（运筹学与控制论专业论文）执行分类功能的生物分子自动机.pdf

摘要 ， 自1 9 9 4 年a d l e m a n 发表第一篇d n a 计算的文章以来，大多数研究者致力于 解决电子计算机难以计算的n p 难问题，这些研究都是基于实验室规模的d n a 操 作技术，需要人为于预；此后，w i n f r e e 关于d n a 计算的自装配理论为d n a 计算 指明了另一个重要的研究方向，文中提出的“全列举与自动选择”成为d n a 计 算的基础思想，初步地实现了d n a 自动计算的功能；2 0 0 0 年y a a k o vb e n e n s o n 等 人发表在n a t u r e 上的题为“可自动运行的，分子规模的生物分子自动机”一文， 开辟了d n a 计算的研究的另一条途径，该文章还被评为这一年十大重要新闻之一 具有非常重要的意义。 本文第二章借鉴了y a a k o vb e n e n s o n 等人发表在n a t u r e 的a na u t o n o 0 u s m o l e c u l a rc o m p u t e rf o rl o g i c a lc o n t r o lo fg e n ee x p r e s s i o n一文中体内 运行的分子医生的思想，并在其基础上改进了生物分子自动机，用两种不同的限 制内切酶切割，切出的上，下粘头分别代表不同的状态，由此可避免由于切割 d n a 双链碱基个数不准确而造成的误差。具体地，本文采用了基因修饰的治疗手 段，针对某一肿瘤疾病的不同分型，利用相异的限制性内切酶的切割特性，设计 了能自动释放并合成不同种( 至少两种) 药物分子的生物分子自动机。 本文第三章对生物分子自动机计算过程中和d n a 所储存的能量进行分析，并 总结了d n a 计算机的所遇到的困难，预测了d n a 计算和生物分子自动机的发展趋 势，研究领域，以及未来亟待解决的问题。 关键词d n a 计算；生物分子自动机；基因 a b s t r a c t s i n c ea d l e m a np u b l i s h e dh i sp a p e ri n1 9 9 4 ，m o s tb i m o l e c u l a rc o m p u t e r r e s e a r c h e r sf o c u s e do nl a b o r a t o r y s c a i e ，h u m a n o p e r a t e dc o m p u t e r sf o rc o m p l e x c o m p u t a t i o n a lp r o b k m s a n dt 1 1 e n “e 埘r e l ye n u m e r a t i o na n da u 协m a 垃cs e l e c t i o n p r o n o u l l c e db yw i n 丘e ep o i n t e dav e r yi m p o r t a l l td i r e c t i o n t h i sm o u g h ti sb a s i ci d e a o fd n ac o m p u t e r ，c o m p l i s h e do r i g i n a l l ya u t o n o m o u so p e r a t i o n a na u l o n o m o u s m o l e c u i a rc o m p u t e rf o rl o g i c a lc o n t r o lo fg e n ee x p r e s s i o n ，h l em a g a z i n e n a t u 耐 p r o n o u n c e db yy a a k o vb e n e n s i o ni n2 d 0 1 p o m t e da n o t h e r ：j tl ss a l dt h ed n eo ft o pt e nn e w s ， a n di sv e r ys i g n i f i c a n t f i r s t ，a na u t o n o m o u sb i m o i e c u i a rc o m p u t e r a tl e a s ti nv i t r o “a na u t o n o m o u sm o l e c u l a r c o m p u t e rf o rl o g i c a ic o n t r o io fg e n ee p r e s i o n ”w a sb a s i ct h o u g h t ，t h i sp a p e ri m p r o v e sa n a u l o n o m o u sb i m o i e c u l a rc o m p u t e ri nt h eb a s l s u s i n gt w oi i m 瞳e de n z y m e s ，他s h o w st w o s t a t e sb yd i f f e r e n ts t i c ka n df h e ni tc a na v o i de r r o r s b e c a u s eo fi n r r e c tc l e a v a g e t h et h i r do f t h l sp a p e rm a k e sa n a l y s i so fd n ae n e r g ya n dd n ao p e r a 节o n ，a n dc o n e c t s d i f f i c u 时a na u t o n o m o u sb j m o e c u l a rc o m p u i e rc o n f r o n t e d ，a n t i c i p a t e sd e v e i o p m e n tf e n d e n c y r e s e a r c ha r e a s a n dp r o b i e mo fd n a c o m p u t i n ga 1 1 da na u t o n o m o u sb i m o 【e c u l a rc o m p u t e r w o u f dc o n f r o n t nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：d n a c o i n p u t i n g ；a u t o n o m o u sb l m o l e c u b rc o m p u t e r ：g e n e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：避壶盘日期：迦签：皇：多 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盟导师签名：舡日期：必 v 第一章绪论 随着人们对计算日益增高的要求，人们发现传统运行模式的电予计算机，不 论是体积的增大还是运行速度的加快都面临着l 临界的问题。即：电子计算机的两 个重大缺陷显得越发突出：一是信息存储量的极限即将达到；二是物理规律决定 了它的速度极限也即将达到。因此，非标准计算模型越来越受到人们的关注，忒 别是d n a 计算。虽然现在还无法看到他们的原型，但它们发展的潜力是巨大的， 因为他们都具有并行性。容量大、速度快等特点。其中，1 9 9 4 年a d l e m a n 成功 的用d n a 分子解决了一个七个顶点的有向啥密尔顿问题的实验表明生物分子 计算从理论变成了现实，这在d n a 计算的历史上具有里程碑的意义。继a d l e m a n 的实验后，对d n a 计算的研究有了突飞猛进的发展。这一章介绍了d n a 计算的 基本知识，以及d n a 自动机的发展现状。 1 1d n a 计算的基本知识 1 9 9 4 年南加州大学的a 1 1 e m a n 【1 j 在实验室里成功的用d n a 分子解决了一个 七个顶点的有向哈密尔顿问题( 一个n p 问题) ，从此开创了d n a 计算研究的新 纪元，也开创了一个非标准计算研究的新领域，它使人们对计算的本质产生了新 的理解和认识。d n a 计算的诞生向人类揭示，d n a 可以作为计算的介质而用于 解决人类的数学问题，这是真正意义上的生物数学：生物是计算工具而人类数学 问题是计算的目的，因此完全不同于以往科学文献中“生物数学或数学生物学” 的含惹：数学是工具而生物学问题是目的。 w i n f r e e 对d n a 自装配计算的发展作出重要贡献，他的关于二维d n a 格的设 计和白装配影响了后来d n a 计算的发展方向嘲。在他的工作基础上，d n a 计算的 问题解决更具有简单性和仿真性。后来自装配计算成为d n a 计算一个重要的研究 方面，c h e n g d em a o 【7 1 等人的论文用d n a 三螺旋分子的自装配来实现加法和逻辑 异或运算，a s h i s hg e h a n i l 8 1 和t h l a b e a n 【4 1 等人把这种方法用于加密系统， 提出了一种基于次性密码本的d m 加密算法。日本的k e n s a k us a k a m o t o 【9 1 等 人提出的发卡状计算模型解决可满足性问题，也是建立在分子自装配的基础上 的。 基于表面的d n a 计算是早在9 7 年就提出的一种模型，他的优越性在于具有 实现自动操作的潜力，以及他的提升性。2 0 0 0 年n a t u r e 刊载了o i n g h u al i u 【1 4 j 的文章，标志着表面上的d n a 计算正在逐步完善。 实现d n a 计算的自动化一直是研究者的一个目标，在这方面，比较突出的工 作是以色列著名的可编程生物分子自动机的提出。模拟t u r i n g 机的装置可以自 作是以色列著名的可编程生物分子自动机的提出。模拟t u r i n g 机的装置可以自 动并行的根据输入的程序执行不同的数据处理。日本人宣布制造出世界上第一台 d n a 计算机，它是专用来作基因分析的。 最初，大部分研究致力于n p 问题的解决，这是因为n p 问题是电子计算机的 能力界限。d n a 计算的运算的高度并行性、大容量、低能耗是目前的计算机和并 行计算机所无法比拟和替代的，因此，d n a 计算解决n p 难题具有很大的优越性。 利用生物分子去做计算较利用电子器件去做计算有明显的优越性有： d n a 计算的特点d n a 计算的核心问题是经过编码后的d n a 链作为输入，在试管 内经过一定时间完成控制的生物化学反应，以此来完成运算，使得从反应后的产 物及溶液中能够得到全部的解空问。d n a 计算具有如下几方面的显著特点： 1 具有高度的并行性。a d l e m a n 实验中，通过适当估计，d n a 串的并行操作 数目可达l o “，许多学者认为，当前技术最多可达1 d 5 1 0 2 0 个串的并行操作， 而目前最快巨型机1 0 2 2 个操作【1 ”。 2 海量存储。d n a 作为信息的载体其储存容量非常之大，1 立方米的d n a 溶液 可存储1 万亿亿的二进制数据，远远超过目前所有电子计算机总储存量。 3 低能耗。d n a 分子生物计算所消耗的能量只有一台电子计算机完成同样所 消耗的能量的十亿分之一。 4 资源丰富。从植物或动物中提取d n a 的成熟技术为d n a 计算机的开发提供 了丰富的核心资源。 一 d n a 计算解决问题的基本思想是：利用d n a 特殊的双螺旋结构和碱基互补配 对原则对问题进行编码，把要运算的对象映射成d 分子链，在d n a 溶液的试管 里，在生物酶的作用下，生成各种数据库，然后按照一定的规则将原始问题的数 据运算高度并行地映射成d n a 分子链的可控的生化过程。最后，利用分子生物技 术破获运算结果o ”。 简单来说，d n a 计算即包括三个步骤： 1 、进行编码，即将所要解决的问题映射为一个d n a 分子的集合； 2 、计算过程，进行各种生化反应如杂交、链接及延伸等生成可能解空间； 3 、解的分离和读取( 如p c r 反应和凝胶电泳) d n a 计算的核心问题是将经过编码后的d n a 链作为输入，在试管内经过一定 时间的生物化学反应来完成运算，使得从反应后的产物及溶液中能得到全部的解 空间。 第一荦绪论 d n a 计算在本质上是生化反应，因此，为了利用d n a 分子完成给定的任务， 必须借助对d n a 分子的各种操作技术。对d n a 分子的操作，既有物理的，也有化 学的。物理操作实质上是调控生化反应的外部条件，例如温度，酸碱度等等。此 外是来自各种生化试验手段，尤其是通过各种酶的操作。在试管中d n a 生化操作 经常用到的有以下几种1 2 1 】： 1 合成：游离的碱基形成寡核苷酸的过程。 2 连接：两个d n a 分子在有连接酶存在的条件下，按w a s t o n c r i c k 原则配 对且将缝隙修补好，从而连接在一起的过程。 3 提取：将含有特定d n a 短链的分子提出来，这要通过将特定短链的互补 链吸附在小磁珠上，然后用磁铁将小磁珠吸出来的过程。 4 延长：这一过程需要一条已知单链模板和一条已存在的，已与模板的一小 段匹配的引物d n a 序列，要延长的d n a 序列根据模板给出的序列结构，在聚合酶 的作用下由5 到3 的方向不断延伸。 5 缩短：通过核酸外切酶从d n a 分子的末端去掉一个核苷酸而缩短d n a 分 子。 6 剪切：限制性内切酶将含有它能识别的序列处，将双链的d n a 分子切为 两段的过程。 7 退火和溶解：这是两个完全相反的过程，退火是指两条互补的d n a 单链 在温度逐渐降低的条件下，合成一条双链的过程；溶解是一条d n a 双链在温度升 高时，解为两条单链的过程。 8 凝胶电泳：将d n a 分子置于一由凝胶电场中，由于d n a 分子带负电，在 电场中会向正极移动，长度大的分子链受到凝胶的阻力大，移动速度慢，因此可 用此技术去获取一定长度的d n a 分子链，也可区分不同长度的d n a 分子。 9 放大( 复制) ：游离的碱基与作为模板的链配对连接形成双链，然后解成 单链，继续这样的过程，于是目标链会以2 的指数级增长。 区别与a d l e m a n 的操作方法，另一种方法是将d n a 链固定在一个表面上，这 对于d 计算提供了许多帮助。最初，寡核苷酸的溶液集附着在一个表面上( 玻 璃，硅片，金片，等等) 。然后对它们进行一系列的操作：在溶液中进行杂交或 外切核酸酶的降解，提取出期望的解决结果。这种方法大大减少了纯化步骤中 d n a 分子的丢失。这种基于表面的生化操作经常用到下面几种： 北京工业大学理学硕士学位论文 1 、重排：也称作初始化。这一步将产生所有需要生成的d n a 链。这些链可 以根据要求代表不同的数值。 2 、附着化学反应：表面的接触面上的分子和初始化的d n a 链附着到表面上。 ( 表面和初始化的d n a 链都经过特殊准备，使它们能够附着到表面上) 。 3 、标记：标记这些链仅需在这些链的自由段把它们变成双链，因为初始状 态时这些链都是单链。把一些单链加入到表面上，它们将与需要标记的链进行退 火。这样根据w 乱s o n - c r i c k 原则就会形成部分双链。 4 、非标记：即将表面上的d n a 双链解链，只需在蒸馏水中清洗表面并且提 高温度，这样在容器中只会有单链留在表厦。 5 、删除：这一步操作是利用一些外切核酸酶选择表面上的d n a 链的末端。 外切核酸酶具有一定的特性，可以针对单链，也可以针对双链。通过选择不同的 外切核酸酶，可以有选择的删除标记的双链或者非标记的单链。 ， 6 、读出( c ，s ) ：需要把表面上的链分离出去。一些内切酶可以识别双链的短 序列中的限制性位点，并在这个位点把双链切断。当表面上的链含有这些位点， 当加入内切酶时所有表面上的链都可以被分离。然后利用溶液中读取d n a 链的 方法进行读取。 通过酶催化作用的d n a 各种操作 酶是在活性细胞中催化化学反应的蛋白质。它们是非常专一的，其中大多 数只催化一种化学反应，并且效率极高。没有酶，在活性细胞中进行的化学反应 将会因速度太慢而不能维持生命。 本文用到限制性内切核酸酶，它的功用更为专一，它们只能切割双链分子， 而且只能在特定的( 根据给定的限制酶) 位点切割。 一个限制酶将在特定的识别位与d n a 粘合，然后主要从识别位点内切割 d n a ，但有时也在这个识别点外切割。通过在一个核苷酸的端产生键，在另一个 核苷酸的端产生磷酸键，限制酶将切割相邻的核苷酸之间的磷酸二酯键。 例如： 4 gaat tc ettaag e c 。r i 切害4 二卫圈。 aattc g 3 5 图卜l 酶的剪切功能 f i g 卜1c l e a v a g eo fe n z y m e 1 2 d n a 自动机的发展现状 1 9 9 4 年以来，d n a 计算的高度并行性和高密度存储等优点使得越来越多的 科学家致力于这门学科的研究，她吸引了大量计算机、数学、生物分子学以及化 学研究者的目光。1 0 年的时间里，s c i e n c e 、n a t u r e 等顶级杂志连续的报道了这 门学科的最新创造成果。其中有理论方面的研究，比较有代表性的研究如d n a 计算的普遍性和通用性、算法复杂性、编码理论、误差分析等，也有应用方面的 研究，比如可满足性问题以及各种n p 问题、代数运算、逻辑运算、加密机制等。 w i n 舶e 对d n a 自装配计算的发展作出了重要贡献，他的关于二维d n a 格 的设计和自装配影响了后来d n a 计算的发展方向。在他的工作基础上，d n a 计 算的问题解决更具有简单性和仿真性。后来自装配计算成为d n a 计算一个重要 的研究方面，c h e n g d em a o 等人的论文用d n a 三螺旋分子的自装配来实现加法 和逻辑异或运算，a s h i s h g e h a l l i 和t h - l a b e a l l 等人把这种方法用于加密系统， 提出了一种基于次性密码本的d n a 加密算法。日本的k e i l s a k us a i 【a m o t o 等人 提出的发卡状计算模型解决可满足性问题，也是建立在分子自装配的基础上的。 基于表面的d n a 计算是早在9 7 年就提出的一种模型，他的优越性在于具有 实现自动操作的潜力，以及他的提升性。2 0 0 0 年n a t u r e 刊载了q i n 曲u a l i u 的文 章，标志着表面上的d n a 计算正在逐步完善。 实现d n a 计算的自动化一直是研究者的一个目标，在这方面，比较突出的 工作是以色列著名的可编程生物分子自动机的提出。模拟n i n g 机的装置可以 自动并行的根据输入的程序执行不同的数据处理。日本人宣布制造出世界上第一 台q a 计算机，它是专用来作基因分析的。 其中，2 0 0 0 年m i l a i lns to _ j a nd a r k os t e f h o v i c 发表的ad e o x y r i b o z y m e b a s e dm 0 1 e c u l a ra u t o ma _ t 。n n a t u r eb i o t e c h n 0 1 0 9 y 一文描述了一种分子自动机，它叫 做m a y k 它编码t i c 一- t a c 一- t o e 游戏，并且与作为对手的人交互竞争。自动机包 括2 3 个分子规模的逻辑门，每一个逻辑门激活被置于3 + 3 游戏区中所对应的网 格。为了下一步移动，m a y a 执行对对手输入的字符分析，并通过反馈的荧光信 号显示下一步的移动。输入字符和自动机的反馈循环一直进行下去直到自动机胜 利或暂停，自动机不会被打败，因为它执行一个完美的策略。 m i l a n ns t o i a i l d a r k os t e f 抽o v i c 通过分子设计来构造逻辑门，一个由e 6 组成 的模型和茎干环模型相混和，当互补的核苷酸链接到环上，它经历一个结构改变 ( 茎干打开) ，并改变e 6 的中心在底层的标识领域的任意一端混合茎干环，形成 y e s 门。茎干环有效的阻止底物进入d e o x y r i b o z y m e 。因此，y e s 门以两种状态 存在，一种是抑制状态，另一种是激活状态，它们被互补的核苷酸所激活，核苷 酸减轻茎干所形成的抑制。相似的，一个茎干环的模型与一个接触核心导致两个 状态的变级器或n 0 门，当存在一个核苷酸链与环互补时，茎干环打开并扭曲接 触中心，并有效抑制荧光反应。此外，通过在底物标识领域的两端加茎干环设 计a n d 门，这些门有四个状态，其中只有一个是激活的。当两个输入核苷酸存在 时，它们优先被激活。因为游戏有4 个那么多的输入，我们需要一个可以解释 一个较多的核苷酸的逻辑门。理想的一个底层有四个规则，我们继续构造3 个输 入的a n d a n n n o t 门，它有8 个可能的状态，即一个n o t 模型被一个a n d 模型混 合。 最为著名的是2 0 0 1 年以色列科学家们y a a k o vb e n e n s o n 等人描述的可编程 的有穷自动机，自动机的硬件由链接酶和组成，软件分子和输入分子用双链d n a 编码，编码归结为选择合适的软件分子，混合包含这些成分的集合，自动机自动 处理输入分子，杂交和链接循环，产生一个可探测的结果分子。结果分子编码自 动机的最终状态，每秒，并且转变的精确度大于9 9 8 ，消耗的能量不足1 0 “”w 。 软件分子由转变分子规则组成，每个都根据当前的状态和字符来决定下一个 第一罩绪论 状态。初始状态被定位在输入字符的最左边。每次转变，向右边移动一个字符， 并按照转变规则改变状态。如果没有可供选择的规则，自动机会悬挂起来。当处 理到输入字符串的最后一个字符时，计算终止。如果计算以可以接受的最终状态 结束，自动机接受输入。 两个状态和由a ，b 两字符组成的序列所构成的有穷自动机的基本特征和过程 如图：自动机有8 个可能的转换规则t 卜一t 8 编程归结为从可能的转换 规则中选取一部分规则，并规定终了状态。规则共有2 5 5 种可能的选取，终了状 态的选取有3 种，这样就有7 6 5 种不同的编程。一个输入分子编码自动机的初始 状态和输入。六个碱基对编码一个输入字符，系统包括两个不同长度的检测分子， 每一个都可以和不同的结果分子交互形成的结果报告分子，结果报告分子显示最 终状态，可以通过凝胶电泳检测。 d n a 独特的性质使得它在超分子化学，微技术，超小型集成电路，分子开关， 分子设备和分子计算。在近来介绍的分子自动机种，d n a 分子可作为输入，输出， 软件，硬件( 由d n a 限制酶，链接酶组成，并以a t p 为燃料) d n a 不仅存储信息， 还存储能量，能量可用于互补链的杂交或磷酸二酯酶链路的水解，这里我们说明 一条d n a 分子单链可以提供输入数据和一个分子自动机所需要的所有能量， 分开的过程使用一种迄今为止不了解其性能的限制酶f o k l 作为硬件，在软 件上运行，自动机每一步操作都消耗一个软件分子和两个a t p 分子，因为链接 操作在自动机内执行，原则上固定数量的软件分子和硬件分子可以处理任何长度 的输入分子，而不需要额外的能量。我们的实验显示在自动操作每秒执行多次转 换，转换的精确度高达9 9 9 ，并向周围释放5 1 0 瓦热量。 d n a 的功能是存储遗传信息并调节信息的表达d n a 独特的化学性质使应 用的高度逐步提离，d n a 可作为重要的结构成分或附近的配合基和粒子的载体。 前者包含超高频示波器，d n a 构造和可延伸的空间结构：后者包括蛋白质，黄色 粒子和d n a 的微信息模板。d n a 可以形成动态的结构，例如分子开关和摆动式 分子机。在基因表达的抗致敏规律中还发现了d n a 的标示特性。 d n a 信息编码，d n a 的识别能力，以及用于d n a 操作的酶的机制，都促 进生物分子计算这个领域的出现。实验的d n a 电脑利用利用单链或双链编码数 据并编码软件。这些分子以程序的方式相互作用，并与酶和人工控制相结合，提 交一个编码结果的分子k 目前，很少关注d n a 电脑的能源方面，事实上，所有的链接酶。然而，相 反的操作，例如：链的杂交和水解都是自发的，因为它们被存储在d n a 自身的能 量所驱动，使用这些操作分子的电脑，原则上可以输入d n a 分子提供燃料。事 实上，为了给摆动机提供燃料，d n a 单链的能量被用在使用在非计算的部分。 这里我们描述一种基于d n a 的自装配和过程的反复循环来计算的有穷自动机。 互补的粘头杂交所产生的能量驱动自装配，而不可能恢复的程序步骤由输入的 d n a 链水解所释放的热量驱动，也不需要a t p 和额外的热量。我们的自动机， 原则上，利用固定数目的软件分子和硬件分子处理任何长度的输入分子，并不需 要额外的能量供应，并对这理论可能性提供了实验实现。 早期的生物分子电脑研究致力于实验室规模，人工控制电脑来解决复杂计算 问题。近来，提供了一种简单的分子规模的可编程的自动机，并且输入和输出信 息都是分子形式。这种计算机利用生物分子作为输入数据和生物活性分子为输 出，并且可以产生一种逻辑控制生化过程系统。这里我们描述一种自动分子计算 机，至少是在活体上。逻辑分析信使r n a 水平，并且产生一种能量影响基因表 达的水平的分子。每台的计算机在一微升亿万台电脑的浓度下运行，由三个可编 程的模型组成。一个计算模型就是随机分子自动机，输入模型：通过输入模型具 体的信使r n a 水平或点突变规定软件分子的浓度( 自动机转换概率) ，输出模型： 控制d n a 单链分子的释放。这种方法或许被应用在生物化学感应，基因工程， 甚至医学诊断和治疗。我们编程去辨认和分析带病的m r n a 基因，并且产生一 种装有抗癌药物的d n a 单链分子。从医学治疗的简单化中得到提示，我们考虑 我们的分子计算机执行一个计算版本的诊断，辨识在具体水平中混合的删烈a 分子。治疗产生生物活性分子( 类似药物的单链d n a 分子，计算机的运行 受诊断规则所控制，诊断。规则以简单的编码医学知识。规则的左边部分由一系 列的具体病症的分子指示器组成) 例如前列腺癌：如果显示p i m i 和h p n 基因， 那么自动机执行释放d n a 分子，它抑制蛋白质的合成。自动机设计灵活，足够 长的r n a 分子可作为分子指示器，并可释放任意至少2 1 个核苷酸的d n a 单链 分子。 总体上看，目前d n a 计算的研究状况类似于电子计算机在四，五十年代的形 势，即建立计算机理论基础及样机设计的阶段0 3 。特别令人鼓舞的是d n a 基计算 的完备性与通用性研究已得到充分的证明，计算速度与存储的巨大优势得到理论 与实验的证明，生化实验已经普遍成功，也已经建立了解决许多复杂数学问题的 计算模型，其中有许多是基于表面的d n a 计算模型等。但是有几点明显不同，一 点是发展的速度快，特别是在现代生化技术飞速进步的直接作用下，从第一篇论 文算起，短短八年时间已经有相当自动化的模型机诞生，也就是2 0 0 1 年威兹曼 实验室从实验的角度证明了d n a 计算机能够实现电子计算机所能实现的功能，这 些都表明d n a 计算这新的科学领域越来越受到科学界的瞩目。另一点更为重 要，因为本质上并行的计算装置其运行模式将可能完全不同于以串行计算机制 ( t u r i n g 计算模型) 的运行模式，至今虽然有大量计算模式推出，但是却没有 被普遍接受的统一模式。甚至将来的d n a 计算机是否将采取单一模式都受到怀 疑。第三点，由于d n a 计算，从一开始就关注解决人类数学中的困难问题，即所 谓n p 问题，而许多研究者认为众多数值计算是电子计算机的专用领地，所以 d n a 计算的定位，或者说d n a 计算机的应用范围都是争论的问题。因此，类比于 t u r i n g 时代，d n a 计算的形势远为复杂。 1 3 本章小结 这一章中综述了研究者们对d n ac o m p u t i n g 各个领域的探索和成果，以及用 于d n ac o m p u t i n g 的几种常用的试管和基于表面的生物操作，以及限制内切酶的 独特的剪切功能。另外，简单描述了m a y a 自动机和y a a k o v 的可编程的生物自动 机的原理，并介绍了可以人机互动的y a 游戏机和有前景的d n a 分子自动机的 研究进展。 9 第二章能执行分类功能的生物分子自动机 自1 9 9 4 年a d l e a n 发表第一篇d n a 计算的文章以来，大多数研究者致力于 解决电子计算机难以计算的n p 难问题，这些研究是基于实验室规模的dna 操 作技术，需要人为干预；此后，w i n f r e e 关于d n a 计算的自装配理论为d n a 计算 指明了另一个重要的研究方向，初步地实现了d n a 自动计算的功能；2 0 0 0 年 y a a k o vb e n e n s o n 等人发表在n a t u r e 上的题为“可自动运行的，分子规模的生 物分子自动机”一文，开辟了d n a 计算的研究的另一条途径，具有非常重要的意 义。 本文借鉴了y a a k o vb e n e n s o n 等人发表在n a t u r e 上的文章中体内运行的 分子医生的思想，并在其基础上改进了生物分子自动机，用切出的上，下粘头代 表不同的状态，由此可避免由于切割d n a 双链碱基个数不准确而造成的误差。具 体地，本文采用了基因修饰的治疗手段，针对某一肿瘤疾病的不同分型，设计了 能自动释放并合成不同种( 至少两种) 药物的生物分子自动机。 2 1 y a a k o v 的生物分子自动机 ， 利用d n a 作为计算工具的，实验室规模的计算模型早己被提出了，但分子规 模且自动运行的计算设备的实现却相当少见。2 0 0 1 年y a a k o v 发表的 p r o g r a r m a b l ea n da u t o n o m o u sc o m p u t i n gm a c h i n em a d eo fb i m o l e c u l a r 文 中描述了一种可编程的生物分子有穷自动机。 2 1 1 自动机的基本知识， 有穷自动机( 如图2 1 ) 作用于有限字符序列a b a b ，并规定了初始状态& 和 接受状态s ，转换规则s o 三专5 根据当前的状态瓯和输入的字符b 来决定下 一个状态s 。每次转换，自动机向右边移动一个字符，并按照转变规则改变状态。 如果在自动机运行过程中没有合适的转换规则时，自动机会悬挂起来；而当运行 到输入字符串a b 曲的最后一个字符时，计算终止。如果计算以可| 以接受的状态 结束墨，则认为自动机接受输入a b a b 。 第二章能分类并执行的生物分子自动机 图2 。1 有穷自动机 f i g 2 - 1d e t e r m i n i s t i cf i n i t ea u t o m a t o n 两个状态s 。s 。和由a ，b 两字符组成的字符串所构成的有穷自动机的基本特 征：自动机有8 个可能的转换规则t lt 8 编程归结为从可能的转换规 则中选取一部分规则，并规定终了状态。自动机的硬件由链接酶和限制酶组成， 软件分子和输入分子用双链d n a 编码，软件分子由8 个短的d n a 双链分子组成， 称为转换分子，分别编码8 个可能的转换规则( 如图2 2 ) 。6 个碱基对长的d n a 分子编码输入字符a b 几e m i n a t o r ，左边的4 个碱基对编码鼠，右边4 个碱基 对编码s ( 如图2 3 ) ，一个输入分子分为3 个功能段，分别编码自动机的初始 状态，输入字符串，和终端。系统还包括两个不同长度的检测分子，每个都可 以和不同的可探测的结果分子交互形成的结果报告分子，结果报告分子显示计算 的最终状态，可以通过凝胶电泳检测( 如图2 4 ) 。通过混合以上这些成分，自 动机自动地处理输入分子，经过杂交与链接，剪切的反复循环，产生一个结果分 子，结果分子编码自动机的最终状态，这样计算完成。分开的过程使用一种迄今 为止不完全了解其性能的限制酶f o k l 作为硬件，在软件上运行【1 2 】。 f 酣ir e c o qr i i j o ns i l e g 国黑噩嚣g 。鼢 了7 ：s 0 ! _ s 0 g 回器餐器。g p 3 j s o k s o 。旱囤i 蹴a 。c p 7 _ 5 ：s 7 ! _ s 0 高团；器襞；螂邵 r 7s 7 s o g 高囤i 黜2 麟。加 佬s o s 7 。高回；鼢琵购 4 s o s g 高固i 器器：i 。c p t 6 ：s 1 ! _ s 1 。舞回2 黑器5 ：s t p 8 s f l 4 s7 图2 2 软件分子 f i g 2 2t r a n s i t i o nm o l e c u l e s y m b 0 1 sa 州s l j n e se n c o d | n 9 l 钳酏d 8b l e m 汛瓤o ( s 1 如( s 1 ， ) 融c 。d 邳& a 量 奇 r br ， c 署g g c ： 0 6 c a g e ：g ? c g ： 默活l ( ye n d s l ，j - l 一v 辱 寻 导 t s 。a ) p 0 时才释放药物分子，即p 0 为临界值，这时恰好药物分子和 1 9 抗药物分子完全匹配。即：p 0 x 一( 1 一p o ) 卓y = o ，从而得到x ：y = ( 卜p o ) p 0 ，因 此由p o 确定了正负诊断分子的浓度比率。随着正诊断概率p 的增加，药物分子 的浓度也增加了。 对于某个基因，当转换分子的绝对浓度确定时，致病基因的m r n a 分子的 浓度决定竞争的转换分子的浓度比率，进而确定正转换的概率。 de ! i n s m l 坫0 眦枷畸n m 洳n g n 釉j 删娜枷 图2 1 3 浓度 f i g 2 一1 3c o n c e n 廿缸i o n 事实上，每个基因相应的m r n a 分子的浓度改变对于药物释放的影响( 正诊 断的概率p ) 是不同的。如图所示：四条曲线代表转换分子绝对浓度分别为 1 0 0 n m ，2 5 0 m ，5 0 0 n m ，1 0 0 0 n m 时，m r n a 分子的浓度与正转换概率p i 的函数关系。 从图中可以看出转换分子绝对浓度不同时，m r n a 分子的浓度与正转换概率p i 的 敏感性不同。根据治疗实践中m r n a 分子的浓度与正转换概率p i 的敏感性即可决 定转换分子的绝对浓度z i 。 2 4 执行分类的生物分子自动机 y a a k o vb e n e n s o n 等人发表在n a t u r e 的a na u t o n o 】n o u sm o l e c u l a rc o m p u t e r f o r1 0 9 i c a lc o n t r 0 1o fg e n ee x p r e s s i o n一文中描述了不同以往的分子规模 的，预先编码了医学知识的生物分子计算机于人体内诊断疾病并产生药物的机 制，产生的药物与致癌基因的一部分匹配，阻止其有害表达这一机制被誉为细 胞中的医生。虽然真正实现可编程的分子计算机自动地执行体内的基因诊断和治 疗的机制还为时尚早，存在各种各样的医学难题，但却是非常有意义的，存在潜 在的实用性。 本文借鉴了y a a k o vb e n e n s o n 等人发表在n a t u r e 的a na u t o n o m o u s m o l e c u l a rc o m p u t e rf o r1 0 9 i c a lc o n t r 0 1o fg e n ee x p r e s s i o n 文中体内 运行的分子医生的思想，并在其基础上改进了生物分子自动机，用切出的上，下 粘头代表不同的状态，由此可避免由于切割dna 双链碱基个数不准确而造成的 第二章能分类并执行的生物分于自动机 误差。具体地，本文采用了基因修饰的治疗手段，针对某一肿瘤疾病的不同分型， 设计了能自动释放并合成不同种( 至少两种) 药物的生物分子自动机。 2 4 1 自动机的基本知识 有穷自动机( 如图2 一1 ) 作用于有限字符序列a b a b ，并规定了初始状态r 和接受状态s ，转换规则2 j ，根据当前的状态氏和输入的字符b 来决定 下一个状态s 。每次转换，自动机向右边移动一个字符，并按照转变规则改变状 态。如果在自动机运行过程中没有合适的转换规则时，自动机会悬挂起来；而当 运行到输入字符串a b a b 的最后一个字符时，计算终止。如果计算以可以接受的 状态结束s n ，则认为自动机接受输入i b a b 。 征： 图2 - 1 4 有穷自动机 f i g2 1 4d e t e r m j n i s t i cf i n i t e8 u t o m a t o n 两个状态s 。s i 和由a - b 两字符组成的字符串所构成的有穷自动机的基本特 自动机有8 个可能的转换规则t 卜一t 8 编程归结为从可能的转换规 则中选取一部分规则，并规定终了状态。规则共有2 5 5 种可能的选取，终了状态 的选取有3 种，这样就有7 6 5 种不同的编程。自动机的硬件由链接酶和限制酶组 成，软件分子和输入分子用双链d n a 编码，软件分子由8 个短的d n a 双链分子组 成，称为转换分子，分别编码8 个可能的转换规则( 如图2 2 ) 。6 个碱基对长的 d n a 分子编码输入字符a b t e r 埘i n a t o r ，左边的4 个碱基对编码s 。，右边4 个 碱基对编码丑( 如图2 3 ) ，一个输入分子分为3 个功能段，分别编码自动机的 初始状态，输入字符串。和终端。系统还包括两个不同长度的检测分子，每一个 都可以和不同的可探测的结果分子交互形成的结果报告分子，结果报告分子显示 计算的晟终状态，可以通过凝胶电泳检测( 如图2 4 ) 。通过混合以上这些成分， 自动机自动地处理输入分子，经过杂交与链接，剪切的反复循环，产生一个结果 分子，结果分子编码自动机的最终状态，这样计算完成。分开的过程使用一种迄 今为止不完全了解其性能的限制酶f o k l 作为硬件，在软件上运行【】2 】。 2 4 2 自动机设计的医学模型 基因诊断：通过检测基因结构及其表达水平是否正常，从而对疾病作出诊断 的方法f 2 9 】。 基因治疗：将某种遗传物质转移到患者细胞内，以达到治疗疾病目的方法。 l 基因修饰2 基因置换3 基因修正4 基因失活( 封闭) 基因封闭：应用碱基配对的原理，人工设计一段与之互补的基因片段封闭靶 基因，直接阻断该蛋白质的产生。针对有害基因，突变基因，非正常基因及其过 度表达的基因，科学家设计了反义核酸，使这些基因关闭或者低表达。 基因治疗的首要问题：选择对疾病有治疗作用的特定目的基因。目前已知大 约5 0 的人类肿瘤存在p 5 3 基因突变或缺失。以往研究表明p 5 3 基因治疗可以导 致肿瘤细胞凋亡并增加化疗药物的敏感性，但由于p 5 3 基因转运入肿瘤靶细胞困 难，所以阻碍野生型p 5 3 基因失活是治疗的关键。现在已经证明，p 5 3 蛋白是人 体内最有效的对抗肿瘤的自然防御物。现在关于p 5 3 的研究已经付诸实用了，中 国已经批准了用于人类癌症的首个基因治疗。最近关于p 5 3 最重要的发现是：一 些小分子药物可以通过阻止p 5 3 负调节子m d m 2 与p 5 3 的结合来激活p 5 3 。p 5 3 多 年以来一直是肿瘤研究的热点领域。 m d i 一2 ( m u r i n ed o u b l em i n u t e2 ) 基因整合进细胞后可增加其致癌性，q t i n e r 等证实4 7 例软组织肉瘤的病人中，1 3 以上有m d m 一2 基因过量表达，有5 例发 现了m d m - 2 基因表达的增加但无p 5 3 突变的发现，说明m d m 一2 基因的过度表明可 以使p 5 3 的酸性活性实现的。这种机制使得治疗m d m 一2 基因的过量表达成为可能。 g y u r i s t 用p 5 3 活性功能区编码的多肽( 反义肽) 和细胞内过量的m d m 一2 产物结 合以阻止其和内源性的l p 5 3 结合，恢复p 5 3 对肿瘤细胞的显性调控功能，从而达 到治疗的目的。 活体基因治疗 外源基因基因装配于特定的真核细胞表达载体，直接导入体内。这种载体可 以是病毒型或非病毒型，甚至是裸b n 丸。这种方式的导入，无疑有翻于大规模工 业生产。但是，对这种方式导入的治疗基因以及载体必须证明其安全性，而且导 入体内之后必须能进入靶细胞，有效地表达并达到治疗目的。 在多年的癌症疾病研究中，科学家和医学工作者们认识到，癌症并不只是某 第二章能分类井执行的生物分子自动机 一种疾病，在它的背后，隐藏着形形色色，变化多端的种类。每一种癌症都有自 己的特点，一种药物并不能对各个不同组织癌症都能产生疗效，有些能抑制住肿 瘤细胞，但有些却毫无作用，甚至在病症上相同的癌症，也无法用一种药物达到 治