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第1章 绪论1

1.1 引言1

1.2 DNA计算概述2

1.2.1 DNA计算的原理2

1.2.2 DNA计算的特点3

1.3 DNA计算的实现形式3

1.3.1 基于试管的DNA计算4

1.3.2 基于表面的DNA计算4

1.3.3 基于芯片的DNA计算4

1.4 DNA计算的研究现状5

1.4.1 DNA计算的研究成果5

1.4.2 DNA计算的重要性8

1.4.3 DNA计算所面临的困难和挑战8

1.5 小结10

参考文献10

第2章 DNA计算的生物学基础13

2.1 引言13

2.2 核酸的生物基础14

2.3 DNA的结构15

2.3.1 DNA的一级结构15

2.3.2 DNA的二级结构16

2.3.3 DNA的三级结构17

2.4 DNA计算的分子生物操作17

2.4.1 计算工具——生化酶17

2.4.2 计算方法——分子操纵手段20

2.5 结论24

参考文献24

第3章 面向DNA计算的智能芯片反应装置26

3.1 引言26

3.2 生物芯片27

3.2.1 生物芯片的概念27

3.2.2 生物芯片的类型27

3.3 芯片扫描系统28

3.3.1 芯片扫描系统概述29

3.3.2 自动定位芯片扫描系统33

3.4 芯片电泳系统36

3.4.1 芯片电泳的工作原理36

3.4.2 芯片电泳高压装置37

3.5 芯片PCR系统38

3.5.1 芯片PCR概述38

3.5.2 智能芯片PCR系统39

3.6 智能芯片反应装置的设计40

3.7 芯片微管道自动定位42

3.7.1 图像细化算法概述42

3.7.2 基于图像处理技术的微管道自动定位方法46

3.7.3 自动化分析改造的实验结果50

3.8 结论52

参考文献52

第4章 基于生物芯片的DNA计算模型55

4.1 引言55

4.2 模型的基本指令集56

4.3 基于生物芯片的DNA计算模型分析58

4.4 结论65

参考文献65

第5章 模块化DNA计算机的分层通信机制68

5.1 引言68

5.2 微流控芯片68

5.3 基于电子计算机的DNA计算反应器69

5.4 DNA计算机与电子计算机之间的分层通信模型71

5.5 层次通信模型中指令封装／解释层的研究73

5.5.1 指令封装／解释的编码规则73

5.5.2 指令封装／解释的编码实现74

5.5.3 指令封装／解释的通用性问题77

5.6 层次通信模型中反馈／接口层的研究81

5.7 层次通信模型中的算法实例84

5.7.1 选择操作84

5.7.2 Hamilton路径问题87

5.8 结论93

参考文献93

第6章 基于生物芯片的DNA计算模型的存储系统95

6.1 引言95

6.2 DNA计算模型上存储系统的设计95

6.3 DNA计算模型上栈式存储模块的实现96

6.4 DNA计算模型上链式存储器的实现98

6.4.1 存储载体98

6.4.2 信息编码99

6.5 小结100

参考文献100

第7章 基于生物芯片的DNA计算模型的运算系统102

7.1 引言102

7.2 具有栈式存储结构的DNA自动机102

7.3 基于DNA自动机的二进制串行加法103

7.3.1 基于DNA自动机的一位二进制进位加法103

7.3.2 基于DNA自动机的n位二进制串行加法106

7.4 编码示例106

7.5 DNA计算机中奇偶校验的实现107

7.5.1 奇偶校验算法108

7.5.2 实现奇偶校验算法的有限状态自动机109

7.5.3 有限状态自动机的核苷酸编码109

7.5.4 算法的仿真110

7.6 结论112

参考文献112

第8章 基于生物芯片的DNA计算模型的数据结构113

8.1 引言113

8.2 DNA计算模型上堆栈数据结构114

8.2.1 DNA计算模型中堆栈的存储结构114

8.2.2 DNA计算模型中堆栈的生物操作115

8.2.3 DNA计算模型中堆栈的算法实例117

8.3 DNA计算模型上队列数据结构120

8.3.1 DNA计算模型中队列的存储结构120

8.3.2 DNA计算模型中队列的生物操作120

8.3.3 DNA计算模型中队列的算法实例124

8.4 DNA计算模型上广义表数据结构126

8.4.1 广义表的存储结构126

8.4.2 k－臂DNA分子126

8.4.3 广义表链表结点的DNA分子表示127

8.4.4 DNA计算机中广义表的操作128

8.5 结论131

参考文献131

第9章 随机DNA计算的研究132

9.1 引言132

9.2 确定DNA有限状态自动机132

9.3 不确定DNA有限状态自动机133

9.4 DNA下推自动机在回文识别中的应用135

9.4.1 接受回文语言的下推自动机135

9.4.2 可自治DNA下推自动机实现136

9.5 不确定DNA有限状态自动机在基因网络中的应用139

9.5.1 基因表达的不确定有限状态自动机模型140

9.5.2 不确定DNA有限状态自动机的实现141

9.6 结论141

参考文献142

第10章 可信DNA计算的研究144

10.1 引言144

10.2 DNA计算的自复制性145

10.2.1 DNA片段自组装145

10.2.2 二维DNA分子元胞自动机145

10.3 DNA计算的可逆性147

10.3.1 基于DNA计算的布尔电路147

10.3.2 可逆容错门电路147

10.3.3 基于DNA计算的可逆容错门电路149

10.4 结论150

参考文献150

第11章 0-1整数规划问题的DNA求解152

11.1 引言152

11.2 0-1整数规划问题及其解法152

11.2.1 0-1整数规划问题的定义152

11.2.2 0-1整数规划问题的电子计算机算法153

11.2.3 0-1整数规划问题的通用DNA算法153

11.3 DNA计算模型上0-1整数规划问题的算法154

11.3.1 基于芯片电泳的在线DNA片段分离154

11.3.2 用于实现算法的生物芯片155

11.3.3 算法描述156

11.4 仿真实例156

11.5 结论159

参考文献159

第12章 图像模式识别的DNA算法161

12.1 引言161

12.2 基于句法的图像识别及其在等腰三角形识别中应用162

12.3 等腰三角形识别的DNA算法163

12.3.1 算法设计163

12.3.2 计算机仿真实例165

12.3.3 生物实验166

12.4 人脸识别的DNA算法171

12.4.1 人脸识别的研究现状171

12.4.2 一种基于奇异值分解的人脸识别方法171

12.4.3 结合DNA算法和奇异值分解的人脸识别算法171

12.5 结论173

参考文献174

第13章 基于生物芯片的背包问题DNA算法175

13.1 引言175

13.2 反应设计和编码实现175

13.2.1 背包问题的数学模型175

13.2.2 DNA反应链的设计176

13.2.3 计算和结果检测177

13.3 材料和方法178

13.3.1 实验材料准备178

13.3.2 实验操作步骤180

13.3.3 克隆测序检测181

13.4 实验结果183

13.4.1 反应产物PCR结果183

13.4.2 克隆测序结果184

13.5 结论184

参考文献185

第14章 DNA计算在医学上的应用187

14.1 引言187

14.2 败血症基因芯片检测模型187

14.2.1 方法188

14.2.2 实验步骤188

14.3 基于DNA计算的疾病基因诊疗模型189

14.4 结论192

参考文献192

第15章 DNA计算在基因注释以及蛋白质组学上的应用194

15.1 引言194

15.2 基于Apollo平台的基因注释195

15.2.1 为牛蜱的基因作注释195

15.2.2 Apollo软件的使用196

15.3 用蛋白质组的方法研究牛蜱感染免疫疫苗197

15.4 基于分层通信模型的蛋白质测量198

15.4.1 蛋白质液相分离198

15.4.2 2D凝胶电泳199

15.5 牛蜱胃液蛋白质组分析205

15.6 结论208

参考文献209