本发明涉及一种生物计算机技术领域，特别涉及一种基于链置换的dna分子计算机实现方法和实现装置。
背景技术：
可编程的生物系统是在分子水平上理解生命奥秘的重要途径。文献表明，这些具有计算功能的生物系统已被应用于生物工程和纳米医疗(naturecommunications，2017)。由于dna分子的动力学特性可以根据watson-crick的碱基配对原则精确预测，因此dna分子是一种理想的生物大分子用于构建分子自动机，可以用于体内和体外(invivoandinvitro)医学检测与疾病诊疗(nanoscale，2015)。
自从第一个基于dna的计算解决了7个城市的哈密顿路径问题以来，已经有很多个dna分子自动机系统被设计和开发出来。这些系统基于酶促反应、无酶反应、dna反应网络以及dna自组装构建。在这些方法中，无酶的计算系统是最简单的一种。系统的输入信号和输出信号通常被设计为单链dna(ssdna)，它们与系统中已编程的双链dna(dsdna)分子发生反应，与此同时，以toehold为媒介的链置换反应发生后，产生一系列的单链dna(ssdna)可以作为检测输出。而且一些较为复杂的计算，如2的平方根(naure，2011)、神经网络计算(nucleicacidsres，1993)也可以通过链置换反应实现。
经过几十年的发展，基于分子生物学操作的dna计算已经提出了粘贴模型、剪接模型、等价检查模型、自组装dna模型和微流控dna计算模型等具有计算完备性的模型，这些模型都被证明和图灵机等价。dna计算由于是基于生化反应的，因此具有高度的并行性。1克dna所能存储的信息容量可达2.15亿gb(science，2017)。而dna消耗1焦耳生物能就可以完成1019的运算。
技术实现要素：
本发明目的之一是基于链置换反应的dna分子计算机实现方法，用以实现低能耗、快速的并行计算。
本发明是通过以下技术手段实现的：
本发明的基于链置换反应的dna分子计算机实现方法，
包括四个模块：问题空间映射模块、单链dna设计模块、链置换反应模块、反应结果检测模块；
首先通过问题空间映射模块将待解问题转换为二进制逻辑表达式；
然后通过单链dna设计模块将二进制逻辑表达式设计成逻辑门电路；
链置换反应模块完成dna链置换反应，通过dna链置换反应进行问题求解；
反应结果检测模块将dna链置换反应的结果转换为人类可以理解的形式。
进一步，所述单链dna设计模块根据二进制逻辑表达式构建逻辑门电路；
二进制逻辑表达式中的加法“+”运算使用逻辑或电路；
二进制逻辑表达式中的乘法“*”运算使用逻辑与电路；
二进制逻辑表达式中的数值为0的运算使用逻辑非电路。
进一步，所述链置换反应模块仅使用单链dna分子在溶液中反应进行。
本发明目的之二是提供一种基于链置换反应的dna分子计算机实现装置，用以实现低能耗、快速的并行计算。
本发明是通过以下技术手段实现的：
本发明的基于链置换反应的dna分子计算机实现装置，包括四个模块：问题空间映射模块、单链dna设计模块、链置换反应模块、反应结果检测模块；
问题空间映射模块用于将待解问题转换为二进制逻辑表达式；
单链dna设计模块用于将二进制逻辑表达式设计成逻辑门电路；
链置换反应模块用于完成dna链置换反应，通过dna链置换反应进行问题求解；
反应结果检测模块用于将dna链置换反应的结果转换为人类可以理解的形式。
进一步，所述反应结果检测模块由实时荧光定量pcr(rt-qpcr)检测反应产物实现，根据反应结果动力学曲线判断出问题是否被求解。
本发明的有益效果：本发明的一种基于链置换反应的dna分子计算机方法及装置，能够将特定数学问题转换为特性序列的单链dna分子，通过dna链置换反应实现特定数学问题的求解；再通过实时荧光定量pcr(rt-qpcr)检测反应产物，提高了计算结果的显示效率。
附图说明
图1是本发明的dna分子计算机的结构示意图；
图2是一个有向图；
图3是本发明的dna分子计算机的与门电路；
图4是使用nupack软件计算得出ss1单链核酸没有形成二级结构
图5是使用nupack软件计算得出ss2单链核酸没有形成二级结构
图6是使用nupack软件计算得出ss3单链核酸没有形成二级结构
图7是使用nupack软件计算得出ss4单链核酸没有形成二级结构
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1基于链置换反应的dna分子计算机实现装置
如图1，本实施例中的基于链置换反应的dna分子计算机实现装置，包括问题空间映射模块、单链dna设计模块、链置换反应模块、反应结果检测模块；问题空间映射模块用于将待解问题转换为二进制逻辑表达式；单链dna设计模块用于将二进制逻辑表达式设计成逻辑门电路；链置换反应模块用于完成dna链置换反应，通过dna链置换反应进行问题求解；反应结果检测模块用于将dna链置换反应的结果转换为人类可以理解的形式。所述反应结果检测模块由实时荧光定量pcr(rt-qpcr)检测反应产物实现，根据反应结果动力学曲线判断出问题是否被求解。
实施例2基于链置换反应的dna分子计算机实现方法
如图1-7所示，本实施例的基于链置换反应的dna分子计算机实现方法，包括四个模块：问题空间映射模块、单链dna设计模块、链置换反应模块、反应结果检测模块；
首先通过问题空间映射模块将待解问题转换为二进制逻辑表达式；
然后通过单链dna设计模块将二进制逻辑表达式设计成逻辑门电路；
链置换反应模块完成dna链置换反应，通过dna链置换反应进行问题求解；
反应结果检测模块将dna链置换反应的结果转换为人类可以理解的形式。
如图2，为本实施例中的有向图，转换为真值表如表1。
表1由图2转换而成的真值表
表2真值表转换为逻辑表达式：
将上述s1、s2、s3三个逻辑表达式中的乘法运算、加法运算、取反运算分别转化为与门、或门、非门。
图3是基于sbml语言构建的与门电路。
构建与门电路的单链dna核酸序列为：
ss1：：tattcc
ss2：cccttttctaaactaaacaa
ss3：cccaaaacaaaacaaaacaa
ss4：ccctttacattacataacaa
使用nupack软件计算，得出以上ss1、ss2、ss3、ss4四条单链核酸没有形成二级结构，如果形成二级结果，则修改核酸序列，再次使用nupack软件进行计算，直到没有形成二级结构为止。
在生化实验中使用的碱基序列为ss1、ss2、ss3、ss4，分析纯为二甲基亚砜(dmso)，聚合酶、内切酶、缓冲液。
所述反应结果检测模块实时荧光定量pcr(rt-qpcr)检测反应产物，显示问题求解结果。
本行业的技术人士应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是用于说明本发明的原理，在不脱离本发明原理和范围的前提下，本发明还可有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围内。