CN1779703A

CN1779703A - 一种微流控芯片dna分子计算机

Info

Publication number: CN1779703A
Application number: CN 200410100842
Authority: CN
Inventors: 林炳承; 李博伟; 解华; 丁永生; 黄振德
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2004-11-23
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2024-12-08
Also published as: CN100338625C

Abstract

一种微流控芯片DNA分子计算机，主要包括：以DNA分子为运算介质，以微流控芯片为操作平台的DNA分子运算器；以DNA分子为存储介质，以微流控芯片为操作平台的DNA分子存储器；以电子计算机和检测器为核心的控制器；控制器分别与DNA分子运算器和DNA分子存储器的微流控芯片上的电极联接。本发明首次采用微流控芯片技术取代目前DNA计算过程中广泛使用的试管或表面操作，利用微流控芯片操作精确可控、以及可以高通量大规模集成的特点，为构建一个严格意义上的DNA计算机提供了一种现实可能的平台。

Description

一种微流控芯片DNA分子计算机

技术领域：

本发明涉及计算机科学，分子生物学及微流控芯片技术。特别提供了一种微流控芯片DNA分子计算机、微流控芯片DNA分子运算器、微流控芯片DNA分子存储器、及一种专门用于DNA分子计算机的微流控芯片、和专门用于DNA分子计算机的微流控芯片的试剂盒。

背景技术：

DNA计算是一种关于计算的新的思维方式，同时也是关于化学和生物的一种新的思维方式。尽管生物的和数学的过程有各自的复杂性，但它们有一个重要的共性即生物体所有的复杂结构实际上是编码在DNA序列中的原始信息经过一些简单的处理后得到的，而求一个含变量W的可算函数的值也可以通过一系列含变量W的简单函数的复合来实现。

DNA计算的基本原理是：将DNA分子中的密码作为存储的数据，当DNA分子间在某种酶的作用下瞬间完成生物化学反应时，可以从一种基因代码变为另一种基因代码，如果将反应前的基因代码作为输入数据，那么反应后的基因代码就可以作为运算结果。这样，通过对DNA双螺旋进行丰富的精确可控的生物化学反应，包括标记，扩增或者破坏原有链来完成各种不同的运算过程，就可能研制成一种以DNA作为运算介质的新型的计算机。由于它采用的是一种完全不同于传统计算机的运算逻辑和存储方式，在解决某些复杂问题时将具有传统计算机所无法比拟的优势。

作为DNA计算的一个成功而最具代表性的例子，DNA计算机正以不断发展的生物技术为基础，开始向以集成电路为核心的传统“无机”计算机挑战。由于传统计算机中集成电路的复杂性，无机硅芯片的存储极限，以及其本身计算方法的局限性，这使得在传统计算机中实现超微结构，超大存储量和在处理某些问题时运算速度数量级的提高存在很大困难。

DNA计算具有并行性高，运算速度快，存储信息量大的特点。但是迄今为止，有关DNA计算的研究工作大体集中在两个方面：即早期的生物分子计算研究和近期的自动生物分子计算机器的研究。所有这些工作，至少存在着下述两个方面的局限性。一是在DNA计算中所涉及的生物操作以及相应的结果确认缺乏一个支撑计算的完整集成的硬件装置，当然也不可能对相关的参数进行控制；二是所有这些分子计算工作只进行了DNA分子的自动运算而没有能够将其中的每个计算过程记录并存贮下来，而存贮功能是现代意义的计算机的主要功能之一，也是DNA计算机有别于DNA计算装置的一个基本特征。

微流控芯片实验室是指把生物和化学等领域中所涉及的样品制备，生物与化学反应，分离、检测等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析的一种技术。芯片实验室原则上适用于从核酸、蛋白质直到有机、无机小分子的各种不同类型分子的反应、分离和检测，涉及到了很大一部分生物和化学问题。

广义地说，芯片实验室分为两大类，一类是以静态亲和杂交技术为核心的阵列微孔板芯片，没有流通网络，没有分离，因为比较专一的适用于DNA和蛋白质，通常被国内的媒体称之为“生物芯片”。另一类以微流控技术为基础，由微通道在芯片上形成网络，以可控流体贯穿整个系统，通常被称之为微流控芯片实验室，是芯片实验室的主流。

微流控芯片技术的出现和发展，特别是它所具有的芯片实验室的基本条件以及高通量大规模集成的特点，为取代试管或表面操作，构建一个严格意义上的DNA计算机提供了一种可能的平台。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种以微流控芯片为操作平台的DNA分子计算机、DNA分子运算器、DNA分子存储器、及一种专门用于DNA分子计算机的微流控芯片、和专门用于DNA分子计算机的微流控芯片的试剂盒。

本发明提供了一种微流控芯片DNA分子计算机，主要包括：

——以DNA分子为运算介质，以微流控芯片为操作平台的DNA分子运算器；

——以DNA分子为存储介质，以微流控芯片为操作平台的DNA分子存储器；

——以电子计算机和检测器为核心的控制器；

控制器分别与DNA分子运算器和DNA分子存储器的微流控芯片上的电极联接。

本发明微流控芯片DNA分子计算机中，所述作为运算介质的DNA分子，在所述DNA分子运算器的微流控芯片上，按照所述控制器发出的指令完成DNA分子运算。

本发明微流控芯片DNA分子计算机中，所述DNA分子运算器的输入部分对应的是含有特定序列的DNA计算分子和含有特定序列的DNA转移分子，输出部分对应的是通过酶切、酶连等生化过程获得的的代表计算结果DNA输出分子。

本发明微流控芯片DNA分子计算机中，所述作为存储介质的DNA分子，在所述DNA分子存储器的微流控芯片上，按照所述控制器发出的指令完成对所述DNA分子运算过程和结果的存储。

本发明微流控芯片DNA分子计算机中，所述DNA分子存储器的输入部分对应的是DNA空白分子和含有已知序列的DNA存储单元分子，输出部分对应的是通过酶切、酶连等生化过程获得的经过“叠加操作”的DNA存储分子。

本发明微流控芯片DNA分子计算机中，所述DNA存储单元分子的种类数目与DNA分子运算器中的DNA转移分子的种类数目相对应。

本发明微流控芯片DNA分子计算机中，所述检测器针对DNA分子运算器的DNA输出分子进行检测，所述电子计算机根据检测结果做出甄别判断并对DNA分子运算器和DNA分子存储器发送指令，使得DNA分子分别在运算器和存储器的微流控芯片操作平台上完成DNA分子运算和DNA分子存储。

本发明微流控芯片DNA分子计算机中，所述检测器可以为激光诱导荧光检测器、电化学检测器、紫外检测器。

本发明提供了一种微流控芯片DNA分子运算器，由运算介质、反应介质和微流控芯片构成：

所述运算介质为含有特定序列的DNA计算分子、用于中间操作的含有特定序列DNA转移分子和通过生化反应代表计算结果的DNA输出分子；

所述反应介质为各种用于酶切、酶连反应的生化酶；

所述微流控芯片上至少设置有由微通道顺序相连的酶切反应区、酶连反应区、结果输出区。

本发明微流控芯片DNA分子运算器中，所述微流控芯片上，酶连反应区的数目与转移分子的种类数目相对应。

本发明微流控芯片DNA分子运算器中，所述微流控芯片上，结果输出区前设置有PCR扩增区。

本发明微流控芯片DNA分子运算器中，所述微流控芯片上，设置有存放各种运算介质、各种反应介质的区域，这些区域通过微通道与各自相关的酶切反应区或酶连反应区相连。

本发明微流控芯片DNA分子运算器中，所述微流控芯片上，设置有统一的分别存放空白缓冲液和废液的区域。

本发明提供了一种微流控芯片DNA分子存储器，由存储介质、反应介质和微流控芯片构成：

所述存储介质包括含有已知序列的短链的DNA存储单元分子、用于起始操作的DNA空白分子、通过生化反应代表叠加结果的DNA存储分子。

所述微流控芯片上至少设置有存储单元区、酶切反应区、酶连反应区和结果输出区。酶切反应区、酶连反应区、结果输出区由微通道顺序相连，存储单元区与酶连反应区由微通道相连。

本发明微流控芯片DNA分子存储器中，所述微流控芯片上，结果输出区前设置有PCR扩增区。

本发明微流控芯片DNA分子存储器中，所述微流控芯片上，设置有存放各种存储介质、各种反应介质的区域，这些区域通过微通道与各自相关的酶切反应区或酶连反应区相连。

本发明微流控芯片DNA分子存储器中，所述微流控芯片上，设置有统一的分别存放空白缓冲液和废液的区域。

本发明的发明人基于上述以微流控芯片为基础的DNA分子计算机的基本技术方案，利用现有设备，设计并搭建了一台相应的微流控芯片DNA计算机，这一台DNA计算机具体地由微流控芯片、微流控芯片工作站以及用以完成各种分子反应的试剂盒等三个部分组成。

DNA计算机微流控芯片由一块一面集成有多组复杂微通道的平板A和一块封接平板B叠合而成；平板A具有多组复杂微通道，该芯片微通道的宽度为75μm。两个平板中间形成封闭通道，在平板A上设置有通道的进出口。具体芯片设计如图3所示。图3中a组液池及微通道完成DNA计算机的输入、输出、计算功能，b组液池及微通道完成存贮功能。

或者说，本发明提供了一种用于DNA分子计算机的微流控芯片，其特征在于：在该芯片上集成有DNA分子运算器和DNA分子存储器。

在微流控芯片的一侧，集成了可以进行酶连、酶切反应、PCR反应和微通道中的电泳分离的各种操作单元，用以完成DNA分子计算的输入/输出功能、计算功能和控制功能；

具体地，本发明用于DNA分子计算机的微流控芯片中，所述DNA分子运算器部分对称地设置有一个酶切反应池(1)、两个酶连反应池(2)、两个PCR反应池(3)、一个缓冲液池(4)、两个标准核酸片段池(5)、一个废液池(6)。酶切反应池(1)分别地与酶连反应池(2)、再顺序地与PCR反应池(3)连接；缓冲液池(4)、废液池(6)和两个标准核酸片段池(5)构成一个十字型通道的检测区，两个标准核酸片段池(5)之间为进样通道，缓冲液池(4)、废液池(6)之间为检测通道；PCR反应池(3)接检测区的进样通道；见图4。

在芯片的另一侧，设计了一个存贮装置，其中包括有一个“栈”，用以累加每次计算所得的结果，直到指令发送完毕。

具体地，本发明用于DNA分子计算机的微流控芯片中，所述DNA分子存储器部分设置有两个存储单元分子储液池(7)、一个酶切、酶连反应池(8)、一个PCR反应池(3)、一个缓冲液池(4)、一个废液池(6)、样品废液池(9)；酶切、酶连反应池(8)分别与两个存储单元分子储液池(7)和PCR反应池(3)相连；PCR反应池(3)、样品废液池(9)、缓冲液池(4)、废液池(6)构成一个十字型通道的检测区，缓冲液池(4)、废液池(6)之间为检测通道，PCR反应池(3)、样品废液池(9)之间为进样通道；见图5。

微流控芯片的微通道的截面为倒梯形或矩形，微通道宽度为75μm。液池直径为2～6mm。

微流控芯片材质可以是玻璃，石英，塑料。其中塑料芯片包括：PDMS芯片、PMMA芯片、PC芯片。

微流控芯片工作站是一套现有的、常用的用于微流控芯片的工作系统，见图2，由一体化的芯片电泳平台、激光诱导荧光检测、CCD监测、电源和计算机操作系统等部分组成。具有芯片能源供应和信号收集功能，并兼管对DNA计算机的硬件控制。

为了使上述DNA计算机能够实现输入、输出、计算和存贮等功能，还需要一系列的生化反应试剂与之相配合，为此，本发明还提供了一种DNA计算机微流控芯片试剂盒，如图6所示，盒内装置有1片DNA计算机微流控芯片(11)，1套限制性内切酶反应试剂(22)，1套连接酶反应试剂(33)，1套聚合酶链反应PCR反应试剂(44)，1瓶电泳缓冲液(55)及标准核酸片段(66)。芯片结构见图3，集成有多组复杂微通道，a组液池及微通道完成DNA计算机的输入、输出、计算功能，b组液池及微通道完成存贮功能。

限制性内切酶反应试剂包含限制性内切酶和反应缓冲液。限制性内切酶的种类可以为Fok I，Bgl I，BstX I，Sfi I等。连接酶反应试剂包含T4连接酶和反应缓冲液。PCR反应试剂包含Taq酶、反应缓冲液和脱氧核苷三磷酸(dNTP)。所述marker作为内标物以确定产物DNA的长度。

总之，本发明首次采用微流控芯片技术取代目前DNA计算过程中广泛使用的试管或表面操作，利用微流控芯片操作精确可控、以及可以高通量大规模集成的特点，为构建一个严格意义上的DNA计算机提供了一种现实可能的平台。

附图说明：

图1为微流控芯片DNA计算机体系结构图；

图2为DNA计算机的微流控芯片工作站照片；

图3为DNA计算机微流控芯片结构示意图；A.集成有多组复杂微通道和通道进出口的平板，B.封接平板；

图4为DNA计算机微流控芯片上运算器设计示意图；图中：孔1.酶切反应池，孔2.酶连反应池，孔3.PCR反应池，孔4.缓冲液池，孔5.标准核酸片段，孔6.废液池，

图5为DNA计算机微流控芯片上存储器设计示意图；图中：孔7.存储分子储液池，孔8.酶切、酶连反应池，孔3.PCR反应池，孔4.缓冲液池，孔6.废液池，孔9.样品废液池。

图6为DNA计算机所用的试剂盒结构示意；

图7为2个输入符号(a，b)和3个状态(S0，S1，S2)的有限状态自动机；

图8为三角形的句法结构；

图9为输入符号为“aabbb”的有限状态自动机的计算流程及相应电泳谱图；

图10为微流控芯片DNA计算机存储过程及相应电泳谱图。

具体实施方式：

由图1可见，微流控芯片DNA计算机主要包括微流控芯片工作站、微流控芯片以及用以完成各种分子反应的试剂盒。微流控芯片工作站由电源、控制装置和输出装置组成，具有芯片能源供应和信号收集功能，并兼管DNA计算机的控制。工作站的直流高压电源系统连有八个电极，可根据需要在微流控芯片的不同位置各间施加不同的电压，控制反应液按需要在通道间流动。微流控芯片工作站的检测器可相对芯片移动，对算法逻辑单元和存贮单元中的反应产物分别进行检测。芯片是整个计算机的核心，计算机的运算功能和存贮功能均在芯片上完成。试剂盒中的DNA分子和各种试剂通过输入单元进入系统。

图2为集成式DNA计算机的微流控芯片工作站，是现有设备，兼有电渗和压力两种驱动方式，以激光诱导荧光为检测手段，包括激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学系统、八电极直流高压电源系统、程控三维平台、控制电路系统及软件系统等。微流控芯片工作站的上部，是芯片固定平台和电极操作平台，可上下移动。下部由一体化的光学检测系统组成，其中包括可供调焦和管道监测之用的CCD和光学检测记录部分。在光学检测记录部分中设计有可供更替发射荧光窄带滤光片的部位，以供多种波长选择。工作站后部由可切换的高压电源及有关电路组成。

图3为DNA计算机的核心部件微流控芯片。这一芯片包括了输入、输出、计算和存贮等功能，分别集成了酶切反应、酶连反应、PCR反应和电泳分离等操作单元。在芯片的一侧的算法逻辑单元(a)，详见图4，孔1为酶切反应池(1)同时为DNA计算机信号的输入单元，所有指令均从这儿进入。检测点是输出端，通过激光诱导荧光检测DNA分子，并通过A/D转化将信号传输给微流控芯片工作站的软件部分，再行翻译表达，完成输出功能。芯片中的通道和孔是完成DNA计算所必需的功能单元，用以实现DNA的生化反应和反应产物的及时分离检测，保证DNA计算机输入、输出功能和计算功能的完成。在所示芯片的存贮一侧(b)，详见图5，设计了一种“堆栈”存贮器，用以存贮每次计算所得的结果。这种“堆栈”存贮器在上下文无关文法识别中有较重要的作用。

图6为微流控芯片DNA计算机所采用的试剂盒，试剂盒中包括微流控芯片，完成酶切反应、酶连反应、PCR反应和电泳分离所需的各种化学生物学试剂。

把图1中的微流控芯片DNA计算机与典型的电子计算机各组成单元的功能进行对照，结果如表1所示。

表1.微流控芯片DNA计算机与典型电子计算机的各组成单元的功能对照

Unit	Input	Output	ALU	Memory	Control
Unit	Input	Output	ALU	Memory	Control	功能	实现数据和程序的输入	实现数据的可视化显示	实现对数据的处理	实现运行过程中间数据的存储	对其他部件按时序控制，使协滑一致工作
电子计算机	输入设备如：键盘、鼠标	输出设备如：显示器	算术-逻辑单元	内存	控制器	功能	实现数据和程序的输入	实现数据的可视化显示	实现对数据的处理	实现运行过程中间数据的存储	对其他部件按时序控制，使协滑一致工作

微流控芯片DNA计算机

反应池中特定的DNA分子和相应的反应试剂

微流控芯片工作站检测到的反应后分子的图谱

DNA计算所需的各种反应体系

具有存储功能的芯片及存储信息的DNA分子

根据DNA的计算过程设计的计算机控制程序

微流控芯片DNA计算机的功能实现：

为方便计，采用2个输入符号(a，b)和3个状态(S₀，S₁，S₂)的有限状态自动机来实现微流控芯片DNA计算机的上述各项功能，如图7所示。该有限状态自动机是基于等腰三角形的句法结构模式识别的思想提出的。

不失一般性，可将三角形看成由一些小的线段组成，每个线段有相同的长度。这些线段分成水平线、上行斜线和下行斜线等三种类型，是构成三角形的基本单元。在此基础上把这一三角形描述成基元组成的字符串，如图8所示的三角形可以表示为“aabbbcccc”。文中，采取两条边相比较的方法，基于上述有限状态自动机通过DNA分子的计算得到其最终状态，如果最终状态为S₀，代表两边相等，否则表示这两边不等。

图7中的有限状态自动机的相应状态转移规则设计为：

转移分子设计为：

T1： T2：

20	GGATGCCTAC	ACTG
				TAGTp

20	GGATGCCTAC	CAGT
				AGTGp

T3： T4：

20	GGATGCCTAC	CAGTGTCA
				CCATp

20	GGATGCCTAC	AGCTTCGA
				GCCAp

T5：

20	GGATGCCTAC	CG
				TGCCp

上述5种转移分子的左端引物20个碱基对均设计为不同序列。

图3为有限状态自动机识别的微流控芯片设计图，由此可以了解微流控芯片DNA计算机的输入、输出、运算、控制和存储功能的工作原理和实现过程。

特定的DNA分子和相应的反应试剂加入图4的酶切反应池1中，以输入数据。

①DNA分子分别在孔1-3中完成酶切、酶连以及PCR反应过程，进行DNA的计算，

②孔4-孔6之间的通道内进行电泳分离检测得到图谱，输出数据。

③根据输出的数据，由微流控芯片工作站控制图5所示的存储部分实现数据的存储。

④孔7放入不同的存储分子，在孔8和3中完成酶切、酶连以及PCR反应，实现存储。

⑤反应产物在孔4-孔6之间的通道内进行电泳分离检测得到图谱，记录存储的结果。

下面对如何在微流控芯片上实现以有限状态自动机为模型的DNA计算机的五大功能做一具体介绍

(1)输入

图7中的有限状态自动机的输入分子符号为：

a：ATCACG b：ACGGTA

TAGTGC TGCCAT

Terminator分子为GTACCT

CATGGA

以初始状态S₀，输入符号“aabbb”的有限状态自动机为例，得到相应的DNA输入分

将含有上述DNA序列的分子的溶液导入到图3中a侧芯片的孔1中，实现输入过程。

(2)输出

选择FokI限制性内切酶，其识别位点为5’-GGATG-3’，酶切位点是(9，13)，酶切后会形成一段4bp的粘性末端，它编码了不同状态和符号的组合，如表2所示。

表2不同状态和符号的组合

酶切后会形成的粘性末端在连接酶作用下与带有互补粘性末端的相应的转移分子粘连，形成一段新的DNA片段，编码新的状态。

检测分子用来检测程序运行结果所对应的状态，所以自动机的terminator状态均设计一个相应的检测分子如下：

D-S₀ D-S₁ D-S₂

上述检测分子和Output分子连接后形成报告分子(Report分子)，在图4芯片中的孔4-6间被检测并记录下来。

(3)计算

在微流控芯片上实现了如图9所示计算流程。

图9中a-g是输入状态、各个中间状态以及输出状态对应的电泳谱图。右侧是输入符号为“aabbb”的有限状态自动机的计算流程。图9a为输入分子Input-aabbb的电泳谱图，图9(b-f)表示的是计算过程中各个产物的电泳谱图，图9g是输出分子的电泳谱图。以100bp系列标准核酸片段(DNA marker)作为内标物以确定各目标分子(已作标注)的长度。在100bp系列DNA marker中，由左到右各个峰代表的DNA分子长度对应为100，200，300，400，500，600，700，800，900，1000，1500bp。其中500bp的峰明显高于其他峰，所以将其作为标志物，在图中标出。可明显看出图9的a-g中各目标分子的峰相对marker发生了明显位移，这表明DNA分子经过右侧所示的各步酶切、酶连反应后，长度发生了变化。

(4)存储

在微流控芯片DNA计算机中，通过“堆栈”的数据结构进行存储。根据计算的结果(转移分子及对应输入符号)，微流控芯片工作站控制存储芯片把相应的数据录入存储分子中，从而实现其在DNA计算机中的存储功能。

(5)控制

将计算结果的信息反馈给工作站，由预先设计的计算机程序控制另一端的存储芯片把相应的数据录入存储分子中。

①通过A-D转换器把芯片中反映DNA分子信息的信号采集到微流控芯片工作站中；

②把采集到的信号数据转化为图形文件；

③DNA分子的迁移时间和其分子长度成正比，通过特定计算机程序分析加入DNA marker的PCR产物电泳图，可以比较准确的测定PCR产物的长度，把计算值和理想值进行比较，就可以确定每步反应中的转移分子。

④显示结果并发送信号到DNA计算机的数据存储端，通过DNA分子记录每步反应的数据信息。

⑤存储功能的控制

将微流控芯片a侧信号传输给工作站，由其控制芯片b侧的存储单元输入Memory-a、Memory-b，直到指令发送完毕。

存储器的实现

到目前为止，由于试管技术条件的限制，无法实现DNA计算的结果和中间状态的存储，而这一存储功能可以在本发明所采用的微流控芯片系统中实现。

下面我们详细讨论在微流控芯片上实现存储功能的过程。计算机中常见的线性数据结构有表，堆栈和队列，这些数据结构对DNA计算机的发展有着非常重要的意义。以下以输入符号“aab”为例，来实现在微流控芯片上的堆栈存储结构。存储单元中最初为“空”，即仅含“E”分子。输入一个Memory-a或Memory-b分别使存储分子增加一段13bp或21bp的特定序列，最终通过检测长度或测序可输出存储的结果。

E分子的设计：

从takara购买的PUC19质粒上用引物L1和R1扩增，得到长度为304bp的片段，其中417-422位含有BamHI内切酶识别位点：GGATCC，继而用Bam HI酶切，生成左侧带有4bp粘性末端的DNA分子，即为空白分子“E”。

堆栈中存储单元分子的设计：

Memory-a和Memory-b分子右端带有粘性末端，可与空白分子“E”相连。由于它们均含有FokI酶切位点，因此酶连产物在FokI酶的作用下重新被分割成两部分。根据计算过程中转移分子给出的有关状态和符号的信息，进行存储。存入Memory-a或Memory-b，空白分子“E”实际上增加了一段13bp或21bp的特定序列。当输出为Terminator分子时，存储结束。最终通过检测长度或测序可输出存储的结果。

存储过程的具体操作过程如下：

首先在孔12中30℃条件下用BamHI限制性内切酶酶切生成左端带粘性末端的空白分子“E”，其长度为263bp。65℃加热10min使酶失去活性。按计算的结果引入存储单元分子Memory-a或Memory-b(包含FokI酶切位点)。在18℃酶连30min，65℃加热10min使酶失去活性。以酶连产物为模板进行PCR，扩增产物以电泳检测。重复上述操作，当计算过程输出为Terminator分子时，存储结束。最终得到的存储分子中包含有整个DNA计算的信息，可以随时读取。

以输入符号为“aab”的有限状态自动机的动态存储过程为例，对存储过程进行描述：

图10-a是堆栈存储过程的示意图和各步存储产物的电泳谱图，图10-b是其对应的运算过程。运算过程中转移分子包含了状态和符号的信息。输入符号为“aab”的有限状态自动机的转移分子依次为T1，T2和T3，其对应的符号依次为a，a，b。根据以上信息，将Memory-a，Memory-a和Memory-b依次存入E分子，得到Ea，Eaa和Eaab。于是就完成了一个输入符号为“aab”的堆栈存储。利用与上述“堆栈”存储过程类似的方法，也可以实现队列和表的动态存储过程。

Claims

1、一种微流控芯片DNA分子计算机，主要包括：

——以电子计算机和检测器为核心的控制器；

2、按照权利要求1所述微流控芯片DNA分子计算机，其特征在于：所述作为运算介质的DNA分子，在所述DNA分子运算器的微流控芯片上，按照所述控制器发出的指令完成DNA分子运算。

3、按照权利要求2所述微流控芯片DNA分子计算机，其特征在于：所述DNA分子运算器的输入部分对应的是含有特定序列的DNA计算分子和含有特定序列的DNA转移分子，输出部分对应的是通过酶切、酶连等生化过程获得的代表计算结果DNA输出分子。

4、按照权利要求2所述微流控芯片DNA分子计算机，其特征在于：所述作为存储介质的DNA分子，在所述DNA分子存储器的微流控芯片上，按照所述控制器发出的指令完成对所述DNA分子运算过程和结果存储。

5、按照权利要求4所述微流控芯片DNA分子计算机，其特征在于：所述DNA分子存储器的输入部分对应的是DNA空白分子和含有已知序列的DNA存储单元分子，输出部分对应的是通过酶切、酶连等生化过程获得的经过“叠加操作”的DNA存储分子。

6、按照权利要求5所述微流控芯片DNA分子计算机，其特征在于：所述DNA存储单元分子的种类数目与DNA分子运算器中的DNA转移分子的种类数目相对应。

7、按照权利要求2所述微流控芯片DNA分子计算机，其特征在于：

所述检测器针对DNA分子运算器的DNA输出分子进行检测，所述电子计算机根据检测结果做出甄别判断并对DNA分子运算器和DNA分子存储器发送指令，使得DNA分子分别在运算器和存储器的微流控芯片操作平台上完成DNA分子运算和DNA分子存储。

8、按照权利要求7所述微流控芯片DNA分子计算机，其特征在于：所述检测器可为激光诱导荧光检测器、电化学检测器、紫外检测器。