基于DNA/RNA的逻辑门与逻辑运算

DNA和RNA具有精确的分子识别能力以及强大的信号存储能力. 利用DNA/RNA分子的生物学特性来构建分子级别的逻辑门并实现逻辑运算是近年来计算机科学和分子生物学交叉产生的新兴领域, 引起了研究者的广泛关注. 本文介绍了利用DNA/RNA分子的酶活性、结构特性来构建逻辑门的方法, 探讨了将单一逻辑门整合成复杂的逻辑运算的途径. 并且对于DNA/RNA逻辑门在体外检测和体内诊疗等生物医学中的应用进行了介绍, 提出了未来的发展方向.     

新型DNA逻辑门

据国家自然科学基金委员会2006年4月4日报道，中科院上海应用物理研究所樊春海研究员与上海交通大学Bio-X中心贺林院士、张治洲教授通过合作，应用DNA核酶研制成功一类新型的“DNA逻辑门”。     

用单分子荧光显微术与光学作图法构建水稻BAC克隆DNA的限制性物理图谱

报道一种用于荧光显微镜探测的研究DNA分子与限制性内切酶相互作用的方法。DNA分子经过改进的“分子梳”技术铺展并吸附于化学修饰过的盖玻片表现，然后运用限制性内切酶EcoRⅠ进行原位酶切反应，使DNA分子在固着状态下的反应结果与液相反应相对应，通过单分子荧光显微术直接观测并记录单个DNA分子的酶切反应结果，成功地构建了水稻BAC克隆DNA的限制性物理图谱，为单分子的动态荧光显微镜实施研究和基因组光学作图打下基础。     

自组装DNA/纳米颗粒分子逻辑计算模型

将AuNP 自组装聚合色变与DNA 计算相结合, 构建了纳米分子逻辑计算模型. 使用了DNA 自组装、DNA/AuNP 结合和AuNP 聚合色变等关键技术方法. 利用DNA 自组装结构变化,通过DNA/AuNP 聚合色变反应, 实现了简单逻辑运算功能. 在此基础上, 构建了求解简单集合运算的DNA/AuNP 计算模型, 对多重输入的简单集合运算进行了逻辑运算. 最后, 进一步拓展该分子逻辑运算模型的应用, 结合分子检测技术, 对H1N1 病毒基因进行检测.     

固态纳米孔中DNA分子再捕捉的探测和分析

<正>基于纳米孔的单分子测控技术有望为实现廉价而快速的个体基因测序提供关键的物理基础.固态纳米孔因其与现代微加工技术兼容及可实现器件高度集成而尤其受到关注.然而,利用固体纳米孔实现单个DNA分子的测序目前仍有几个关键的困难需要克服.其一即为单个DNA分子在纳米孔中运动的控制.通过对单个DNA分子的再捕捉可以揭示其在纳米孔中的动力学特征,并且通过进一步发展该技术将有望在碱基分辨中显著提高信     

耦合反馈激光混沌振幅调制全光逻辑门及光电复合逻辑门研究

理论研究耦合反馈半导体激光器混沌同步及其在光学数字逻辑门中的应用, 构建了三种基本的全光XNOR, NOR, NOT 门以及光电复合NOR 光学数字逻辑门的物理模型, 定义了这些逻辑门的计算原理和方法. 基本物理方法是, 让外部光注入到2 个激光器中产生激光混沌输出, 通过两激光器激光的相互耦合及反馈实现混沌同步. 在此基础上, 利用光的外部调制方法让两相互耦合激光分别在振幅调制下控制混沌同步或非同步, 实现了全光逻辑门的功能与计算. 然后联合激光的外部调制和激光器电流调制, 控制混沌同步或者非同步, 实现了光电复合逻辑门的功能与计算. 另外, 详细地数值分析了激光混沌再同步与再非同步对逻辑输出影响等问题, 结果证明了该方案的科学合理性与可行性.     

DNA：生物学的“建筑材料”—生物学家埃里克·温弗里谈DNA独特的化学特性

电子计算机的威力人所尽知，但涉及到与物理世界有关的复杂任务—比如某种昆虫的构成—还得寄望于对DNA的深入研究。曾于2000年获得“麦克阿瑟天才奖”的埃里克·温弗里（Erik Winfree），一直在潜心研究存储遗传生命信息的DNA；而人类的细胞正是利用这类遗传分子的信息来构建蛋白质，形成了我们的身体结构并做着与生命存在相关的几乎所有工作。目前，温弗里正在利用DNA独特的化学特性，旨在使其像计算机那样来处理信息（被称为DNA分子计算或DNA分子编程的新颖学科），甚至以DNA分子为“脚手架”构建起有用的结构。不久前，温弗里就其对生命起源的理解以及DNA的化学特性对未来可能产生的影响，接受了《发现》杂志资深编辑斯蒂芬·卡斯（Stephen Cass）的采访。     

自组装DNA链置换分子逻辑计算模型

将DNA自组装与链置换技术相结合,构建了DNA分子逻辑计算模型.通过输入DNA信号链,经特异性识别和链置换,自组装初始结构发生变化,并释放特定信号分子或结构作为输出.计算模型能通过DNA自组装结构电泳迁移率的改变输出计算结果.计算系统在室温下可自动触发、混合输入信号以及并行置换.另外,本模型中引入了单极和双极两种置换模式设计,其还具有并行信息处理和模块化组装等特点.最后经实验验证,通过输入特异性DNA分子链置换,该计算模型能正确输出逻辑计算结果.     

运行于磁珠表面的可编程DNA计算机

后基因组时代涌现出DNA操作技术一系列新的应用, 其中包括建立在DNA分子基础上的生物计算机. 至今还没有在固体表面实现基于自动机原理的DNA计算的相关报道. 本文描述了一种可编程的DNA计算装置——具有图灵机部分功能的有限自动机, 并且将计算过程转移到了固体表面. DNA计算机主要由DNA分子(输入分子, 输出状态检测分子和充当软件的状态转移分子等)、DNA限制性内切酶及连接酶和所需的缓冲液组成, 可以自动地解决计算问题. 将荧光标记在输入分子的5′端, 以便于动态跟踪监测反应过程中的各种中间产物. 这些工作具有如下的特点: (1) 成功地在磁珠表面实现了可编程的DNA计算机——有限状态自动机. (2) 通过毛细管电泳直接监测所有的DNA计算中间产物. DNA计算机的超大并行计算能力具有通过自动控制来得以实现的可行性, 为在不久的将来把大规模的DNA计算和功能基因组研究结合起来奠定了基础.     

高维量子逻辑门及高维量子信息处理

量子计算与量子信息处理是涵盖了信息理论、计算机理论与量子力学的交叉学科,在信息、物理以及计算机等众多领域有着非常大的影响.量子特性在信息安全、信息容量以及计算速度的提高等方面都具有独特的优势.量子逻辑门是量子计算与量子信息处理中的一个关键模块,因此,如何构建一个合适的逻辑门也是现阶段热门的研究领域.此外,研究量子信息科学,纠缠光子对也是一个不可或缺的元素.目前有很多种产生纠缠光子对的理论和实验方案,例如参量下转换等方案.高维量子系统可以在很大程度上提高量子信道容量和信息存储空间,通过实现高维度量子逻辑门,能够提高量子计算与量子信息处理的速度.然而,直接由两个高维子系统相互作用构建高维逻辑门是很困难的.在这种情况下,即使要实现一个很小的高维逻辑电路,也会耗费大量二维逻辑门.本文主要介绍了利用纠缠光子对的偏振、频率和空间模式自由度实现的二维以及高维单自由度和多自由度的量子逻辑门方案,并探讨了这些方案在量子信息处理和量子计算等方面的应用以及发展趋势.     

量子芯片研制有新进展

正中国科学技术大学郭光灿院士团队,近期在半导体量子芯片研制方面首次实现了半导体体系中的三量子比特逻辑门操控,为未来研制可扩展、可集成化半导体量子芯片迈出坚实一步。国际应用物理学权威期刊《物理评论应用》日前发表了该成果。     

DNA纳米自组装的研究进展及应用

DNA纳米技术是一种自下而上的分子自组装模式,由分子构造为起点基于核酸分子的物理和化学性质自发地形成稳定结构,遵循严格的核酸碱基配对原则,使得DNA被用作构建结构的材料基元而不是在活细胞中那样作为遗传信息的载体.通过合理地设计碱基链来达成精密控制的纳米级复杂结构的目的,研究人员在这个领域已经建立起诸多二维、三维的复杂纳米结构以及各种具有不同功能的分子机器,比如DNA计算机.本文总结了近年来DNA纳米自组装方面取得的最新进展,同时介绍DNA纳米自组装的几种不同组装方法,并对其相关应用进行了展望.     

Y形碳纳米管内的水分子信号倍增器

分子尺度的信号变换和放大对很多物理和生物过程非常重要,如分子开关、纳米门、生物传感器和各种神经过程.然而,人们在分子水平对这些信号处理过程知之甚少,其中部分原因是由于     

pBR322质粒DNA的原子力显微镜成象及剪切研究

研究DNA分子间和分子内相互作用力,可以帮助人们了解DNA分子的结构及其功能.由于对这些相互作用力进行直接测量时,不仅需要控制体系的稳定性,同时外加作用力又不能对体系产生影响.因此,目前只是利用X射线,光散射和核磁共振等手段对作用力进行直接的物理或热力学测量.虽然渗透压技术已经应用到DNA双螺旋非特定分子间力的测量,但对于具有特定取向的复杂分子相互作用,就需要在单个分子间进行直接测量.原子力显微镜(AFM)可以检测到10~(-14)N数量级的针尖-样品相互作用力,横向分辨率可达0.01nm,而接触面积只有10nm~2,并且可以在近生理溶液条件下操作,因此它是非常适合研究DNA分子间相互作用力的.事实上,利用AFM研究Biotin-streptavidin体系中的单个分子间相互作用以及DNA双链间的相互作用力已有报道.     

新型分子开关雏形

可能是分子电子学研究的一个突破IBM的科学家们开发了一种新的分子开关,在开启或关闭时可以不改变分子的形状。虽然这种开关被实际应用于计算机尚需时日,但科学家们认为它确实为未来的计算机提示了一种很有潜力的方法,即可以将这种分子开关连结起来,形成分子逻辑门。     

反义技术——一项跨世纪的前沿生物技术

重组DNA技术曾带动了基因工程、蛋白质工程的发展和一系列分子生物学新方法的创立，这是生命科学发展史上的一次重大飞跃。反义技术则是继重组DNA技术之后兴起的又一门全新的基因工程技术，它从反向遗传学的角度认识结构基因的功能和基因表达的调控，从而为分子遗传学分析、人类疾病的防治以及动植物遗传育种等提供了崭新的手段。作为一项具有重大应用背景的尖端生物技术，反义技术已经同时得到科学界和商界的极大关注，并在过去的十几年中得到迅猛的发展。毫无疑问，在不远的将来．这项从生命本质研究入手的技术必将产生强大的冲击波，…     

复杂的RNA与复杂的基因组

根据分子生物学的“中心法则”(central dogma)．遗传信息在几乎所有生物体内都是从DNA传递到RNA，然后再从RNA流向蛋白质。显然，RNA是一座“桥梁”，负责DNA和蛋白质之间信息的流通。在这个过程中，首先是将基因组DNA上的基因信息“复写”到一种称为mRNA的RNA分子上，然后再将mRNA含有的基因信息“翻译”为构成蛋白质的氨基酸序列。     

遗传信息互相传递与生物学中心法则

生物学中心法则作为遗传信息载体的DNA具有两种重要功能。其一,DNA分子可进行自我半保留复制,以亲代DNA分子为模板,合成新的互补子代链。从而使遗传信息从亲代DNA分子传到子代DNA分子。其二,DNA分子还可作为模板指导RNA的合成,即所谓转录过程。通过转录,DNA分子中的遗传信息被转     

DNA计算机--明日的计算机?

DNA分子之所以能够形成双螺旋结构，是由于它含有四种不同的碱基——腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)，通过碱基A与T、G与C之间的氢键结合才得以相互配对形成双链。正是由于DNA分子中包含有数目巨大的四种碱基，使得人们看到了DNA分子的巨大编码潜力。     

与烟草曲叶病毒伴随的新型DNA分子鉴定

根据已报道的两种粉虱传双生病毒DNAβ分子的保守序列设计引物，利用PCR技术从烟草曲叶病毒Y5和Y8分离物扩增到一类环状DNAβ分子，其全长分别为1333和1338nt，序列分析表明，Y5DNAβ可能编码8个可读框（ORFs），病毒链和互补链各含有4个ORFs；Y8DNAβ可编码7个ORFs，病毒链含有4个ORFs，互补链含有3个ORFs，除茎环结构TAATATTAC外，DNAβ与烟草曲叶病毒Y5和Y8基因组DNA－A序列几乎无同源性，Y5和Y8的DNAβ全长核苷酸序列同源性较高，为85％，而与已报道的胜红蓟黄脉病毒（AYVV）DNAβ及棉花曲叶病毒（CLCuV）的两个DNAβ的同源性为51％－65％，免疫捕获PCR及粉虱传毒实验表明，DNAβ分子包裹在双生病毒粒子中，并伴随病毒由烟粉虱传播。