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“细菌—噬菌体”联合生物计算机的研究

作　者: 沈俊杰
导　师: 吕红兵
学　校: 浙江大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 生物计算机体内计算机插入删除系统酶切连接机制 DNA计算机
分类号: TP38
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

生物计算机的研究是理论计算机研究领域的一个重要分支，生物计算机的核心思想是用生化反应来模拟计算操作。依托生物分子尤其是DNA分子的大规模并行性，生物计算机在解决NP问题中的潜在能力为世人关注。从1994年到现今是生物计算机蓬勃发展的十年，生物计算机的研究也从理论研究阶段跨越到实验验证阶段。目前几乎所有的生物计算机都是在体外进行的，既利用生物分子在体外的生化反应来模拟计算操作。体外计算的优点是设计简单和易于实现；缺点是需要人工的操作或设备的辅助，否则计算机的自动性无法得到实现，这样的计算不但麻烦而且没有用生物体的自我调控机制来对计算进行控制，只是将生物分子作为数据载体和操作工具的计算机，如DNA计算机。如果能将计算置于生物体内，就可以利用生物自动性对计算进行控制。体内计算机的设计远比体外计算机要复杂，这不仅因为对生物体的体内环境知识的匮乏和对生物自身调控机制的不甚了解，而且也是对将计算植入生物体内所造成的对生物体的影响估计不足。本文所提出的“细菌一噬菌体”联合生物计算机(以下简称菌毒计算机)是对体内计算机设计的一种尝试，是对将计算置于生物活体内进行的可行性的一种探索。菌毒计算机的基本思想是在噬菌体感染细菌的整个生化反应过程中插入模拟计算的生化反应。细菌，噬菌体和细菌体内的质粒是整个菌毒计算机的硬件架构，其中细菌的基因组编码有计算工具酶基因，噬菌体的基因组编码有字符带和计算启动基因，质粒则编码插入规则集。在一次感染的过程中，计算启动基因编码的产物既反阻遏蛋白用于和抑制计算工具酶基因转录的阻遏蛋白形成复合物，使其失活，从而启动计算工具酶的转录。计算工具酶是指和计算操作相关的生化酶，如限制性核酸内切酶，连接酶等。菌毒计算机采用insertion/deletion systems(插入删除系统)为其理论模型，该系统具有和Turing机等同的计算能力。菌毒计算机利用酶切连接机制来对该模型进行模拟，从而实现计算。计算工具酶对噬菌体基因组DNA分子和质粒DNA分子的操作既是酶切连接机制的运用。虽然菌毒计算机的设计都是基于最基本的生命规律，没有任何不切实际的凭空想象，但其实现和应用还需假以时日。一方面，体内计算机设计本身的难度制约了其发展；另一方面，体内计算机的研究必须和生物学的基础研究同步进行，而不可能超越其发展阶段。因此，菌毒计算机的研究只能是生物体内计算机研究的一个特定阶段，是对体内计算是否可行的理论分析，其象征意义大于实用价值。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-5
目录  5-8
第一章绪言  8-11
  第一节生物计算的历史、现状及发展  8-9
  第二节本文的意义  9-11
第二章生物计算机的基本概念和方法  11-35
  第一节 DNA分子及其操作  11-13
  第二节生物分子大规模并行性  13-14
    2．2．1 DNA分子的量级  13-14
    2．2．2 错误计算分子的降解与正确计算分子的合成  14
  第三节模拟计算的生化反应  14-20
    2．3．1 退火与溶解反应  15
    2．3．2 核酸酶和酶切反应  15-17
      2．3．2．1 限制性核酸内切酶  15-17
      2．3．2．2 同裂酶  17
      2．3．2．3 同尾酶  17
      2．3．2．4 核酸外切酶  17
    2．3．3 连接酶和连接反应  17-18
    2．3．4 聚合酶和聚合反应  18-20
      2．3．4．1 DNA聚合酶  18-19
      2．3．4．2 RNA聚合酶  19-20
      2．3．4．3 RNA反转录酶  20
  第四节 NP问题的生物计算解决方法  20-25
    2．4．1 NP问题  20-21
    2．4．2 哈密尔顿回路问题  21-23
    2．4．3 可满足性问题  23-25
  第五节模拟通用计算机的生物计算机  25-35
    2．5．1 通用计算机  25-26
    2．5．2 Turing机的模拟  26-29
    2．5．3 生物计算机模拟有限自动机的实验验证  29-31
    2．5．4 基于生物分子反应特性的理论计算机模型  31-35
      2．5．4．1 Splicing Systems和DNA分子重组现象  31-32
      2．5．4．2 Insertion／Deletion Systems和酶切连接机制  32-33
      2．5．4．3 DNA-EC模型和DNA分子操作集合  33-35
第三章生物自动性和体内计算概念  35-38
  第一节生物自动性  35-36
    3．1．1 退火溶解自动性  35-36
    3．1．2 酶切连接自动性  36
  第二节体外计算机和体内计算机  36-38
    3．2．1 体外计算机和DNA计算机  36-37
    3．2．2 体内计算机和细胞计算机  37-38
第四章计算工具酶的基因工程  38-43
  第一节计算工具酶的基因克隆  38-40
    4．1．1 中心法则  38-39
    4．1．2 基因  39
    4．1．3 克隆  39-40
  第二节基因的表达载体结构  40-43
    4．2．1 启动子  40
    4．2．2 转录终止子  40-41
    4．2．3 转译起始序列  41
    4．2．4 转译增强子  41
    4．2．5 转译终止子  41-43
第五章细菌，质粒和噬菌体——计算的体内环境  43-50
  第一节细菌  43-44
  第二节质粒  44-45
  第三节噬菌体  45-50
第六章 “细菌—噬菌体”联合生物计算机  50-65
  第一节菌毒计算机的基本原理  50
  第二节菌毒计算机基于的理论计算机模型  50-52
  第三节菌毒计算机的硬件架构  52-59
    6．3．1 细菌——计算的场所和计算工具酶的表达载体  52-55
    6．3．2 质粒——插入规则集  55-57
    6．3．3 噬菌体——字符带载体和计算启动基因  57-59
  第四节菌毒计算机的计算流程  59-64
    6．4．1 感染初期阶段——噬菌体DNA进入细菌  59
    6．4．2 早期共同转录阶段——计算启动基因的转录  59-60
    6．4．3 早期抑制转录阶段——细菌染色体降解  60-61
    6．4．4 噬菌体DNA复制阶段——模拟计算的酶切连接操作  61-62
    6．4．5 晚期转录阶段——新生的噬菌体颗粒  62-64
    6．4．6 溶菌阶段——计算后的噬菌体释放  64
  第五节菌毒计算机的计算衔接  64-65
第七章总结和展望  65-67
参考文献  67-69

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