基于補碼方法的dna自組裝減法模型的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于補碼方法的DNA自組裝減法模型，所述補碼方法包括以下步驟：（1）基于DNA自組裝技術的補碼運算模型架構；（2）形成四種類型的分子瓦模型，包括輸入分子瓦模型、求補運算分子瓦模型、補碼加法運算分子瓦模型及用于補碼相加結果求補運算的分子瓦模型；（3）在預先設定的實驗條件下，控制溫度以及溶液的濃度，保證DNA自組裝順利完成組裝；結果提取，尋找出運算完整的自組裝結構，分離并提取其中的報告鏈，根據(jù)編碼原則讀取結果。本發(fā)明利用DNA自組裝技術可以構建許多復雜的不同形狀的圖案，還可在納米尺度下修飾材料的表面。
【專利說明】基于補碼方法的DNA自組裝減法模型
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于補碼運算【技術領域】，尤其涉及一種基于補碼方法的DNA自組裝減法模型。
[0002]
【背景技術】
[0003]目前，在電子計算機內(nèi)部硅芯片上安放的電路系統(tǒng)越來越多，尺寸越來越小，已接近物理極限。將單個分子或極小的化學基因變成計算機芯片上的元件可大大縮小其尺寸跨越傳統(tǒng)極限限制。單個邏輯運算單元的信號處理能力是有限的，為了進一步提高網(wǎng)絡的可承載信息容量，需要發(fā)展具有復雜邏輯運算功能的邏輯運算電路。
[0004]計算問題一直都是科學【技術領域】的一個核心問題。計算機的發(fā)展水平是一個國家科研實力的體現(xiàn)，它對國家安全，經(jīng)濟和社會發(fā)展具有舉足輕重的意義。因此各個國家企業(yè)及科研機構都在不遺余力研制新型的具有更強大性能的計算機。而生物計算機近年來成為其中的一個熱門領域，它是多種學科的交叉。基于DNA自組裝技術的生物計算在一些學者的努力下取得了許多可喜的突破性進展。
[0005]分子自組裝技術由于自身的多種優(yōu)勢近年來在構筑分子電路模型中得到了越來越廣泛的應用，已成為分子電子學發(fā)展的極具潛力的方向。利用DNA自組裝技術可以構建許多復雜的不同形狀的圖案，還可在納米尺度下修飾材料的表面。隨著對分子識別過程中各種作用力本質(zhì)的深入了解，人們已經(jīng)從制備具有特定結構和構筑基元出發(fā)來組裝多維、高度有序、結構復雜具有特定功能的組裝體。
[0006]眾所周知，在計算機內(nèi)部數(shù)字都是以電信號的存在方式被表示為二進制，即計算機內(nèi)部機器數(shù)字只有O和I。計算機中可以表示有符號數(shù)和無符號數(shù)，但多數(shù)情況下計算機中數(shù)據(jù)都是有符號數(shù)。在表示有符號數(shù)時，計算機約定數(shù)碼序列的首位為符號位，符號位為O表示該數(shù)為正，為I表示該數(shù)為負。計算機中機器數(shù)通常是以原碼、補碼和反碼三種方式表示。原碼是比較直接的數(shù)據(jù)方式，其首位即最高位為符號位，其余位則是二進制數(shù)的絕對值。原碼雖然編碼簡單，便于輸入輸出，但作為代碼加減運算時較為麻煩。因為不管在做加法還是減法運算時都要先判定兩個數(shù)的符號再做運算，運算結束后還要給結果選擇符號。因此，計算機的運算中引入了補碼概念。
[0007]本發(fā)明設計的DNA計算模型受電子計算機中數(shù)據(jù)表示和處理方式的啟發(fā)，利用DNA分子自組裝技術構建有符號二進制的減法運算模型。通過DNA分子瓦設計四種類型基本運算單元(輸入分子瓦模型、求補運算分子瓦模型、補碼加法運算分子瓦模型及用于補碼相加結果求補運算的分子瓦模型)，然后將它們有序組合，進而成功地進行加減法運算的自組裝過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明實施例的目的在于提供一種基于補碼方法的DNA自組裝減法模型，旨在解決①符號的表示問題，②減法運算與加法運算的統(tǒng)一問題，③符號位和數(shù)值位的統(tǒng)一問題。
[0009]本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種基于補碼方法的DNA自組裝減法模型，所述方法包括以下步驟:基于DNA自組裝技術的補碼運算模型架構；形成四種類型的分子瓦模型，包括輸入分子瓦模型、求補運算分子瓦模型、補碼加法運算分子瓦模型及用于補碼相加結果求補運算的分子瓦模型；在預先設定的實驗條件下，控制溫度以及溶液的濃度，保證DNA自組裝順利完成組裝；結果提取，尋找出運算完整的自組裝結構，分離并提取其中的報告鏈，根據(jù)編碼原則讀取結果。
[0010]進一步，輸入分子瓦模型為:
輸入TX分子瓦每個有四個粘性末端，對其抽象化后為具有上下左右四個方向結合域的瓦片。不同分子瓦四個粘性末端的序列編碼也各不相同。具有互補粘貼末端的相鄰分子瓦可以結合在一起。當一個分子瓦與周圍分子瓦的結合強度之和大于或等于閾值2時，可以穩(wěn)定的組裝。
[0011]進一步，求補運算分子瓦模型為:
求補運算分子瓦模型的作用是將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為它們的補碼，非負數(shù)的補碼仍然是自己本身。對于負數(shù)的求補過程一般有兩個步驟:首先是求其反碼(方法是符號位保持不變，其他位全部取反)，然后再對求得的反碼加I。
[0012]進一步，補碼加法運算分子瓦模型為:
求補運算的DNA自組裝模型將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為了補碼的形式，那么最初兩個輸入數(shù)的減法運算就可以被替代為它們對應補碼的加法運算。接下來需要將加法運算模型與求補運算模型相結合。加法運算的過程從右至左通過連續(xù)按位進行全加操作來實現(xiàn)。每個位中包含三個輸入兩個輸出，三個輸入分別是兩個輸入數(shù)的位和來自低位的進位，兩個輸出分別是相加的結果和產(chǎn)生的進位。
[0013]進一步，用于補碼相加結果求補運算的分子瓦模型為:
在上一步的運算完成后，得到的是兩個補碼相加的和。只需要對這個相加的結果再進行求補運算即可得到最終結果。由于非負數(shù)的補碼仍是其自身，因此若結果為非負數(shù)則無需對其操作，若結果為負數(shù)則需進行求補運算。
[0014]上面表示符號位運算結果的分子瓦左部的結合域根據(jù)其結果值為I或O分別標記了或“#”，然后又將此信息傳遞給左邊相鄰的邊界分子瓦盡和&，這兩個邊界分子瓦再以其上部不同的結合域決定著下一步的運算。邊界分子瓦咼說明其符號位非負，則下一步將結束運算，直接輸出結果。邊界分子瓦盡說明其符號位為負，則下一步要做求補運算，這個過程與之前對輸入數(shù)求補的過程比較相似，也是通過先求反(符號位除外)再加I兩個步驟來完成。
[0015]進一步，補碼相加結果為非負數(shù)的分子瓦模型為:
通過上面的討論中可以知道，當求補運算的結果值為非負數(shù)時無需對其操作。在組裝過程中，補碼相加后符號位結果值為“O”的分子瓦左部的結合域標記了 “#”，然后又將此信息傳遞給左邊相鄰的邊界分子瓦咼。
[0016]邊界分子瓦&因此攜帶了符號位的信息。若其符號位非負，則下一步將結束運算，直接輸出結果。分子瓦咼上部結合域的標記同樣也使得下一步的組裝方向轉(zhuǎn)變?yōu)閺淖笾劣摇＝酉聛淼慕M裝過程只需要對結果值進行復制輸出操作即可。[0017]進一步，運算過程是首先對輸入操作數(shù)進行編碼，生成系統(tǒng)的種子配置，然后模型的其他類型分子瓦就會按照規(guī)則自動組裝到該種子配置上，直到得出正確結果組裝結束。在生化反應組裝過程結束后，通過對最終生成的組裝體的結構篩選檢測出正確的運算結果O
[0018]本發(fā)明利用DNA自組裝技術可以構建許多復雜的不同形狀的圖案，還可在納米尺度下修飾材料的表面。隨著對分子識別過程中各種作用力本質(zhì)的深入了解，人們已經(jīng)從制備具有特定結構和構筑基元出發(fā)來組裝多維、高度有序、結構復雜具有特定功能的組裝體。本發(fā)明提出的基于補碼方法的DNA自組裝減法模型充分利用DNA計算的并行性，在做運算時具有傳統(tǒng)電子計算機無可比擬的速度。在這一運算系統(tǒng)中通過補碼思想將加法運算和減法運算有機統(tǒng)一起來，這一系統(tǒng)的實現(xiàn)還可進一步擴展到基于DNA自組裝的乘法和除法中應用，所以基本的四則運算有望使用一套統(tǒng)一的DNA自組裝運算系統(tǒng)來解決。這樣，DNA計算就會被大大簡化，這也為DNA計算機鋪墊一炔基石。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明實施例提供的輸入分子瓦模型及它們組成的種子配置；
圖2是本發(fā)明實施例提供的補碼分子瓦模型及以010001012和110100112為輸入數(shù)的示例；
圖3是本發(fā)明實施例提供的全加運算分子瓦模型及以010001012和110100112為輸入數(shù)的示例；
圖4是本發(fā)明實施例提供的輸出結果的分子瓦模型及以010001012和110100112為輸入數(shù)的示例；
圖5是本發(fā)明實施例提供的補碼相加結果為非負數(shù)的運算模型。
【具體實施方式】
[0020]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0021]本發(fā)明是一種基于補碼方法的DNA自組裝減法模型，利用DNA自組裝算法實現(xiàn)有符號數(shù)的減法運算。
[0022]在計算機內(nèi)部數(shù)字都是以電信號的存在方式被表示為二進制，即計算機內(nèi)部機器數(shù)字只有O和I。計算機中可以表示有符號數(shù)和無符號數(shù)，但多數(shù)情況下計算機中數(shù)據(jù)都是有符號數(shù)。在表示有符號數(shù)時，計算機約定數(shù)碼序列的首位為符號位，符號位為O表示該數(shù)為正，為I表示該數(shù)為負。計算機中機器數(shù)通常是以原碼、補碼和反碼三種方式表示。原碼是比較直接的數(shù)據(jù)方式，其首位即最高位為符號位，其余位則是二進制數(shù)的絕對值。原碼雖然編碼簡單，便于輸入輸出，但作為代碼加減運算時較為麻煩。因為不管在做加法還是減法運算時都要先判定兩個數(shù)的符號再做運算，運算結束后還要給結果選擇符號。因此，計算機的運算中引入了補碼概念。補碼運算的方法可以將減法運算化為加法運算，這種方式將加法和減法統(tǒng)一起來使得計算機做運算時變得更加簡單和方便。對于/7位二進制，有符號數(shù)補碼的定義式為:Dr]#= 2^+ X0由定義可知:正數(shù)和零的補碼，即為本身；負數(shù)補碼的最常見的求法為:負數(shù)的補碼可表示成(273 -1 - X I + 1)=(1 X U+ I)。I Z I反是Z的反碼，反碼的定義為:正數(shù)的反碼與其原碼相同；負數(shù)的反碼是對其原碼逐位取反，但符號位不變。因此，負數(shù)的補碼還可以通過先求其反碼再加I來實現(xiàn)。這種方法計算機中最為常見，數(shù)據(jù)在寄存器中反相輸出，再通過加法器加1，即實現(xiàn)求補。
[0023]在以補碼做加減運算時有公式:Dr 土 7]補=Dr]補土 Cf]補=Dr]補+ [土 7]補。這說明在計算機中數(shù)據(jù)以補碼的形式做完加減法運算后結果還是補碼形式，需要將這些結果再次轉(zhuǎn)換回原碼形式。將補碼轉(zhuǎn)換為原碼實際上與將原碼轉(zhuǎn)換為補碼的方法一樣。
[0024]本發(fā)明以8位二進制有符號定點數(shù)為例來研究基于DNA自組裝技術的補碼運算模型。目的是實現(xiàn)對輸入操作數(shù)的求補運算，并在后面與DNA自組裝加法運算模型相結合，最終構建加減法運算通用的計算模型。根據(jù)減法運算中減數(shù)和被減數(shù)的符號將其分為四種類型:一、正的被減數(shù)和正的減數(shù)；二、正的被減數(shù)和負的減數(shù)；三、負的被減數(shù)和正的減數(shù)；四、負的被減數(shù)和負的減數(shù)。這四種類型包含了有符號數(shù)加減運算的所有情況。本發(fā)明以第一種類型的運算為例進行討論，其他三種的運算過程與之類似。
[0025](I)輸入分子瓦模型
模型的構建采用附圖1所示的TX分子瓦，這種結構的分子瓦每個有四個粘性末端，對其抽象化后為具有上下左右四個方向結合域的瓦片。不同分子瓦四個粘性末端的序列編碼也各不相同。具有互補粘貼末端的相鄰分子瓦可以結合在一起。當一個分子瓦與周圍分子瓦的結合強度之和大于或等于閾值2時，可以穩(wěn)定的組裝。
[0026]這里首先設定一個左位有符號整數(shù)為/Vi/Vf/7。,其中A.( O≤i≤k -1)的值為O或I。在自組裝DNA計算模型中，為編碼兩個輸入數(shù)，需采用4種基本分子瓦類型。給定分子瓦集合廠={ Λι。=〈 00，null, null, null >, / 01 = < 01, null, null,null >, /10 = < 10, null, null, null >, / n = < 11, null, null, null >}。
[0027]如圖1( a)的第一行所示，這些輸入分子瓦每個都代表著兩位數(shù)字，左邊一位表示P中的一位值，右邊一位表示7中的一位值。分子瓦兩端結合域上的“ I ”表明這是第一種運算類型，即輸入數(shù)的被減數(shù)和減數(shù)均為非負數(shù)。需要注意的是，在做減法運算時是將<3 -辦看作a + { - b )，因此這里的輸入數(shù)是相當于在被減數(shù)前面添上了一個負號，并不是真正的被減數(shù)。另外，由于P和q的最高位是符號位，在做運算時不同于其他位，所以這里用與其他位瓦片不同的顏色并加對其作特殊標記，如圖1(b)。圖1(a)的第二行是兩個分別表示一行自組裝過程的起始和終止的分子瓦X和4。對于起始分子瓦X，設定其左邊的結合域強度為2。這說明此處的粘性末端較長，只需一個相鄰的邊互補，既可以穩(wěn)定的組裝。輸入數(shù)針對兩個輸入數(shù)A-lAW。和的整體表不如圖1(C)所不，即兩個輸入數(shù)的種子配置。整個運算系統(tǒng)將以此種子配置作為起始，不同類型的分子瓦按照前面介紹的抽象分子瓦自組裝規(guī)則自動有序組裝到種子配置上，得到的系統(tǒng)最終配置，也就是運算結果。
[0028](2)求補運算分子瓦模型
求補運算分子瓦模型如附圖2所示。圖2(a)描述的分子瓦的作用是對第一種類型減法運算輸入數(shù)的非符號位取反，瓦片下部的結合域是輸入，上部是輸出。由于/7為非負數(shù)，Q為負數(shù)，所以該分子瓦系統(tǒng)只對^從最低位到最高位(符號位除外)依次取反，而/7保持不變。圖中的表示對7值反相輸出。圖2 (a)第二行是對應其他三種運算類型的瓦片。在求反碼時符號位不參與運算，所以圖2 (b)中的分子瓦直接對符號位進行復制并向上傳遞。
[0029]由于/7或^可能是負數(shù)，所以對其取反后還需要加I才能完成整個求補過程。
或CG?)加I的真值表如表1所示。式⑴和式⑵是基于真值表得出的邏輯運算關系。
[0030]表1加I運算真值
【權利要求】
1.一種基于補碼方法的DNA自組裝減法模型，其特征在于:所述補碼方法包括以下步驟: (1)基于DNA自組裝技術的補碼運算模型架構； (2)形成四種類型的分子瓦模型，包括輸入分子瓦模型、求補運算分子瓦模型、補碼加法運算分子瓦模型及用于補碼相加結果求補運算的分子瓦模型； (3)在預先設定的實驗條件下，控制溫度以及溶液的濃度，保證DNA自組裝順利完成組裝；結果提取，尋找出運算完整的自組裝結構，分離并提取其中的報告鏈，根據(jù)編碼原則讀取結果。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于補碼方法的DNA自組裝減法模型，其特征在于:所述輸入分子瓦模型為:每個輸入TX分子瓦有四個粘性末端，對TX分子瓦抽象化后為具有上下左右四個方向結合域的瓦片，不同分子瓦四個粘性末端的序列編碼各不相同，具有互補粘貼末端的相鄰分子瓦結合在一起，穩(wěn)定組裝的條件為一個分子瓦與周圍分子瓦的結合強度之和大于或等于閾值2。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于補碼方法的DNA自組裝減法模型，其特征在于:所述求補運算分子瓦模型為:非負數(shù)的補碼為自己本身，負數(shù)的求補過程首先是求其反碼，然后再對求得的反碼加1，所述求其反碼為符號位保持不變，其他位全部取反。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于補碼方法的DNA自組裝減法模型，其特征在于:所述補碼加法運算分子瓦模型為:求補運算的DNA自組裝模型將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為補碼的形式，最初兩個輸入數(shù)的減法運算被替代為它們對應補碼的加法運算，然后將加法運算模型與求補運算模型相結合，加法運算的過程從右至左連續(xù)按位進行全加操作，每個位中包含三個輸入兩個輸出，三個輸入分別是兩個輸入數(shù)的位和來自低位的進位，兩個輸出分別是相加的結果和產(chǎn)生的進位。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于補碼方法的DNA自組裝減法模型，其特征在于:所述用于補碼相加結果求補運算的分子瓦模型為:所述基于補碼方法的DNA自組裝減法模型的運算完成后，得到兩個補碼相加的和，將兩個補碼相加的和再進行求補運算得到最終結果。
【文檔編號】G06F7/509GK103617019SQ201310529942
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權日:2013年11月1日
【發(fā)明者】王延峰, 魏東輝, 王春秀, 王子成, 黃春, 任靜, 崔光照, 張勛才, 白學文, 侯賀偉 申請人:鄭州輕工業(yè)學院