基于鏈置換反應的分子加法器構建方法
【專利摘要】基于鏈置換反應的分子加法器構建方法，涉及邏輯計算和分子計算。提供一種基于鏈置換反應的半加器、全加器等分子加法器的構建方法。包括：編碼電路的輸入與各級輸出，形式化表征加法器電路；基于鏈置換反應多層轉化，獲得計算機可運行的文件；在Mathematica平臺進行化學反應層級分子加法器的仿真，實現分子加法器的構建。基于鏈置換反應建立分子電路與電子電路的聯系，通過計算機軟件實現分子加法器的搭建。
【專利說明】基于鏈置換反應的分子加法器構建方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及邏輯計算和分子計算，尤其是涉及一種基于鏈置換反應的分子加法器構建方法。
【背景技術】
[0002]分子計算的思想最先由Feynman于20世紀60年代提出[Feynman R P.There’splenty of room at the bottom[J].Engineering and Science, 1960，23(5):22-36.]。1994年，Adleman教授在Science雜志上發表了一篇論文，他利用DNA分子作為計算載體，通過生物化學反應的實驗實現了分子計算的構想[Adleman L M.Molecularcomputation of solutions to combinatorial problems[J].SCIENCE-NEW YORK THENWASHINGTON-, 1994:1021-1021.]。這篇文章中他求解了一個具有7個頂點的有向漢密爾頓路徑問題。Adleman教授的研究工作在學術界引起了巨大反響，大量計算機、分子生物學、數學等方面的專家學者投入到這個領域的研究。這種模型擁有的很多“天然的”優點是電子計算機無法比擬，比如高度并行性，運算速度快，信息貯存量巨大，能耗低，計算材料資源豐
田寸ο
[0003]目前，關于DNA計算機的研究方向主要包括DNA計算機系統結構和功能模塊的模擬和實現，如運算系統、控制系統、監測系統和存儲系統的具體實現，和應用型DNA計算機模型的實現研究，如圖密碼破譯的DNA計算機模型等。總而言之，生物分子計算還無法、也不一定要取代傳統的計算模式，它可以作為各種新的應用領域的實現平臺。通過DNA分子構建基本邏輯門和分 子電路有大量的研究成果，利用DNA鏈置換反應在常溫、無酶的條件下就可以進行的特點，Winfree研究團隊的在這個方向上做了大量工作，他們構建了一個簡單的seesaw門模塊，以此為基礎構建大規模DNA分子電路[Qian L, Winfree E, BruckJ.Neural network computation with DNA strand displacement cascades[J].Nature, 2011, 475(7356):368-372.]。
[0004]隨著納電子技術、分子信息處理的發展，DNA邏輯運算成為了分子計算的研究熱點。它不僅在基因工程、疾病診療中有眾多應用，還在并行計算、納米信號和分子密碼等領域有著重要的意義。2000年，Mao等首先使用復雜自組裝DNA實現了簡單邏輯運算[Jain AK, Duin R P W，Mao J.Statistical pattern recognition:A review[J].Pattern Analysisand Machine Intelligence, IEEE Transactions on, 2000, 22 (I): 4-37.] ? 隨后 2003 年，Sto janovic等利用DNA核酶,構建了 DNA多種邏輯運算模型[Stojanovic M N, StefanovicD.A deoxyribozyme-based molecular automaton[J].Nature biotechnology, 2003, 21 (9):1069-1074.]。加法器作為一種簡單的布爾函數，是計算機的算術邏輯單元(ALU)的核心部件之一，利用分子計算的思想實現加法器運算對未來分子計算機的實現具有重大的意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供實現基于分子計算的思想完成加法器運算的一種基于鏈置換反應的分子加法器構建方法。
[0006]本發明包括以下步驟:
[0007]I)用特定的符號形式化表征加法器電路；
[0008]2)將形式化電路轉化為與之等價的雙軌電路；
[0009]3)將雙軌電路轉化為與之等價的分子加法器電路；
[0010]4)生成Mathemat i ca包文件,在Mathemat i ca平臺模擬分子加法器的化學反應，實現分子加法器的構建。
[0011]在步驟I)中，所述用特定的符號形式化表征加法器電路，是將電路的輸入和各級輸出數字編碼。
[0012]在步驟2)中，所述雙軌電路，是用不同的分子表不一個輸入變量或輸出變量的O值和I值，由于在分子電路中，反應時間過長，用分子的“有”和“無”表示“I”和“O”存在檢測方面的困難，所以采用雙軌電路解決這個問題。
[0013]在步驟3)中，所述分子加法器電路的輸入和輸出可通過兩個分子表示，是由于在分子電路中，將電路轉化成了與之等價的雙軌電路，因此分子加法器電路的輸入和輸出可通過兩個分子表示。
[0014]在步驟4)中，所述生成Mathematica包文件,在Mathematica平臺模擬分子加法器的化學反應，是生成Mathematica包文件,在Mathematica平臺運行,對分子加法器進行化學反應層級仿真，其結果顯示為一個二維的坐標系，橫坐標為反應時間，縱坐標是輸出分子的相對濃度，通過輸出分子相對濃度的對比，可以讀取加法器的輸出，所得的輸入輸出映射，即為所構建的分子電路。
[0015]本發明基于鏈置換反應建立分子電路與電子電路的聯系，在計算機軟件平臺實現化學反應層級的分子加法器搭建。本發明將原始的加法器電路用特定符號形式化表征，再利用多個編譯器多級轉化為可運行的包文件，最終在Mathematica平臺模擬分子加法器的反應，提出了 一種全新的分子加法器的構建方法。整個構建方法中，未曾借助實際的生化分子搭建電路，而是通過層層轉化，最終通過計算機軟件進行反應層級分子加法器反應的仿真，所以稱之為分子加法器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明實施例中半加器的邏輯電路示意圖；
[0017]圖2為本發明實施例中半加器的雙軌電路示意圖；
[0018]圖3為本發明實施例中半加器分子電路示意圖；
[0019]圖4為本發明實施例中半加器分子電路描述；
[0020]圖5為本發明實施例中半加器的電路在Mathematica中仿真。
【具體實施方式】
[0021]以下實施例將結合附圖對本發明作進一步的說明。
[0022]本發明實施例給出了半加器的構建。
[0023]半加器是完成兩個一位二進制數相加而不考慮低位進位的加法器。半加器也稱模2加或按位加，其邏輯電路如圖1所示，輸入為in_l、in_2，表示兩個要進行相加運算的二進制數；輸出為out_7和out_8,分別表示兩個數相加的和位和進位；out_3和out_6代表中間過程輸出。半加器的邏輯函數可以表示為(其中，A、B代表輸入，S代表和位輸出，C代表進位輸出):
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【權利要求】
1.基于鏈置換反應的分子加法器構建方法，其特征在于包括以下步驟: 1)用特定的符號形式化表征加法器電路； 2)將形式化電路轉化為與之等價的雙軌電路； 3)將雙軌電路轉化為與之等價的分子加法器電路； 4 )生成Mathemat i ca包文件,在Mathemat i ca平臺模擬分子加法器的化學反應，實現分子加法器的構建。
2.如權利要求1所述基于鏈置換反應的分子加法器構建方法，其特征在于在步驟I)中，所述用特定的符號形式化表征加法器電路，是將電路的輸入和各級輸出數字編碼。
3.如權利要求1所述基于鏈置換反應的分子加法器構建方法，其特征在于在步驟2)中，所述雙軌電路，是用不同的分子表示一個輸入變量或輸出變量的O值和I值。
4.如權利要求1所述基于鏈置換反應的分子加法器構建方法，其特征在于在步驟3)中，所述分子加法器電路的輸入和輸出通過兩個分子表示，是由于在分子電路中，將電路轉化成了與之等價的雙軌電路，因此分子加法器電路的輸入和輸出可通過兩個分子表示。
5.如權利要求1所述基于鏈置換反應的分子加法器構建方法，其特征在于在步驟4)中，所述生成Mathematica包文件,在Mathematica平臺模擬分子加法器的化學反應,是生成Mathematica包文件,在Mathematica平臺運行,對分子加法器進行化學反應層級仿真，其結果顯示為一個二維的坐標系，橫坐標為反應時間，縱坐標是輸出分子的相對濃度，通過輸出分子相對濃度的對比，可以讀取加法器的輸出，所得的輸入輸出映射，即為所構建的分子電路。
【文檔編號】G06F7/501GK103699354SQ201410011255
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月10日 優先權日:2014年1月10日
【發明者】劉向榮, 索娟, 黃曉陽, 於猛, 陳迎潮 申請人:廈門大學