CN103699354A - 基于链置换反应的分子加法器构建方法 - Google Patents

Abstract

基于链置换反应的分子加法器构建方法，涉及逻辑计算和分子计算。提供一种基于链置换反应的半加器、全加器等分子加法器的构建方法。包括：编码电路的输入与各级输出，形式化表征加法器电路；基于链置换反应多层转化，获得计算机可运行的文件；在Mathematica平台进行化学反应层级分子加法器的仿真，实现分子加法器的构建。基于链置换反应建立分子电路与电子电路的联系，通过计算机软件实现分子加法器的搭建。

Description

基于链置换反应的分子加法器构建方法

技术领域

本发明涉及逻辑计算和分子计算，尤其是涉及一种基于链置换反应的分子加法器构建方法。

背景技术

分子计算的思想最先由Feynman于20世纪60年代提出[Feynman R P.There's plenty ofroom at the bottom[J].Engineering and Science,1960,23(5):22-36.]。1994年，Adleman教授在Science杂志上发表了一篇论文，他利用DNA分子作为计算载体，通过生物化学反应的实验实现了分子计算的构想[Adleman L M.Molecular computation of solutions tocombinatorial problems[J].SCIENCE-NEW YORK THEN WASHINGTON-,1994:1021-1021.]。这篇文章中他求解了一个具有7个顶点的有向汉密尔顿路径问题。Adleman教授的研究工作在学术界引起了巨大反响，大量计算机、分子生物学、数学等方面的专家学者投入到这个领域的研究。这种模型拥有的很多“天然的”优点是电子计算机无法比拟，比如高度并行性，运算速度快，信息贮存量巨大，能耗低，计算材料资源丰富等。

目前，关于DNA计算机的研究方向主要包括DNA计算机系统结构和功能模块的模拟和实现，如运算系统、控制系统、监测系统和存储系统的具体实现，和应用型DNA计算机模型的实现研究，如图密码破译的DNA计算机模型等。总而言之，生物分子计算还无法、也不一定要取代传统的计算模式,它可以作为各种新的应用领域的实现平台。通过DNA分子构建基本逻辑门和分子电路有大量的研究成果，利用DNA链置换反应在常温、无酶的条件下就可以进行的特点，Winfree研究团队的在这个方向上做了大量工作，他们构建了一个简单的seesaw门模块，以此为基础构建大规模DNA分子电路[Qian L,Winfree E,Bruck J.Neural networkcomputation with DNA strand displacement cascades[J].Nature,2011,475(7356):368-372.]。

随着纳电子技术、分子信息处理的发展，DNA逻辑运算成为了分子计算的研究热点。它不仅在基因工程、疾病诊疗中有众多应用，还在并行计算、纳米信号和分子密码等领域有着重要的意义。2000年，Mao等首先使用复杂自组装DNA实现了简单逻辑运算[Jain A K,DuinR P W,Mao J.Statistical pattern recognition:A review[J].Pattern Analysis andMachine Intelligence,IEEE Transactions on,2000,22(1):4-37.]。随后2003年，Stojanovic等利用DNA核酶，构建了DNA多种逻辑运算模型[Stojanovic M N,StefanovicD.A deoxyribozyme-based molecular automaton[J].Nature biotechnology,2003,21(9):1069-1074.]。加法器作为一种简单的布尔函数，是计算机的算术逻辑单元（ALU）的核心部件之一，利用分子计算的思想实现加法器运算对未来分子计算机的实现具有重大的意义。

发明内容

本发明的目的是提供实现基于分子计算的思想完成加法器运算的一种基于链置换反应的分子加法器构建方法。

本发明包括以下步骤：

1）用特定的符号形式化表征加法器电路；

2）将形式化电路转化为与之等价的双轨电路；

3）将双轨电路转化为与之等价的分子加法器电路；

4）生成Mathematica包文件，在Mathematica平台模拟分子加法器的化学反应，实现分子加法器的构建。

在步骤1）中，所述用特定的符号形式化表征加法器电路，是将电路的输入和各级输出数字编码。

在步骤2）中，所述双轨电路，是用不同的分子表示一个输入变量或输出变量的0值和1值，由于在分子电路中，反应时间过长，用分子的“有”和“无”表示“1”和“0”存在检测方面的困难，所以采用双轨电路解决这个问题。

在步骤3）中，所述分子加法器电路的输入和输出可通过两个分子表示，是由于在分子电路中，将电路转化成了与之等价的双轨电路，因此分子加法器电路的输入和输出可通过两个分子表示。

在步骤4）中，所述生成Mathematica包文件，在Mathematica平台模拟分子加法器的化学反应，是生成Mathematica包文件，在Mathematica平台运行，对分子加法器进行化学反应层级仿真，其结果显示为一个二维的坐标系，横坐标为反应时间，纵坐标是输出分子的相对浓度，通过输出分子相对浓度的对比，可以读取加法器的输出，所得的输入输出映射，即为所构建的分子电路。

本发明基于链置换反应建立分子电路与电子电路的联系，在计算机软件平台实现化学反应层级的分子加法器搭建。本发明将原始的加法器电路用特定符号形式化表征，再利用多个编译器多级转化为可运行的包文件，最终在Mathematica平台模拟分子加法器的反应，提出了一种全新的分子加法器的构建方法。整个构建方法中，未曾借助实际的生化分子搭建电路，而是通过层层转化，最终通过计算机软件进行反应层级分子加法器反应的仿真，所以称之为分子加法器。

附图说明

图1为本发明实施例中半加器的逻辑电路示意图；

图2为本发明实施例中半加器的双轨电路示意图；

图3为本发明实施例中半加器分子电路示意图；

图4为本发明实施例中半加器分子电路描述；

图5为本发明实施例中半加器的电路在Mathematica中仿真。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明实施例给出了半加器的构建。

半加器是完成两个一位二进制数相加而不考虑低位进位的加法器。半加器也称模2加或按位加，其逻辑电路如图1所示，输入为in_1、in_2，表示两个要进行相加运算的二进制数；输出为out_7和out_8，分别表示两个数相加的和位和进位；out_3和out_6代表中间过程输出。半加器的逻辑函数可以表示为（其中，A、B代表输入，S代表和位输出，C代表进位输出）：

$S=A\⊕B---(4-1)$

C＝AB    (4-2)

半加器的真值表如表1所示（其中，1代表为真的输入或输出，0代表为假的输入或输出）。

表1

A	B	S	C
				0	0	0	0
0	1	1	0
				1	0	1	0
1	1	0	1

第一步、用特定的符号形式化的表示整个电路

图1中的逻辑电路的代码描述如下，将电路上每个输入和输出，以及中间结果的输出都用数字编号，并用AND()、OR()、NOT()分别表示与门、或门、非门，置于等号的右端，括号中的参数为门的输入的数字编号，等号左端的参数为门的输出的数字编号。

INPUT(1)#A

INPUT(2)#B

OUTPUT(7)#S

OUTPUT(8)#C

3=OR(1,2)

4=NOT(1)

5=NOT(2)

6=OR(4,5)

7=AND(3,6)

8=AND(1,2)

第二步、将形式化电路转化为与之等价的双轨电路

由于在分子电路中，反应的时间过长，用分子的有和无表示1和0存在检测等方面的困难，所以用不同的分子表示一个输入变量或输出变量的0值和1值。在第一步得到的形式化电路的基础上，通过一个Perl语言编写的编译器，可以得到双轨电路。其电路图如图2所示，图中输入输出都变为一般电路的两倍，in_2、in_3、in_4、in_5为双轨逻辑电路的输入，out_14、out_15、out_16、out_17为双轨逻辑电路的输出，out_6、out_13、out_17、out_12为双轨逻辑电路的中间输出。由其电路图可看出，转化为双轨电路后，不再出现非门NOT（），即解决了分子电路中“无”的检测困难问题。

第三步、将双轨电路转化为与之等价的分子加法器电路

在第二步得到的双轨电路的基础上，通过一个Perl语言编写的编译器，可以得到分子加法器电路，所以分子加法器电路的输入和输出也通过两个分子表示。其电路描述如图3所示，in_4、in_6、in_8、in_10为seesaw电路的输入，g5、g7、g9、g11、g12、g14、g24、g26、g13、g15、g25、g27、g28、g30、g32、g34、g29、g31、g33、g35均为分子加法器电路中的门分子，r36、r38、r40、r42均为分子加法器电路的报告分子，可以通过荧光物质的释放读取该分子加法器电路的输出。

第四步、编译生成Mathematica包文件

在第三步得到的分子加法器电路的基础上，通过一个Perl语言编写的编译器，可以将其转换为可运行的Mathematica包文件。

第五步、在Mathematica平台运行最终生成文件，从而实现半加器电路的搭建

在Mathematica平台运行第四步所得到的可运行的Mathematica包文件，该文件中详细定义了分子加法器架构的具体实现，并对半加器电路进行仿真（参见图4），仿真代码如下：

INPUT(2)=w[4,5]#A^0

INPUT(3)=w[6,7]#A^1

INPUT(4)=w[8,9]#B^0

INPUT(5)=w[10,11]#B^1

OUTPUT(14)=Fluor[36]#S^0

OUTPUT(15)=Fluor[38]#S^1

OUTPUT(16)=Fluor[40]#C^0

OUTPUT(17)=Fluor[42]#C^1

inputfanout[5,4,{12,26,32}]

inputfanout[7,6,{14,24,34}]

inputfanout[9,8,{12,26,32}]

inputfanout[11,10,{14,24,34}]

maddAND[12,13,{5,9},{28}]

maddOR[14,15,{7,11},{30}]

maddAND[24,25,{7,11},{28}]

maddOR[26,27,{5,9},{30}]

maddOR[28,29,{13,25},{36}]

maddAND[30,31,{15,27},{38}]

maddOR[32,33,{5,9},{40}]

maddAND[34,35,{7,11},{42}]

reporter[36,29]

reporter[38,31]

reporter[40,33]

reporter[42,35]

在Mathematica中的结果显示为一个二维的坐标系，横坐标为反应时间，从0到10h；纵坐标是输出分子的相对浓度，从0到1。图5是半加器电路在Mathematica中进行化学反应层级仿真得到的结果。如图所示，L1表示和位S的0值的浓度随时间变化情况，L2表示和位S的1值的浓度随时间变化情况，这两条曲线，必须其中一条是高浓度，另一条是低浓度，同时高浓度或者同时低浓度都是错误的结果，因为某一个输出必须有而且只能有一个值。同理，L3表示进位C的0值，L4表示进位C的1值，这两条曲线，也必须其中一条是高浓度，另一条是低浓度。当输入（A,B）为（0,1）时，和位为0，进位为1，所以表示进位0值和表示和位1值的L3、L2都是低浓度，表示和位0值和表示进位1值的L4、L1在10时刻达到高浓度，输出结果读出来就是S为0，C为1，与计算结果相同。

Claims (5)

1.基于链置换反应的分子加法器构建方法，其特征在于包括以下步骤：

1）用特定的符号形式化表征加法器电路；

2）将形式化电路转化为与之等价的双轨电路；

3）将双轨电路转化为与之等价的分子加法器电路；

4）生成Mathematica包文件，在Mathematica平台模拟分子加法器的化学反应，实现分子加法器的构建。

2.如权利要求1所述基于链置换反应的分子加法器构建方法，其特征在于在步骤1）中，所述用特定的符号形式化表征加法器电路，是将电路的输入和各级输出数字编码。

3.如权利要求1所述基于链置换反应的分子加法器构建方法，其特征在于在步骤2）中，所述双轨电路，是用不同的分子表示一个输入变量或输出变量的0值和1值。

4.如权利要求1所述基于链置换反应的分子加法器构建方法，其特征在于在步骤3）中，所述分子加法器电路的输入和输出通过两个分子表示，是由于在分子电路中，将电路转化成了与之等价的双轨电路，因此分子加法器电路的输入和输出可通过两个分子表示。

5.如权利要求1所述基于链置换反应的分子加法器构建方法，其特征在于在步骤4）中，所述生成Mathematica包文件，在Mathematica平台模拟分子加法器的化学反应，是生成Mathematica包文件，在Mathematica平台运行，对分子加法器进行化学反应层级仿真，其结果显示为一个二维的坐标系，横坐标为反应时间，纵坐标是输出分子的相对浓度，通过输出分子相对浓度的对比，可以读取加法器的输出，所得的输入输出映射，即为所构建的分子电路。

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