DNA计算的生化反应网络动力学行为研究

As an important computing model in the future, DNA computing has been widely concerned by researchers because of its high-density storage and high degree of parallelism. The nature of DNA computing is a series of biochemical reactions between DNA molecules. Considering the incomplete and stochastic factors of biochemical reaction, it is significant to model and analysis the dynamic behavior of DNA reaction process for the realization of DNA computing. This project intends to construct the interactions between DNA molecules as a biochemical reaction.network based on Markov logic network and semi-tensor product method. Given the randomness and discreteness of biochemical reaction and its impact on system evolution, it is natural to establish the dynamic model of DNA reaction network and implement the performance analysis and control from the perspective of kinetics. To achieve the biochemical experiments for logical computing problem solving, corresponding DNA biochemical reaction scheme will be designed, which can provide theoretical and technical support for the application of DNA computing.

作为未来一种重要的计算模式，DNA计算由于其高密度存储性和高度并行性得到了人们的广泛关注。DNA计算的本质是海量DNA分子进行一系列生化反应的过程，因此，考虑生化反应的不完全性和随机性等因素，对DNA计算的反应过程建模并进行动力学分析对于DNA计算的实现具有重要的意义。本项目拟将DNA计算过程中DNA分子之间的相互作用关系构建成一个生化反应网络，建立一种基于马尔可夫逻辑网络和半张量积的DNA反应网络模型，并给出生化反应的随机性和离散性对系统演化影响的数学描述，建立DNA反应系统的非线性动力学模型，从反应动力学的角度对其进行性能分析和控制，进而设计相应的DNA生化反应操作流程，实现面向逻辑计算问题求解的生化反应实验验证。研究成果可为DNA计算的实用化提供理论和技术支撑，具有重要的理论及应用价值。

DNA计算的生化反应网络动力学行为研究将DNA计算视为一个生化反应过程，进而从生化反应网络的角度研究其动力学行为，实现该类系统的稳定性控制，设计相应的DNA生化反应操作流程，为逻辑计算问题求解的生化反应实现提供了新的方法和思路。本项目在DNA计算的反应网络模型构建、DNA反应网络动力学行为研究、DNA反应网络系统控制以及DNA反应网络计算实例设计等方向开展了相应的研究。具体成果有：构建了若干类DNA序列编码模型；构建了带有toehold的复杂DNA催化反应网络双时滞系统模型；基于两域链结构，构造了四位二进制数取补器逻辑模型；建立带有Lévy跳跃的非线性货物分拣DNA机器人反应系统模型；提出一种基于无酶熵驱动的DNA反应网络实现的前馈DNA神经网络框架；研究了不同边界条件下具有时变时滞和不确定项的反应扩散遗传调节网络的无源性；分析了在不同时滞影响下DNA催化反应网络稳定性和Hopf分岔特性；对带有Lévy跳跃的非线性货物分拣DNA机器人反应系统进行动力学分析；提出了一种酶辅助切割调控策略，构建可实现逻辑计算的DNA电路并在此基础上成功实现了多路复用和解复用的级联电路；采用DNA链置换反应网络构造二自由度PID控制器；利用DNA链置换反应设计了BCD码加法器；使用两种nicking酶构建了一个XOR逻辑操作系统，实现半加和半减的逻辑运算过程；提出了一种基于组合式酶切机制的DNA矩阵运算方法，实现了两个矩阵的乘法运算。项目组在Nucleic Acids Research, Analyst以及 IEEE汇刊等国际权威期刊及会议上发表论文23篇，其中SCI收录19篇；申请发明专利9项，其中获授权发明专利5项，申请受理发明专利4项，在论文发表、专利授权等方面超额完成了预期目标。