DNA自組裝模型在生物傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究.pdf

1、本文以分子信標(biāo)自組裝為核心，生物傳感器的設(shè)計(jì)為主要研究對(duì)象，以提高生物傳感器的性能為目標(biāo)，對(duì)分子信標(biāo)自組裝模型在組合優(yōu)化的NP問題中的應(yīng)用及其復(fù)雜度進(jìn)行了研究，并對(duì)其在生物傳感器探針設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行探索研究，分析其對(duì)傳感器靈敏度和響應(yīng)時(shí)間方面的改善和提高。
　　文中圍繞著飲用水源的監(jiān)測(cè)問題結(jié)合納米金和磁性粒子的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)出用于檢測(cè)水體中病原體和病毒的生物傳感器。DNA生物傳感器的檢測(cè)原理主要是利用DNA分子的自組裝技術(shù)。因此在論文中

2、首先介紹了DNA分子的自組裝技術(shù)，并且給出了DNA自組裝在組合優(yōu)化中NP問題的計(jì)算模型，充分展示了DNA計(jì)算的巨大的并行性。本文主要內(nèi)容如下:
　　首先，充分挖掘分子信標(biāo)這一獨(dú)特的“發(fā)夾”結(jié)構(gòu)所表達(dá)的信息，利用分子信標(biāo)靈敏度高，特異結(jié)合性強(qiáng)、反應(yīng)迅速及可熒光標(biāo)記等優(yōu)點(diǎn)給出最大匹配問題的DNA計(jì)算模型。利用分子信標(biāo)莖干端的熒光標(biāo)記還可以直觀的觀測(cè)到生化反應(yīng)的完全性，當(dāng)有發(fā)夾打開時(shí)，熒光背景增強(qiáng)，當(dāng)所有發(fā)夾都打開時(shí)，熒光背景最強(qiáng)且不再

3、變化，說明此時(shí)已經(jīng)反應(yīng)完全了，可以繼續(xù)下一步的操作。另外，此模型的復(fù)雜度與頂點(diǎn)的度有關(guān)。理論分析表明，作為有m個(gè)頂點(diǎn)和n條邊的無向圖，利用分子信標(biāo)計(jì)算它的最大匹配，根據(jù)模型分析其算法的復(fù)雜度，編碼及生物操作的復(fù)雜度僅隨頂點(diǎn)與邊的增加而增加，且復(fù)雜度為Θ（n2）。
　　其次，分析了目前所采用的DNA tile，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且不易熒光標(biāo)記等不足，利用分子信標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了分子信標(biāo)tile，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可熒光標(biāo)記，在讀解時(shí)可借助于熒光光譜

4、儀等幫助分析，在計(jì)算過程中減少了生化操作，而且其具有特異結(jié)合性強(qiáng)和反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，一定程度上降低了計(jì)算的錯(cuò)解率。利用分子信標(biāo)給出圖G的最大匹配的計(jì)算模型，計(jì)算前先將圖G的邊集映射為二進(jìn)制組合，假設(shè)一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)的第i位取值為1，則它代表對(duì)應(yīng)的第i條邊在集合M中，而不在集合E-M中。假設(shè)在一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)的第i位取值為0，則它代表相應(yīng)的第i條邊不在集合M中，而在集合E-M中，其中M為一邊集。這里利用自組裝算法從對(duì)應(yīng)的所有組合2n中找出圖

5、G的所有匹配，再找出最大匹配。相對(duì)分子信標(biāo)計(jì)算模型，此算法將復(fù)雜度從Θ（n2）降低到Θ（n）。利用自組裝模型解決組合優(yōu)化中的全錯(cuò)位排列問題，采用將其所有排列給出，再利用生化反應(yīng)的并行性同時(shí)驗(yàn)證所有排列是否是全錯(cuò)位排列，利用熒光光譜儀進(jìn)行解的讀取。之后又給出整數(shù)線性規(guī)劃問題的自組裝模型，構(gòu)建乘法、加法和比較子系統(tǒng)進(jìn)行求解，解的讀取結(jié)合者熒光標(biāo)記和其他分子生物技術(shù)操作。最后此自組裝模型也解決了3-可滿足性問題，用熒光標(biāo)記的方法，利用自組裝模

6、塊對(duì)每一個(gè)字句同時(shí)進(jìn)行判定，最后使每個(gè)字句都為真的即是問題的解，說明此式為可滿足的。對(duì)分子信標(biāo)自組裝模型的復(fù)雜度從計(jì)算和空間復(fù)雜度分別進(jìn)行分析，得到計(jì)算復(fù)雜度和空間復(fù)雜度為常數(shù)或者是問題規(guī)模n的線性函數(shù)。從此模型中可充分體現(xiàn)分子信標(biāo)瓦片的優(yōu)點(diǎn)。下一步的研究工作是研究此模型的通用性，并且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。
　　最后，基于這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合納米金和磁性粒子的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)出用于檢測(cè)病原體（如大腸桿菌）的DNA生物傳感器。利用鎖核酸(LN