DNA芯片在0-1规划问题中的应用

生物芯片技术和DNA计算分别是近年来生命科学与信息科学的新兴研究领域,对信息高度并行的获取与处理是二者的本质特性.而0-1规划问题作为运筹学中一个重要的问题,到目前为止还没有好的算法.在DNA计算和DNA芯片基础上,提出了基于DNA芯片解决0-1规划问题的DNA计算新模型,与以往DNA计算模型相比,该模型具有高信息量和操作易自动化的优点.同时指出DNA芯片技术有望作为新型生物计算的芯片.     

DNA计算机的分子生物学研究进展

DNA(脱氧核糖核酸)计算机研究是一个新领域。从字面上看,它既包含DNA研究也包含计算机的研究,因而也包含DNA技术与计算机技术如何交融的研究。1994年,Adleman在Science上报道了首例DNA计算的研究结果;2001年,Benenson等在Nature报道了一种由DNA分子和相应的酶分子构成的、有图灵机功能的可程序试管型DNA计算机,标志着DNA计算机研究的重大进展。DNA计算机最大的特点是超大规模的并行运算能力和潜在的巨大的数据储存能力。目前DNA计算机研究已涉及许多领域,包括生物学、数学、物理、化学、计算机科学和自动化工程等具体应用,是计算概念上的一次革命。DNA计算机的研究大大促进了DNA分子操作技术尤其是在纳米尺度下操作DNA分子的研究速度。从DNA计算机的基本原理、应用形式、与基因组学研究的重要关系等方面总结和评述了相关研究进展。     

鸡卵黄DNA的存在、提取和特性分析

利用免疫细胞化学技术证实了鸡蛋卵黄球中DNA的存在 .利用Ficoll 40 0密度梯度离心纯化卵黄球并提取了DNA .限制性内切酶分析表明所得卵黄DNA是序列不均一的DNA分子群 .MspⅠ和HpaⅡ分析显示该DNA的甲基化程度极低 .Southern杂交表明卵黄DNA含有基因组DNA的一小部分序列 .并认为卵黄DNA是一种独特的有可能在鸡胚早期发育中发挥功能的DNA .     

全错位排列问题的基于表面的DNA计算模型

生物表面技术是DNA计算的一种实现方式,是近年来生命科学的新兴研究领域．而全错位排列问题作为组合数学中一个重要的问题,到目前为止还没有好的算法．在DNA表面技术的基础上,首次提出了全错位排列问题的基于表面的DNA计算模型,并对模型进行了简单的分析．     

分子信标芯片计算在0-1整数规划问题中的应用

生物芯片技术和DNA计算分别是近年来生命科学与信息科学的新兴研究领域,对信息高度并行的获取与处理是二者的本质特性．而0-1整数规划问题作为运筹学中一个重要的问题,到目前为止还没有好的算法．在DNA计算和DNA芯片基础上,提出了基于分子信标芯片解决0-1整数规划问题的DNA计算新模型．与以往DNA计算模型相比,该模型具有高信息量和操作易自动化的优点,同时指出分子信标芯片技术有望作为新型生物计算的芯片．     

分子信标在DNA生物传感器中的应用

DNA传感器是基于DNA分子相互作用原理设计而成的一种新型的检测技术,具有快速,简单等优点,在基因分析及其他应用领域已显示出越来越重要的价值.分子信标是一种具有发卡式结构的寡核苷酸,由于其能够很好地识别单碱基错配序列,基于发卡式DNA的传感器较传统的单链DNA传感器有更好的检测特异性,目前得到广泛的研究.本文介绍了DNA生物传感器及分子信标的有关原理,并着重介绍了发卡式DNA的结构及其在DNA生物传感器中的应用.     

DNA计算机的研究和展望

DNA计算机是计算机科学和分子生物学互相结合、互相渗透而产生的新兴交叉研究领域.目前已取得较大进展.DNA计算机是以编码的DNA序列为运算对象,通过分子生物学的运算操作以解决复杂的数学难题.DNA计算机的重要特点是信息容量的巨量性和密集性,和处理操作的高度并行性,通过强力搜索策略迅速得出正确的答案,从而使其运算速度大大超过常规计算机的计算速度.介绍了DNA计算机的近期进展和工作原理及其分子生物学的运算操作过程.并对DNA计算机的未来发展前景及在生物信息学中的意义,进行了分析和讨论.     

DNA条形码在生态学研究中的应用与展望

DNA条形码是利用标准的DNA片段对物种进行快速鉴定的技术,已在生物学各相关领域得到广泛应用。随着DNA条形码技术的不断发展和完善,已成功应用于生态学领域的相关研究中。本文综述了DNA条形码在物种快速鉴定和隐存种发现、群落系统发育重建和生态取证、群落内物种间相互关系研究等方面的应用,并介绍了DNAmetabarcoding技术和环境DNA条形码在生物多样性和生态学研究领域中的应用。最后,结合新的测序技术和未来大科学装置的发展,在相关数据库逐渐完善,新分析方法和计算模型不断开发使用的情景下,对DNA条形码在生态学相关领域的应用前景进行了展望。     

基于PNA的最大独立集问题的DNA计算模型

肤核酸(Peptide Nucleic Acid)是人工合成的拔酸(DNA)的类似物.PNA能够特异地、稳定地与DNA杂交以及其独特的性质,使得PNA广泛应用在分子生物学中.本文提出了一种基于PNA的最大独立集问题的DNA计算模型,利用单链PNA被逐步褪火到单链DNA分子上,解决了一个最大独立集问题的实例.该模型的解空间只有一种类型的DNA分子,计算经m步生物操作产生问题的解(其中m=|E(G)|),最后利用鞭子PCR(whiplash PCR)原理以及凝胶电泳读解.     

人类基因组DNA甲基化数据分析的研究现状

作为人类基因组最为典型的表观遗传现象,DNA甲基化在多种关键生理活动中扮演重要角色.系统分析基因组尺度的DNA甲基化概况意义重大.从Cp G岛等基本定义出发,阐述了高通量DNA甲基化的检测技术以及针对芯片技术与下一代测序技术的低水平数据处理方法;重点对比了基于机器学习理论对Cp G位点及Cp G岛甲基化水平的预测算法,以及所利用的特征对预测效果的影响与发展趋势;并对DNA差异甲基化在组织特异性、癌症等多种疾病中的计算分析进行了全面的综述.     

A novel generalized design methodology and realization of Boolean operations using DNA

The biological deoxyribonucleic acid (DNA) strand has been increasingly seen as a promising computing unit. A new algorithm is formulated in this paper to design any DNA Boolean operator with molecular beacons (MBs) as its input. Boolean operators realized using the proposed design methodology is presented. The developed operators adopt a uniform representation for logical 0 and 1 for any Boolean operator. The Boolean operators designed in this work employ only a hybridization operation at each stage. Further, this paper for the first time brings out the realization of a binary adder and subtractor using molecular beacons. Simulation results of the DNA-based binary adder and subtractor are given to validate the design.     

DNA as a ‘Nanomaterial’

DNA is recognized as a nanomaterial, not as a biological material, in the research field of nanotechnology. This article reviews recent research on nanowires, nanoarchitectures, computing, aptamers, biocatalysts, devices, and machines using DNA. In these works, the characteristics of DNA including facile synthesis by the solid-phase method, self-assembly, electro-conductivity, information elements, amplification, switching, molecular recognition, and catalytic functions, were appropriately applied. Multiple functions of DNA could be used simultaneously, and activated independently, by molecular switching. Therefore, the combinations of functional sequences of DNA can produce unique materials. It is obvious that the DNA molecule is one of the most promising functional nanomaterials. However, the application of DNA molecules is still under study because of the big gap that exists between theory and practice. We eagerly anticipate a ‘coming out’ of DNA due to breakthroughs in nanobiotechnology.     

基于分子信标的DNA计算

DNA计算是解决一类难以计算问题的一种新方法,这种计算随着问题的增大可以呈指数增长．迄今为止,许多研究成果已经成功地提高了它的性能和增加了它的可行性,本文在基于表面的DNA计算中采用了分子信标编码策略,并对分子信标在与对应的补链杂交形成双链时的受力进行分析,给出3-SAT问题的另一种解法．这种方法比现有的方法更有效,更具发展前景．因为它具有编码简单;耗材底;操作时间短;技术先进等优点．本文尝试了分子生物学,光学和力学的结合．这一工作为DNA计算能解决NP一完全问题提供了更有力的依据．     

Biomolecular computing: Is it ready to take off?

Biomolecular computing is an emerging field at the interface of computer science, biological science and engineering. It uses DNA and other biological materials as the building blocks for construction of living computational machines to solve difficult combinatorial problems. In this article, notable advances in the biomolecular computing are reviewed and challenges associated with this multidisciplinary research are addressed. Finally, several perspectives are given based on the review of biomolecular computing.     

Construction of a DNA nano-object directly demonstrates computation

We demonstrate a computing method in which a DNA nano-object representing the solution of a problem emerges as a result of self-assembly. We report an experiment in which three-vertex colorability for a six-vertex graph with nine edges is solved by constructing a DNA molecule representing the colored graph itself. Our findings show that computation based on “shape processing” is a viable alternative to symbol processing when computing by molecular self-assembly.     

Differential dependence on DNA ligase of type II restriction enzymes: a practical way toward ligase-free DNA automaton

DNA computing study is a new paradigm in computer science and biological computing fields. As one of DNA computing approaches, DNA automaton is composed of the hardware, input DNA molecule and state transition molecules. By now restriction enzymes are key hardware for DNA computing automaton. It has been found that DNA computing efficiency may be independent on DNA ligases when type IIS restriction enzymes like FokI are used as hardware. In this study, we compared FokI with four other distinct enzymes HgaI, BsmFI, BbsI, and BseMII, and found their differential independence on T4 DNA ligase when performing automaton reactions. Since DNA automaton is a potential powerful tool to tackle gene relationship in genomic network scale, the feasible ligase-free DNA automaton may set an initial base to develop functional DNA automata for various DNA technology development and implications in genetics study in the near future.     

DNA数据存储技术原理及其研究进展

信息生产与数据存储能力之间的差距日益扩大,急需分子数据存储等高密度持久性信息保存替代方案,基于脱氧核糖核酸(DNA)的数据存储因在信息保留时间、物理密度和体积编码容量等方面优于多数传统存储介质,而广受关注.本文概述了DNA数据存储技术的基本原理,总结了体外DNA存储数据库与体内分子存储器系统的研究进展,讨论了基于DNA分子的数据存储系统所涉及的各种影响因素以及面临的挑战.     

Inflammation-induced DNA damage and damage-induced inflammation: a vicious cycle

Inflammation is the ultimate response to the constant challenges of the immune system by microbes, irritants or injury. The inflammatory cascade initiates with the recognition of microorganism-derived pathogen associated molecular patterns (PAMPs) and host cell-derived damage associated molecular patterns (DAMPs) by the pattern recognition receptors (PRRs). DNA as a molecular PAMP or DAMP is sensed directly or via specific binding proteins to instigate pro-inflammatory response. Some of these DNA binding proteins also participate in canonical DNA repair pathways and recognise damaged DNA to initiate DNA damage response. In this review we aim to capture the essence of the complex interplay between DNA damage response and the pro-inflammatory signalling through representative examples.