guò)RS232接口與電子計(jì)算機(jī)連接,人機(jī)交互界面的平臺(tái)是LabVIEW。

(1)數(shù)據(jù)流:在電子計(jì)算機(jī)軟件客戶端由用戶選擇某個(gè)NP問(wèn)題,程序開(kāi)始設(shè)計(jì)DNA計(jì)算機(jī),包括:輸入符號(hào)、終止符號(hào)、〈狀態(tài),符號(hào)〉、轉(zhuǎn)移分子、擴(kuò)增所需的引物和DNA編碼;酶的選擇;擴(kuò)增、酶切、酶連的動(dòng)作選擇,針對(duì)上述酶設(shè)計(jì)反應(yīng)溫度和階段。(2)控制流:設(shè)計(jì)具體問(wèn)題的程序輸入分子和采用的微流控芯片,芯片的通道數(shù)量和通道之間的連接以及通道的形狀,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)步驟:每一步的動(dòng)作、所需的時(shí)間、反應(yīng)的底物、目標(biāo)產(chǎn)物、代表的中間變量等。圖1　DNA計(jì)算的反應(yīng)器模型　　電子計(jì)算機(jī)主機(jī)與89C51系列單片機(jī)相連,將數(shù)據(jù)流和控制流同時(shí)送到接口端的高精度全方位機(jī)械手:分配試劑,根據(jù)反饋的圖像信號(hào)定位芯片反應(yīng)平臺(tái)。生化反應(yīng)的動(dòng)態(tài)結(jié)果反映在應(yīng)用層,包括當(dāng)前反應(yīng)所在的通道、該反應(yīng)所需的時(shí)間、已經(jīng)消耗的時(shí)間、通道的切換、反應(yīng)產(chǎn)物的解釋。DNA計(jì)算反應(yīng)器與電子計(jì)算機(jī)通信的系統(tǒng)控制模塊、光電檢測(cè)模塊、高壓電源模塊和溫度加熱模塊與電子計(jì)算機(jī)之間的連接如圖2所示。整個(gè)反應(yīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)、芯片電泳和僅與溫度有關(guān)的生化反應(yīng),如PCR、退火、復(fù)性等等。

3　DNA計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)之間通信的層次模型　　DNA計(jì)算本質(zhì)上是以DNA分子及生化酶作為物質(zhì)基礎(chǔ),施以適當(dāng)?shù)纳僮鱽?lái)解決數(shù)學(xué)問(wèn)題的一種新型的計(jì)算模式。由于DNA計(jì)算的處理對(duì)象是DNA片段,因此運(yùn)用DNA計(jì)算求解數(shù)學(xué)問(wèn)題時(shí)首先需要將實(shí)際問(wèn)題用{A,T,C,G}四個(gè)堿基來(lái)編碼,原理類(lèi)似電子計(jì)算機(jī)求解這些問(wèn)題時(shí)需要用二進(jìn)制編碼。然后需要為求解過(guò)程設(shè)計(jì)合適的生化操作,這個(gè)完成運(yùn)算的生化操作序列我們稱之為生物算法。DNA計(jì)算是在分子尺度內(nèi)進(jìn)行的,完成計(jì)算過(guò)程的生化操作的不可控一直制約著DNA計(jì)算的進(jìn)一步應(yīng)用。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展,二者在DNA計(jì)算中的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)對(duì)生化操作的精確控制,提高DNA計(jì)算的可靠性,為DNA計(jì)算進(jìn)一步走向?qū)嵱没l(fā)揮重要作用。圖3給出了電子計(jì)算機(jī)和DNA計(jì)算機(jī)之間通信的層次模型。圖2　DNA計(jì)算反應(yīng)器與電子計(jì)算機(jī)的通信為了便于描述通信過(guò)程,將該模型分為六個(gè)部分,每一部分的組成和完成功能描述如下。圖3　DNA計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)的層次通信模型

(1)應(yīng)用層提供用戶與DNA計(jì)算機(jī)之間交互的接口。應(yīng)用層主要完成兩個(gè)功能:一是提供用戶操縱DNA計(jì)算機(jī)的界面。在這個(gè)界面上用戶可以完成原始問(wèn)題到DNA堿基域的映射以及完成生物算法的設(shè)計(jì)。通過(guò)這個(gè)界面,用戶可以像使用Office辦公軟件一樣方便地使用DNA計(jì)算機(jī)。另一個(gè)功能是接收指令解釋層傳送的DNA計(jì)算結(jié)果,并將結(jié)果可視化。指令解釋層傳送的結(jié)果也是用電子計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)描述的。運(yùn)算結(jié)果的可視化可以幫助直觀地對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行合理的解釋。應(yīng)用層由安裝在Windows操作系統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用程序組成。

(2)指令解釋層由于應(yīng)用層的指令是用戶所熟悉的電子計(jì)算機(jī)語(yǔ)言描述的,而DNA計(jì)算機(jī)的基本指令是具體的生物操作,所處理的對(duì)象是DNA分子,因此需要將應(yīng)用層的電子計(jì)算機(jī)指令解釋成DNA計(jì)算機(jī)上具體的生物操作指令(這些生物操作指令是DNA計(jì)算機(jī)的最小執(zhí)行單位———基本指令),確定這些生物操作的執(zhí)行順序,并依次將這些生物操作指令單個(gè)傳送給編碼封裝層。另一方面,還需要將編碼封裝層反饋的DNA計(jì)算結(jié)果解釋成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。指令解釋層也是由安裝在電子計(jì)算機(jī)內(nèi)部的代理程序構(gòu)成。(3)編碼封裝層將指令解釋層傳送的單個(gè)生物操作指令封裝成DNA計(jì)算機(jī)能直接執(zhí)行的指令。這里需要考慮每個(gè)原子生物操作的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)方法。然后將這個(gè)操作的步驟映射成控制傳感器和生化儀器的一系列指令,包括對(duì)生物芯片上發(fā)生該反應(yīng)的位置信息。編碼封裝層由操作傳感器和生化儀器的接口程序構(gòu)成。

(4)接口層接口層是傳感器和生化儀器的各種信號(hào)接口。一方面,將編碼封裝層中的控制指令轉(zhuǎn)換成控制DNA計(jì)算機(jī)執(zhí)行生化操作的指令;另一方面,也將DNA計(jì)算機(jī)上的反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子計(jì)算機(jī)中的控制指令。接口層之間的通信采用電子計(jì)算機(jī)的串口通信方式,也可以設(shè)計(jì)成并口通信方式。(5)反應(yīng)層DNA計(jì)算的生化操作在這一層得以物理實(shí)現(xiàn),以完成解釋層下達(dá)的任務(wù)。此層包含有完成生化反應(yīng)的生物芯片以及控制這些生化反應(yīng)的各種傳感器和生化儀器。(6)反饋層這一層由監(jiān)控生化反應(yīng)的傳感器構(gòu)成。反應(yīng)層的生化操作的執(zhí)行情況由這些傳感器收集,以便反饋給指令解釋層。4　通信模型的實(shí)例為了更直觀地理解本文提出的層次模型,我們以選擇操作為例,解釋在層次模型下DNA計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)選擇操作的過(guò)程。