[发明专利]基于3-臂DNA分子的DNA计算机广义表数据结构设计方法

说明书

技术领域

本发明属生物技术及DNA计算领域，特别是涉及一种基于3-臂DNA分子的DNA计算机广义表数据结构设计方法。

背景技术

DNA计算中被处理的数据存储在DNA分子中，数据的处理通过诸如合成、杂交、剪切等基因工程的方法来实现。DNA计算的最大优点是极大的存储密度和计算的高度并行性。科学家在DNA计算领域已经取得了许多研究成果：1994年，Adleman首次成功地在实验室应用DNA分子解决了7节点的Hamilton路径问题，证明了运用DNA分子进行计算的可行性；1995年，Lipton提出了运用DNA实验解决可满足性问题的方法；1997年，Ouyang等人通过对全体可能的连通子图构建相应的DNA分子计算池，从而解决了6节点的最大连通子图问题。1996年，Guarnieri等首次给出了DNA计算机运算系统中正有理数的进位加法运算；1999年，Yurke等提出了一种对输入串与运算串的DNA分子编码是分离的DNA计算机系统中的加法运算模型。2001年，Shapiro等提出了一种以DNA分子为载体的有限状态自动机模型，该模型的硬件由生物操纵酶实现，软件和输入数据是预先编码的DNA分子，通过在试管中自动完成一系列剪切、连接循环最后可以得到编码了最终状态的输出分子；2004年，Shapiro等又提出了一种用于控制基因表达的分子自动计算机并应用于疾病诊断治疗。

DNA计算机要走向实际应用，必须与电子计算机一样，需要解决DNA计算机中信息的合理组织，这就需要合理的数据结构来有效地组织DNA计算机需要处理的信息。数据结构在计算机中占有重要地位，它有多种类型，如：队列、堆栈、表、树、图等。广义表是一种重要的数据结构，被广泛应用在计算机各个领域。

使用k-臂DNA分子进行计算于1999年由Jonoska等提出。他们所提出的算法模型用于解3-可满足性问题(3-SAT)及3-顶点着色问题(3-VCP)，其算法所要求的步骤与公式中的变量数相等，并且解3-VCP的算法步骤不随变量数的增加而增加。2002年，他们使用这种DNA分子构造了相应的三维图结构。用k-臂DNA分子来表示图中度为k的顶点，直观地反映了图结构，使算法很容易理解。类似于k臂DNA分子的结构自然界已存在，如Holliday中间体。在分子生物学实验原理上，用这些分子作为顶点构造三维图结构是可行的，如果某顶点的度为k，则用k臂分子作为其顶点构造块。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种DNA计算机中广义表数据结构的设计方法。特别给出基于3-臂DNA分子的DNA计算机中广义表的表结点和原子结点的设计以及初始化、创建和遍历广义表的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于3-臂DNA分子的DNA计算机广义表数据结构设计方法，包括表结点数据元素和原子结点数据元素，其特征在于，所述的方法包括下列步骤：参见图1，

(1)设计限制性内切酶的识别位点E(i)：在这种酶的活性条件下，在E(i)所在臂上被从广义表上剪切下来，获取结点；

(2)设计限制性内切酶的识别位点Eh：在该酶的活性条件下，在Eh所在臂上被剪切形成粘性末端，以便新的链表结点链接到广义表的表头结点；

(3)设计限制性内切酶的识别位点Et：在该酶的活性条件下，在Et所在臂上被剪切形成粘性末端，以便新的链表结点链接到广义表的表尾结点；

(4)设计特定的DNA序列stick：预先设计好的结点通过在这个序列上发生连接反应而被链接到广义表上；

(5)设计特定的DNA序列element：这个序列用来表征广义表的元素值；

(6)设计限制性内切酶的识别位点Ec：在该酶的活性条件下，element元素值能被检测分子识别；

(7)设计限制性内切酶的识别位点E；粘性末端s与元素结点中酶Eh所剪切的粘性末端互补，以便将值element添加到元素结点中。

所述的Et和Eh所产生的粘性末端相同。

所述的各种限制性内切酶不能为同一种酶。

所述的广义表的操作包括初始化、创建广义表和遍历广义表。

所述的初始化是指初始化一个不含任何元素的空的广义表(如图2所示)；sinn片段是E0的剪切位点上的特定碱基序列，用以标示该结点是广义表的首结点。

所述的创建广义表，是指将广义表的元素按照逻辑结构逐次插入到广义表上；除了已经初始化的空的广义表外，还需要以下几种DNA片段：(如图3所示)

(a)元素结点：所有最终插入到广义表的结点都由元素结点经过相应的操作获取；