DNA自组装模型的几种分子逻辑门的计算

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DNA分子的结构计算全部

基于计算机模拟和预测算法
分子动力学模拟
结构预测算法
利用计算机模拟DNA分子在原子水平上的运动行为，通过长时间模拟得到 DNA分子的稳定构象和动态特性。
基于已知DNA序列信息和物理化学原理，开发预测算法来预测DNA分子的三维结构。
结构优化与验证
对预测得到的DNA分子结构进行优化和验证，以确保其准确性和可靠性。这些方法在生物学、医学、药学等领域具有广泛的应用价值。例如，在药物设计和开发中，了解DNA分子的结构对于设计和优化与DNA相互作用的药物至关重要。此外，这些方法还有助于揭示DNA的复制、转录和翻译等生命过程的机制。
NGS应用
NGS技术在基因组学、转录组学、表观遗传学等领域有广泛应用，如全基因组测序、全外显子测序、靶向测序、RNA-Seq等。
第三代测序技术展望
第三代测序技术
第三代测序技术是指单分子测序技术，具有读长长、无需PCR扩增等优点，能够直接读取单个
DNA分子的序列信息。
技术原理
第三代测序技术主要利用纳米孔或纳米通道来检测单个DNA分子通过时的电流变化，从而推断出
2023 WORK SUMMARY
THANKS
感谢观看
CNV在基因组中的分布较为广泛，涉及多个基因或基因区域，其频率因不同的研究方法和人群而异。
03
意义
CNV可能导致基因表达的改变，从而影响个体的表型特征、疾病易感性以及药物反应等方面。此外，CNV也是研究基因组进化和物种多样性的重要标记之一。
PART 04
DNA结构计算方法与应用
基于X射线晶体学方法
03
A-T配对
腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）通过两个氢键形成配对。

DNA计算模型原理讲解学习资料

DNA蛋白质计算的优点
将其转化为蛋白质序列的优点在于三个碱基序列对应一种蛋白质，因此蛋白质序列其信息密度更大，分子更小，从而可以使用质谱分析法对蛋白质序列进行检测。
参考文献
[1]张成, 杨静, 王淑栋. DNA计算中荧光技术的应用及其发展[J].计算机学报, 2009, 32(12):2300-2310.
其与传统的进化算法相比，一方面DNA进化算法的可以实现更大的群体规模；另一方面随着群体规模的增大，DNA计算的并行性不会导致搜索时间的增加。
DNA蛋白质算法
这种方法使用质粒进行运算，将DNA计算与其相应的蛋白质表达相结合。研究表明，通过在质粒上设置开放读取框架(ORF)，我们正在将质粒计算模型与蛋白质表达相结合进行运算。开放读取框架如图所示：
[2]孙伟, 尤加宇, 江宏, 等. 纳米粒子标记 DNA 探针的制备与检测应用[J]. 中国卫生检验杂志, 2005, 15( 8): 1008.
[3] Rohani Binti Abu Bakar,Junzo Watada, Witold Pedrycz. DNA approach to solve clustering problem based on a mutual order[J]. BioSystems. 2008, 91: 1-12.
文献[8]使用左图发夹模型解决了3-SAT 问题

帽子（cap）结构的发夹，文献[9]使用右图这种结构作为辅助结构解决了 3-SAT问题
链状结构
另外一种线性存储模型是使用单链DNA或者RNA链来编码信息，然后通过分管-合管操作来实现对问题的求解。特别指出的是文献[10]中使用RNA作为计算底物，其删除操作使用的是核糖核酸酶H，因为该酶的特性就是可以切割 RNA的端，进而消化DNA/RNA双螺旋链，而单链结构不被破坏。

DNA分子结构和复制中计算规律

DNA 分子的结构和复制中的计算规律规律一、双链DNA 分子中两个互补的碱基相等，任意两个不互补的碱基之和恒等，占碱基总数的50%A 1（A 2）=T 2（T 1） G 1（G 2）=C 2（C 1） A=T G=C A （T ）+G （C ）=50%规律二、在双链DNA 分子中一条单链)()()()(21212121C C G G T T A A ++与互补链的相应的比值相等，与整个DNA 分子该比值相等。

一条单链)()()()(21212121C C T T G G A A ++与互补链的相应的比值互为倒数，整个DNA 分子该比值为定值1。

规律三、在双链DNA 及转录的RNA 之间有下列关系（1）在碱基数量上，DNA 分子和RNA 分子的单链内互补碱基和相等且等于双链DNA分子的一半A 1（G 1）+T 1（C 1）=A 2（G 2）+T 2（C 2）=A R （G R ）+U R （C R ）=1/2[A （G ）+T （C ）]（2）在DNA 分子和RNA 分子的单链内相应互补碱基的和占该链碱基的百分比相等，也与DNA 分子两条链的百分比相等11111111)()(C G T A C T G A ++++=22222222)()(C G T A C T G A ++++=R R R R R R R R C G U A C U G A ++++)()(=CG T A C T G A ++++)()( 规律四、DNA 分子中某种碱基的比例等于该种碱基在每一单链中所占比例之和的一半 A=[(])()212222211111C G T A A C G T A A +++++++规律五、DNA 复制需游离脱氧核苷酸为M ，X 表示DNA 分子中能与游离脱氧核苷酸配对的碱基数量。

n 表示复制次数M=（2n —1）X规律六、同位素标记DNA 复制的情况，复制n 次后：标记DNA 分子占总量的比值：n 22即)2(11-n 标记链占复制DNA 分子总链的比值：)21(222n n 即⨯1．提出DNA分子双螺旋结构模型的是A．孟德尔B．艾弗里C．格里菲思D．沃森和克里克2．有一对氢键连接的脱氧核苷酸，已查明它的结构中有一个腺嘌呤，则它的其他组成应是A．三个磷酸、三个脱氧核糖和一个胸腺嘧啶B．两个磷酸、两个脱氧核糖和一个胞嘧啶C．两个磷酸、两个脱氧核糖和一个胸腺嘧啶D．两个磷酸、两个脱氧核糖和一个脲嘧啶3．构成DNA分子的碱基有A、G、C、T四种，因生物种类不同而不同的比例是A．(A+C)/(G+T) B．(G+C)/(A+T)C．(A+G)/(C+T) D．A/T和G/C4．一个DNA分子中有腺嘌呤1500个，腺嘌呤与鸟嘌呤之比为3∶1，则这个DNA分子中含有脱氧核糖的数目为A．2000个B．3000个C．4000个D．8000个5．在某DNA分子的所有碱基中，腺嘌呤的分子数占22%，则胞嘧啶的分子数占A．11% B．22% C．28% D．44%6．DNA的一条单链中，A+G/T+C=0.4，上述比例在其互补单链和整个DNA分子中分别是A．0.4和0.6 B．2.5和1.0 C．0.4和0.4 D．0.6和1.07．DNA的一条单链中A+T/G+C=0.4，上述比例在其互补单链和整个DNA分子中分别是A．0.4和0.6 B．2.5和1.0 C．0.4和0.4 D．0.6和1.08．DNA分子的特异性决定于A．核糖的种类B．碱基的种类C．碱基的比例D．碱基对的排列顺序9．用同位素32p标记某一噬菌体内的双链DNA分子，让其侵入大肠杆菌繁殖，最后释放出200个后代，则后代中32p的链占总链数的A．0.5% B．1% C．2% D．13.50%10．某DNA分子共有碱基1400个，其中一条单链上（A+T）∶（C+G）= 2∶5。

基于自组装的DNA分子逻辑计算模1

基于自组装的DNA分子逻辑计算模型目录1.背景介绍 (4)1.1基于DNA的逻辑计算 (4)2.实验方法 (4)2.1逻辑算法，自组装结构，和DNA序列设计 (4)2.2DNA和金纳米粒子共轭 (5)2.3计算模型的反应条件张珹，杨晶，徐进1.软件研究所,电子工程和计算机科学的学校,教育部高可信软件技术重点实验室,北京大学,北京100871,中国2.中国科学院计算技术研究所,中国科学院,北京100190,中国2011年5月27日收到,2011年8月4日接受在本文中,逻辑计算模型是使用DNA纳米粒子构建,结合的DNA / Au纳米粒子的颜色变化的技术的结合物和DNA计算。

几种重要的技术被利用到这个分子计算模型中:DNA自组装,DNA /金纳米粒子共轭和从金纳米粒子聚集而产生的颜色变化。

这个简单的逻辑计算模型被认为是一个颜色的变化，从不断变化的DNA 自组装。

基于这个逻辑计算模型一组操作的计算模型也被建立,通过一个简单的逻辑问题解决了。

为了扩大这个逻辑纳米计算系统,一种用于甲型H1N1流感病毒基因的检测的分子检测方法被开发。

逻辑计算，DNA计算，纳米粒子，DNA自组装引文：张珹，杨晶，徐进，基于自组装的DNA分子逻辑计算模型。

中国科学通报2011，56：3566—3571，doi：10.1007/s11434-011-4725-3在计算机研究领域，分子计算已经从DNA逻辑计算模型2014一种单纯的理论逐渐成长为实验的实现。

DNA计算因为它在纳米技术操作方面的优势，已经成为了分子计算中的领导者。

在DNA计算开始时，科学家试图解决几种不同的数学问题，例如：可满足性问题，图着色问题，最大集团问题和最大独立集问题[1-4]。

尽管在比较DNA 计算与传统电子计算的困难，DNA计算在巨大的并行计算潜力仍然是一个有吸引力的焦点。

在信息科学领域，逻辑计算是一种计算的基本单位。

因此，利用分子执行逻辑计算是十分重要的，在这方面分子扮演着重要的角色。

DNA分子的结构有关计算

DNA分子的结构有关计算DNA(脱氧核糖核酸)是构成生物体遗传信息的重要分子，它在生物体中有着重要的功能。

DNA分子的结构是由化学键和组态构成的，这些结构决定了DNA分子的稳定性和功能。

为了研究DNA的结构，科学家们开展了许多计算模拟和实验研究。

在本篇文章中，我将介绍DNA分子的结构与计算之间的关系。

首先，让我们回顾一下DNA分子的基本结构。

DNA分子由四种碱基组成，分别是腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。

这些碱基通过氢键相互配对，形成两条互补的链。

这两条链以螺旋形式缠绕在一起，形成DNA的双螺旋结构。

DNA的双螺旋结构具有很高的稳定性，并且能够按照一定的规则进行复制和传递遗传信息。

DNA分子的结构与其功能密切相关。

例如，DNA双螺旋结构使得DNA能够稳定地存储大量的遗传信息。

此外，DNA的结构还决定了DNA与其他分子之间的相互作用。

例如，蛋白质与DNA结合形成蛋白质-DNA复合物，这种结合对基因的转录和调控起着重要的作用。

因此，了解DNA分子的结构对于研究生物体的基因表达和遗传机制非常重要。

计算在研究DNA分子结构中起着重要的作用。

首先，计算模拟可以用来研究DNA的结构和稳定性。

通过分子动力学模拟，可以模拟DNA分子在不同条件下的行为，例如温度、氧化状态和离子浓度等。

这些模拟可以预测DNA的结构变化和解释实验结果。

其次，计算还可以用来预测DNA与其他分子之间的相互作用。

例如，计算可以帮助预测DNA与蛋白质之间的结合方式，并预测结合能的大小。

这对于研究基因调控和药物设计等领域非常重要。

此外，计算还可以用来模拟DNA的组装和解组装过程。

通过计算模拟不同碱基序列下DNA分子的组装过程，可以揭示DNA的自组装机制和规律。

这对于设计和合成具有特定结构和功能的DNA纳米器件具有重要意义。

近年来，随着计算技术的不断发展，计算逐渐成为研究DNA分子结构的重要工具。

计算模拟可以提供具有高分辨率的DNA结构信息，并预测DNA的稳定性和相互作用。

DNA分子的结构

A C A A C T G T T G
（2）.外侧：
磷酸、脱氧核糖交替连接—— 构成基本骨架；内侧:碱基；
G
A
C
T
G
C
脱氧核苷酸
⑶碱基互补配对原则
A
T
氢键磷酸二酯键
T A
G
C
碱基对
C
G
思考：在一个DNA分子中，那些碱基比例较高，则该DNA分子就比较稳定？
【课堂反馈】
1．下面是DNA的分子的结构模式图，说出图中1－10 的名称。
遗传信息蕴藏在4种碱基的排列顺序中；指基因的脱氧核苷酸(碱基对)的排列顺序。
碱基排列顺序多样性 DNA分子多样性 DNA分子特异性
生物多样性；
生物特异性。
碱基排列顺序特异性
遗传信息蕴藏在4种碱基的排列顺序之中；碱基排列顺序的千变万化，构成DNA分子多样性，而碱基的特定的排列顺序，又构成了每一个DNA 分子的特异性；
2
2.5
1;
G1 C
C
1
G2
②双链DNA分子中A+T/G+C等于其中任何一条链的A+T/G+C。(互补碱基之和的比值)
A+T G+C = A1+T1 G1+C1 = A2 +T2 G 2 +C2
DNA双链
A1 T
1
T
2
即，若：A+T=整个DNA的n%， G+C=整个DNA的m% 则：A1+T1=1链的n%，G1+C1=1链的m% A2+T2=2链的n%，G2+C2=2链的m%
A1
T1
T2
A2

DNA分子的结构规律总结1

提取离心
实验结果预测
15N/15N-DNA 15N/15N-DNA
15N/15N-DNA
转移到含 14NH Cl中 4
分裂一次
14N/14N-DNA 15N/14N-DNA 15N/15N-DNA
15N/14N-DNA
提取离心
分裂两次
14N/14N-DNA
14N/14N-DNA 15N/14N-DNA
1
规律概括：在DNA双链中，任意两个不互补碱基之和相等，并为碱基总数的 50％。
DNA分子碱基的数量关系： ⑤在DNA分子中一条链中A+T的和占该链碱基比率等于另一条链中A+T的和占该链碱基比率，还等于双链DNA分子中A+T的和占整个DNA分子的碱基比率。即： (A1+T1)% = ( A2+T2)% = 总( A+T)% 同理： ( G1+C1)% = ( G2+C2)% = 总( G+C)%
一、对DNA复制的推测
最早提出的DNA复制模型有三种；
1、全保留复制：新复制出的分子直接形成，完全没有旧的部分；亲代DNA
复制一次
子代DNA
2、半保留复制：形成的分子一半是新的，一半是旧的；
复制一次
3、分散复制（弥散复制）：新复制的分子中新旧都有，但分配是随机组合的；
复制一次
沃森和克里克推测是半保留复制
复制一次
1、这些观点各有不同，如何来证明那个观点是正确的？
只能用实验来证明。
2、如果要你来设计实验，你认为最基本的思路是什么？
把原来DNA的单链做上标记，然后观察它在新复制的DNA中出现的情况。
探究 DNA分子复制方式实验设计

DNA结构与复制中的相关计算的三种常用方法公式复制

公式复制 DNA结构与复制中的相关计算的三种常用方法一、特值法：先按照碱基比例假设DNA片段中碱基总数为100或200等整百数，再根据碱基互补配对原则（A－T，C－G）图解分析求解。

例：一个DNA分子中，G和C之和占全部碱基数的46％，又知在该DNA分子的一条链中，A和C分别占碱基数的28％和22％，则该DNA分子的另一条链中A和C分别占碱基数的（）。

A．28％、22％ B．22％、28％ C．23％、27％ D．26％、24％【解析】假设DNA每条链的碱基数为100，依题意得：（图略）∵甲链: A=28, C=22,G+C=46, ∴甲中G=24, T=100-28-46=26。

则乙中A=26，C=24。

故选D。

练习：分析某生物的双链DNA，发现腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基的64％，其中一条链上的腺嘌呤占该链全部碱基的30％，则对应链中腺嘌呤占整个DNA分子碱基的比例是（） A．17％ B．32％C．34％ D．50％二、首尾法：根据DNA复制的过程与特点可以知道：一DNA分子复制n次后，将得到2n个DNA分子，其中保留原来母链的DNA数目为2个。

在处理与此相关的计算题过程中，我们只需要考虑开始和结尾的差异就可以顺利求解，笔者习惯于称之为首尾法。

例：假如一个DNA分子含有1000个碱基对（P元素只是32P）,将这个DNA分子放在只含31P的脱氧核苷酸的培养液中让其复制两次,则子代DNA分子的相对分子量平均比原来( )。

A.减少1500 B.增加1500 C. 增加1000 D.减少1000 【解析】每个碱基对应一个脱氧核苷酸，含1个磷酸基，即1个磷原子。

复制两次后形成4个DNA分子，8条单链。

其中两条含32P，6条含31P，因而相对分子量减少6000，4个DNA平均减少1500。

故选A。

练习：已知14N-DNA和15N-DNA的相对分子量分别为a和b。

现让一杂合DNA分子在含14N的培养基上连续繁殖两代，则其子代DNA的平均相对分子量为（） A.(3a+b)/4 B.(a+3b)/4 C.(7a+b)/8 D.(a+7b)/8 三、公式法：基于DNA的半保留复制，我们可以归纳出公式：X=m(2n-1)。

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｏｇｉｃｇａｔｅｉｓｎｏｔｏｎｌｙａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｕｎｉｔｏｆＤＮＡｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｂｕｔａｌｓｏｔｈｅｂａｓｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｓｐｅｃｉａｌｃｉｒｃｕｌａｒＤＮＡｓｅｑｕｅｎｃｅｓａｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｏｎ
ｔｈｅｂａｓｉｓｏｆＤＮＡｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｍｏｄｅ１．Ｂｙｍａｋｉｎｇｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｅａｃｏｎａｓｔｈｅｉｎｐｕｔｓｉｇｎａｌ，ｏｒｄｏｉｎｇ
ＤＮＡ自组装模型的几种分子逻辑门的计算
单静怡，唐静静，殷志祥
（安徽理工大学理学院，安徽淮南２３２００１）
摘
要：分子逻辑门是ＤＮＡ计算机的重要单元，也是实现运算法则的基本条件。文章以ＤＮＡ自组装模型为
基础，构造了特殊的环状ＤＮＡ序列。通过将分子信标作为输入信号，或者对输人信号进行相应的标记，实现了与非门、或非门和异或门３种常见复合逻辑门的构造。在结果读取中，用检测荧光强度的方法来判断逻辑真值。反应后溶液中有荧光出现时，表示逻辑值为１；反应溶液中没有荧光出现时，表示逻辑值为０。在整个
ｂｙｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｉｎｔｈｅｒｅａｄｉｎｇｏｆｒｅｓｕｌｔ．Ｗｈｅｎｔｈｅｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｏｃｃｕｒｓｉｎｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｆｔｅｒｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎ，ｉｔｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓａ１ｏｇｉｃａ１ｖａｌｕｅｏｆ１，ｂｕｔｗｈｅｎｔｈｅｒｅｉＳｎｏｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ，ｉｔｒｅ — ｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆ０．Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｄｅｓｉｇｎｏｆＤＮＡｓｅｑｕｅｎｃｅｓｉｓｏｎｌｙｎｅｅｄｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｉｓｎｏｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｒｅａｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｅｒｒｏｒｃｕｓｅｄｂｙｔｈｅｃｏｍｐｌｉｃａｔ — ｅｄｒｅａｃｔｉｏｎａｎｄｃｕｍｂｅｒｓｏｍｅｓｔｅｐｓ．Ｔｈｉｓｍｏｄｅｌｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｓｉｍｐｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｈｉｇｈｓｅｎｓｉ —
ｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｍａｒｋｏｎｔｈｅｉｎｐｕｔｓｉｇｎａｌ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＮＡＮＤｇａｔｅ，ＮＯＲｇａｔｅａｎｄＸＯＲｇａｔｅ，ｗｈｉｃｈａｒｅｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｃｏｍｍｏｎｃｏｍｐｌｅｘｌｏｇｉｃｇａｔｅ，ｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅｌｏｇｉｃａｌｔｒｕｔｈｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ
合肥工业大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＥＦＥＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏ１．３７Ｎｏ．２Ｆｅｂ．２０１４
Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３ — ５０６０．２０１４．０２．０１２
实验过程中，只需要对ＤＮＡ序列进行相应的设计，可减少因为反应复杂、反应步骤繁多引起的误差。该模型
操作简单，灵敏度高，为分子逻辑计算的实现提供了新的思路。
关键词：ＤＮＡ自组装模型；环状ＤＮＡ结构；逻辑门；分子信标；ＤＮＡ计算
ｂａｓｅｄｏｎＤＮＡｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｍｏｄｅｌ
ＳＨＡＮＪｉｎｇ－ｙｉ，ＴＡＮＧＪｉｎｇ－ｊｉｎｇ，ＹＩＮＺｈｉ — ｘｉａｎｇ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ０｛Ｓｃｉｅｎｃｅ．ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ２３２００１，Ｃｈｉｎａ）
当溶液中没有信号输入时的末端不含荧光分子溶液中没有荧光出现互补杂交可检测到荧光输dna自组装模型的几种分子逻辑门的计算179荧光被c端的猝灭分子吸收了c的5端的荧光溶液中没有荧光输出为0环状dna结构中异或门的计算原理结束语本文在dna实现了复合逻辑门的操作
第３７卷第２期２０１４年２月
中图分类号：ＴＰ３０１．６文献标识码：Ａ文章编号：１００３ — ５０６０（２０１４ｌ０２ — ０１７６ — ０４
Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｅｖｅｒａｌｋｉｎｄｓｏｆｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｏｇｉｃｇａｔｅ