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1、1一种 DNA 计算机与电子计算机之间的通 信模型1 引言以 DNA 分子作为计算载体的计算方法最早由 Adleman 博士于 1994 年在生物实验室实现1。随后,DNA 计算取得了很多研究成果。1995 年2,Lipton 提出了用 DNA 实验解决布尔可满足性问题(SAT)的方法。1997 年3,Ouyang 等人用分子生物技术解决了最大团问题,并相应地建立了六个节点的 DNA 分子计算池。2000 年4,Liu 等人设计了一个 DNA 计算系统,将计算问题的所有可能候选解编码成一系列 DNA 分子,把这些分子综合起来贴在磁珠的表面。2001 年5,Wu 分析并改进了前者所采用的基于表面
2、磁珠的方法。这种新颖的计算方式是建立在其高密度信息存储和大量并行计算基础上的,有望在求解 NP 问题、破解密码、疾病诊断、新材料等领域发挥重要作用代写论文。微流控系统为快速化学反应和生物分析提供了基础。微流控系统作为 DNA 计算的一种平台,已经有了初步的研究成果。2004 年6,Ledesma 等人提出了一种用微流控系统解决 Hamilton 路径问题的线性 DNA 算法,实现了并行计算。1999 年7,Gehani 和 Reif 研究了用微流生物分子计算模型解决某个问题在理论上所需要的最少 DNA 序列和最少反应时间,并且提出了反应池之间有效地传送 DNA 序列的方法。2001 年8,Mc
3、Caskill 采用枚举法用 DNA 序列对每个可能子图进行编码。该算法使用了所谓的选择模块(STM)来保留图中所有可能团,然后用排序的方法确定了最大团。2001 年9,Chiu 等提出了一种新的方法,把子图和图的边分别编译成反应池和缓冲池。这些反应池和缓冲池带有荧光剂,由通道连接,输出以各个子图所发出的荧光强度不同来区分。2004 年10,Livstone 和 Landweber 提出一种微反2应器用来解决布尔函数“与”和“或”的问题。随着微机电(MEMS)技术的快速发展,在生物芯片上集成各种能与电子计算机之间相互通信的传感器是各种功能芯片研究的热点11。DNA 计算的一个严重缺点是操作的不
4、可控,严重影响了 DNA 计算的实用性。本文在微流控平台上,讨论基于生物芯片的 DNA 计算机和电子计算机之间相互通信的层次模型,从而为发展 DNA计算机和电子计算机相集成的杂合计算机提供一种通信模型和方法。2 基于电子计算机的 DNA 计算反应器模型为了使电子计算机能够对 DNA 计算进行控制,我们研究并设计了适合于 DNA 计算的反应器。如图 1 所示,该反应器通过 RS232 接口与电子计算机连接,人机交互界面的平台是 LabVIEW。(1)数据流:在电子计算机软件客户端由用户选择某个 NP 问题,程序开始设计 DNA计算机,包括:输入符号、终止符号、 状态,符号、转移分子、扩增所需的引
5、物和DNA 编码;酶的选择;扩增、酶切、酶连的动作选择,针对上述酶设计反应温度和阶段。(2)控制流:设计具体问题的程序输入分子和采用的微流控芯片,芯片的通道数量和通道之间的连接以及通道的形状,设计实验实现的详细步骤:每一步的动作、所需的时间、反应的底物、目标产物、代表的中间变量等。图 1 DNA 计算的反应器模型 电子计算机主机与 89C51 系列单片机相连,将数据流和控制流同时送到接口端的高精度全方位机械手:分配试剂,根据反馈的图像信号定位芯片反应平台。生化反应的动态结果反映在应用层,包括当前反应所在的通道、该反应所需的时间、已经消耗的时间、通道的切换、反应产物的解释。DNA 计算反应器与电
6、子计算机通信的系统控制模块、光电检测模块、高压电源模块和温度加热模块与电子计算机之间的连接如图 2 所示。整个反应器能够实现激光诱导荧光检测、芯片电泳和3仅与温度有关的生化反应,如 PCR、退火、复性等等。3 DNA 计算机与电子计算机之间通信的层次模型 DNA 计算本质上是以DNA 分子及生化酶作为物质基础,施以适当的生化操作来解决数学问题的一种新型的计算模式。由于 DNA 计算的处理对象是 DNA 片段,因此运用 DNA 计算求解数学问题时首先需要将实际问题用A,T,C,G四个碱基来编码,原理类似电子计算机求解这些问题时需要用二进制编码。然后需要为求解过程设计合适的生化操作,这个完成运算的
7、生化操作序列我们称之为生物算法。DNA 计算是在分子尺度内进行的,完成计算过程的生化操作的不可控一直制约着 DNA 计算的进一步应用。随着电子计算机技术和传感器技术的发展,二者在 DNA 计算中的结合可实现对生化操作的精确控制,提高 DNA 计算的可靠性,为 DNA 计算进一步走向实用化发挥重要作用。图 3 给出了电子计算机和 DNA 计算机之间通信的层次模型。图 2 DNA 计算反应器与电子计算机的通信为了便于描述通信过程,将该模型分为六个部分,每一部分的组成和完成功能描述如下。图 3 DNA 计算机和电子计算机的层次通信模型(1)应用层提供用户与 DNA 计算机之间交互的接口。应用层主要完
8、成两个功能:一是提供用户操纵 DNA 计算机的界面。在这个界面上用户可以完成原始问题到DNA 碱基域的映射以及完成生物算法的设计。通过这个界面,用户可以像使用Office 办公软件一样方便地使用 DNA 计算机。另一个功能是接收指令解释层传送的 DNA 计算结果,并将结果可视化。指令解释层传送的结果也是用电子计算机语言来描述的。运算结果的可视化可以帮助直观地对这些结果进行合理的解释。应用层由安装在 Windows 操作系统的电子计算机上的应用程序组成。4(2)指令解释层由于应用层的指令是用户所熟悉的电子计算机语言描述的,而 DNA计算机的基本指令是具体的生物操作,所处理的对象是 DNA 分子,
9、因此需要将应用层的电子计算机指令解释成 DNA 计算机上具体的生物操作指令(这些生物操作指令是 DNA 计算机的最小执行单位基本指令),确定这些生物操作的执行顺序,并依次将这些生物操作指令单个传送给编码封装层。另一方面,还需要将编码封装层反馈的 DNA 计算结果解释成计算机语言。指令解释层也是由安装在电子计算机内部的代理程序构成。(3)编码封装层将指令解释层传送的单个生物操作指令封装成 DNA 计算机能直接执行的指令。这里需要考虑每个原子生物操作的实验室实现方法。然后将这个操作的步骤映射成控制传感器和生化仪器的一系列指令,包括对生物芯片上发生该反应的位置信息。编码封装层由操作传感器和生化仪器的
10、接口程序构成。(4)接口层接口层是传感器和生化仪器的各种信号接口。一方面,将编码封装层中的控制指令转换成控制 DNA 计算机执行生化操作的指令;另一方面,也将 DNA 计算机上的反馈信号转换成电子计算机中的控制指令。接口层之间的通信采用电子计算机的串口通信方式,也可以设计成并口通信方式。(5)反应层 DNA 计算的生化操作在这一层得以物理实现,以完成解释层下达的任务。此层包含有完成生化反应的生物芯片以及控制这些生化反应的各种传感器和生化仪器。(6)反馈层这一层由监控生化反应的传感器构成。反应层的生化操作的执行情况由这些传感器收集,以便反馈给指令解释层。4 通信模型的实例为了更直观地理解本文提出
11、的层次模型,我们以选择操作为例,解释在层次模型下 DNA 计算机上实现选择操作的过程。DNA 计算机中的选择操作是用来选择编码特定信息的 DNA 片段。一般是将包含5特定模式的探针固定于芯片上,被选择的片段在芯片上与其发生复性(Renaturation)操作,最后固定在芯片上的片段就是选择的片段。复性是变性过程的逆过程,即两条完全互补的单链在适当的条件下恢复到天然双螺旋结构的过程。热变性的 DNA一般经过冷却后即可复性。因此,此过程有时也称退火(Annealing)。复性温度一般应该比该 DNA 的解链温度值低 2025。对于选择操作,需要将其解释成以下几个独立的生物操作:操作 1:选择固定有
12、特定模式探针的生物芯片;操作 2:将被选择的片段在该生物芯片上发生复性反应;操作 3:在激光诱导荧光检测仪上通过荧光检测判断选择的结果。图 4、图 5、图 6 分别为层次模型下以上操作的流程图。图 4 操作 1 流程图动作 1.0 应用层:用户在接口程序发出选择操作,例如:选择操作符号 1。动作 2.0 指令解释层:逐条解释生物算法中的每一个描述,将其解释成分子实验室中具体的生物操作,包括反应名称和反应条件,然后将单个的生物操作依次发给编码封装层,待编码封装层返回操作的执行状态后再发下一个生物操作,类似于电子计算机中的指令寄存器。动作 3.1 编码封装层(第 3 层操作 1):发出选择探针芯片
13、的指令。通过选择可寻址的生物芯片来实现。动作 4.1 接口层(第 4 层操作 1):电子计算机通过 RS232 与 DNA 计算机进行通信。动作 5.1 反应层(第 5 层操作 1):无生化反应。动作 6.1 反馈层(第 6 层操作 1):相应的传感器接收到确认信息,确认该操作 1 完成,并将反馈信息返回到接口层,接口层反馈到编码封装层,再发下一个操作。动作 3.2 编码封装层(第 3 层操作 2):发出复性反应的指令。控制相应的温浴仪器先将温度升高到 65,然后慢慢冷却,降温到20。动作 4.2 接口层(第 4 层操作 2):电子计算机通过 RS232 与 DNA 计算机进行通信。动作 5.
14、2 反应层(第 5 层操作 2):相应的生化仪器先加热芯片,然后慢慢冷却。动作66.2 反馈层(第 6 层操作 2):相应的传感器接收到确认信息,确认该操作 2 完成,并将确认信息返回到接口层,接口层反馈到编码封装层,再发下一个操作。动作 3.3 编码封装层(第 3 层操作 3):指示激光诱导荧光生化检测仪工作。 结果优先返回给用户。client request resourcecheck local LDAP Resource-infoif (valid) reture resultelse send QueryAgent to VO Global LDAP Server query the
15、 position if satisfies condition if (valid)QueryAgent copy itself and move to resource of multi-node query local resource of nodereturn resultAgent to local LDAP server else send QueryAgent to Global LDAP Server of central domain central domain Global LDAP query and confirms the VO of re-source cent
16、ral domain send QueryAgent to correlative VO return resultAgent to central domain基于移动 Agent 的资源发现系统本质上是分布式的,但是与传统的基于 RPC 方式的分布式应用相比,移动Agent 的迁移不需要保持网络的长时间稳定连接,这可大大减轻网络负荷,避免了大量数据的网络传送,从而显著提高系统执行效率和可靠性。4 性能分析4.1 资源发现效率和资源质量教育资源中存在着大量的非文本资源。传统的搜索引擎和主题指南无法对视频、音频等多媒体教育资源进行标引和发现,而元数据通过对资源类型的描述,只要用户在资源检索时对资源类型进行限定即可发现它们。因特网上存在大量教育资源,这些资源的质量参差不齐,传统的搜索引擎和主题指南没法提供一个质量评估机制。而这正是教育元数据的一个特征,它通过提供教育资源使用者的评估来反映不同资源之间的质量差异,有助于用户发现高质量的教育资源。4.2 动态性和扩展性7在网格系统中,资源节点的
