DNA表面计算

DNA表面计算（精选四篇）

DNA表面计算 篇1

D N A表面计算方法具体描述如下:

(1)分析NP完全问题,其完全数据池中的数据转化可用0和1按序表达的方式。

(2)将NP完全问题的完全数据池转化为序列数据库。N个变量的NP完全问题,其完全数据池包含2n个数据,每个数据由n个变量的0或1两种状态按序组成。将这样的完全数据池制作成阵列数据库,将数据库中的每个阵列由2n个分单元构成,每个分单元代表完全数据池中的一个数据,即分单元与数据之间可寻址,每个分单元由4个点组成,则整个阵列包含64个取值为0或1的点,则排布为8×8点阵。6个变量的NP完全问题的阵列由64个分单元构成,每个分单元由6个点组成,则整个阵列包含384个取值为0或1的点,可排布为24×16点阵。

(3)将阵列数据库中的阵列转化为DNA计算芯片。将NP完全问题阵列中的数据映射为寡核苷酸序列并排布在芯片上,映射关系如下:

1)n个变量,每个变量有0和1两种状态,则共有2n中状态,分别一一对应为2n种不同的寡核苷酸序列。例如A,B,C三个变量,则A=1,A=0,B=1,B=0,C=1,C=0六种状态分别一一对应为6种不同的寡核苷酸序列。

2)阵列中每个分单元由n个0或1按序构成,则按序索引a中规定的对应关系,从而将每个分单元对应于依序排列的n个寡核苷酸序列,每个序列成为芯片上的一个点;

(4)根据NP完全问题的类型,设计相应的DNA芯片计算算法,编写专用的图像处理和后续计算软件。

(5)对给定的芯片算法,将预定合成的有标记的寡核苷酸链混合,与DNA计算芯片发生杂交反应,得到杂交图像。标记物可以是荧光,同位素,化学反应的底物等等,输出的杂交图像可以是荧光图像,同位素图像,化学发光图像等等,也可以是电学信号。

(6)采用针对一类NP问题算法设计的专用软件处理得到的杂交图像,进行计算,寻址,得到该类NP问题的全解。

如果一个图中任意两个顶点都可以用一条道路把这两个点连接,则这样的图称为连通图。用电子计算机判断一个图是不是连通的并且把能连接所有顶点并且包含最少边的最小连通图迅速找出来,在顶点和边数比较多的情况下,并不是件容易的事情;这就是一个典型NP的问题。而现在我们就可以用新的表面计算快速地来解决这个NP问题。而若是一个图是连通的,必须能满足三点:

(1)对于交于同一点的几条边来说,应保证其中至少一条在连通图中存在,才能使这点在连通图中存在。

(2)对于最小的连通图,不能有环出现,因此要把存在环的情况剔除。

(3)对于个点的图来说,其连通图连接的边数应为n-1条边。因此要选出边为n-1的链。满足以上三点的情况即是无权值的最小连通图问题的解。例如:求下图的最小连通图:a,b,c,d,e,f城市间可以修建1A,2A,3A,4A,5A,6A,7A,8A八条管道,每条管道的总成本一样,问有多少种修建方法使这些城市都连接起来,且管道数目最少(如图1):

用D N A表面计算芯片计算此问题的模型和步骤如下:

(1)此问题包括8条边,即八个变量。首先定义一种完全数据池的映射策略:1)边分别用1A,2A,3A,4A,5A,6A,7A,8A表示。2)定义任一条边iA有两种赋值,当该条边在图中的边的子集时,则取值为1,否则取值为0。3)将边的子集映射为由1和0组成的数据,顺序依次为1A2A3A4A5A6A7A8A。例如:边的集合1A3A4A映射为二进制数101100000。

(2)在以上的映射策略下,8条边的图的完全数据池含82=256个数据。将八条边在阵列中的每个分单元做如下位置对应,以便寻址:

将完全数据池排布为如下阵列:

(3)八个顶点的2种状态采用如下的寡核苷酸序列进行编码(如表1):

将以上的无权连通图问题编码的寡核苷酸序列依照以上的阵列形式点样排布在芯片上,得到64×32的点阵。采用可以与NH2反应的基底,环氧基等修饰的玻片固定寡核苷酸链。

(4)对无权连通图问题设计相应的DNA芯片计算算法如下:

1)给定已配置好的可明确寻址的寡核苷酸芯片,以交于同一点a的两条边A1=0,A2=0的寡核苷酸链投放在DNA芯片进行杂交,采集到第一幅图像,然后进行解链,再用交于同一点b的三条边A1=0,A7=0,A6=0的寡核苷酸链再与DNA芯片进行杂交,再采集到图像2;再进行解链-杂交循环,直到图中所有的交点杂交图像都采集到。然后采用所有边赋值为0的序列进行杂交。

2)给定已配置好的可明确寻址的寡核苷酸芯片,以组成环的三条边A1=0,A2=0,A3=0的寡核苷酸链投放在DNA芯片进行杂交,然后进行解链,在以组成环的三条边A6=0,A7=0,A3=0的寡核苷酸链投放在DNA芯片进行杂交,再进行解链-杂交循环,同样,采集到另外两组环A5=0,A8=0,A4=0以及A1=0,A2=0,A3=0,A6=0的杂交图像。

3)对所有的杂交图像利用专用的图像处理计算软件进行处理,对无权连通图问题,专用图像处理计算软件的编程原则为:对前六幅图像,首先依据数据库将图像划分为矩阵方格,然后对每个方格做杂交亮点检测。当方格中我们要求的所在位置至少有一处有亮点时,输出为1。否则输出值为0,这样前六幅杂交图像将抽象为一个由0和1组成的抽象矩阵,依据数据库将图像划分为矩阵方格,然后对每个方格做亮点测试,得到相应的无权连通图问题问题的解,共有23个解,它们分别是:

{A2,A4,A5,A6,A7};{A2,A3,A5,A6,A8};{A2,A3,A4,A5,A6}。这与通过电子计算机指数级时间内计算得到的结果完全一致,而利用表面计算则只需要多项式时间内即可。而且这种方法比电子计算机手段更为方便,迅速,简洁,更加清晰明了,具有较好的应用价值。

参考文献

[1]Adleman L.M.Molecular Computation of Solution to Combina-torial Problems.Science,1994;266;1021--1024.

[2]Lipton R.J..DNA solution of HARD computational problems.Science,1995;268;542--545.

[3]Chang W.L.,Guo,M.Y..Solving the set cover problem and theproblem of exact cover by 3-sets in the Adleman-Lipton model.BioSystems,2003;72;263--275.

[4]李源,方辰,欧阳颀.最大团问题DNA计算机进化算法.科学通报,2004;49;439--443.

[5]Xiao D.M.,Li W.X.,Zhang,Z.Z.,He L..Solving maximum cut problem inthe Adleman-Lipton model.BioSystems,2005;82;203—207.

[6]Lee J.Y.,Shin,S.Y.et al..Solving traveling salesman problemswith DNA molecules encoding numerical values.BioSystems,2004;78;39--47.

[7]高琳,马瑞年,许进.有向最短哈密尔顿路问题的DNA算法.系统工程与电子技术2002;24(8);102--105.

[8]丁永生,邵世煌,任立红.DNA计算与软计算.北京:科学出版社,2002:5--9.

[9]许进,王淑栋,潘林强译.G.Paun G.Rozenberg A.Salomaa.DNA计算----一种新的计算模式.北京:清华大学出版社,2004:3---29.

[10]王兆才,肖冬梅,贺林.旅行商问题的DNA算法.计算机工程与应用,2006,30:52—55.

几种表面活性剂与DNA的相互作用 篇2

几种表面活性剂与DNA的相互作用

用循环伏安、紫外-可见光谱和交流阻抗等方法,以电活性小分子亚甲基蓝(MB)为探针,研究了几种表面活性剂与DNA的相互作用.研究发现,阴离子、阳离子和非离子表面活性剂均可通过疏水和静电作用与固定在电极表面的DNA分子结合,改变电极表面DNA的状态,进而影响电活性小分子的电化学行为.阴离子表面活性剂与DNA之间以静电排斥为主,也有部分疏水性结合,它使MB的氧化还原峰峰电流减小.阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵均在一定浓度范围内对MB的电化学响应有增敏作用,而溴代十六烷基吡啶、溴代十八烷基吡啶表现出抑制效应,它们与DNA间既有疏水性作用,也有静电吸引.非离子表面活性剂与DNA的结合较弱,其主要是通过改变溶液的.性质(如粘度、极性和介电常数等)影响DNA的构象,从而导致MB电化学参数的微弱变化.此外,表面活性剂疏水链的长短及极性头基的大小对作用过程也有一定影响.

作 者：赵发琼 曾百肇 庞代文 作者单位：武汉大学化学与分子科学学院,武汉,430072刊 名：化学学报 ISTIC SCI PKU英文刊名：ACTA CHIMICA SINICA年，卷(期)：61(1)分类号：O6关键词：DNA 表面活性剂 亚甲基蓝 金电极

DNA分子的相关计算疑难突破 篇3

DNA分子的相关计算，涉及到DNA的结构、DNA的复制、基因的表达三种类型。本文分类归纳计算的技巧方法，详解如下：

类型一：考查DNA结构的相关计算

例1在一个双链DNA分子中，碱基总数为m，腺嘌呤碱基数为n，则下列有关叙述正确的是（ ）

①脱氧核苷酸数=磷酸数=碱基总数=m

②碱基之间的氢键数为

③一个链中A+T的数量为n

④G的数量为m-n

A. ①②③④ B. ②③④ C. ③④ D. ①②③

思路解析：①的等量关系容易判断；对于②，须知G与C之间形成3个氢键，A与T之间形成2个氢键，故氢键数为：2n+3×=；③因A+T的总量为2n，故一条链中的A+T的数量应为n；④中计算G的数量有误，应为=-n。

答案：D

绿色通道：熟练运用碱基互配对原则（即A=T，G=C）及其变形公式，是有效解决本类的的关键。

变式训练 双链DNA分子中，C占38%，其中一条链中的T占5%，那么另一条链中T占该单链的…（ ）

A. 76%B. 5%C. 19%D. 38%

思路解析：假设DNA分子每条链中含有100个碱基，则此双链DNA分子中共有76（38%×200）个C总，则C总+G总=76+76=152。又由于T1=5%×100=5。则T1+A2（因为T1=A2）=5+5=10，则T2+A1=200-152-10=38，又由于T2=A1，则T2=19，占此链的19/100=19%。

答案：C

类型二：考查DNA复制的相关计算

例2 某DNA分子共有a个碱基，其中含胞嘧啶m个，则该DNA分子复制3次，需要游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸数为（ ）

A. 7（a-m）B. 8（a-m）C. 7（a-m）D. 8（2a-m）

思路解析：本题考查半保留复制的实质及碱基互补配对原则的应用能力。首先求出亲代DNA分子中所含的胸腺嘧啶脱氧核苷酸数。由碱基互补配对原则可知，亲代DNA分子中A=T，C=G=m个，所以A+T=a-2m个， T=a/2-m。再求DNA复制3次共合成的子链数。DNA复制3次共形成23个DNA分子，共有16条脱氧核苷酸链，因其中有两条是亲代DNA分子的母链，因此DNA复制3次共合成了14条子链，构成7个DNA分子。因子代DNA分子与亲代DNA分子的结构完全一样，所以DNA复制3次需要游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸数为7（a/2-m）。

答案：C

黑色陷阱：解题思路混乱是本题失分的主要原因；对DNA分子的复制过程及DNA分子中各种碱基的相互关系这些基础知识一知半解也是本题失分的原因。

变式训练用15N标记细菌的DNA分子，再将它们放入含14N的培养基中连续繁殖四代，a、b、c为三种DNA分子∶a只含15N，b同时含14N和15N，c只含14N，则下图所示这三种DNA分子的比例正确的是（ ）

思路解析：假设亲代DNA分子为n个，则繁殖四代后，DNA分子总数为16n，其中，只含15N的DNA分子为0个，同时含14N和15N的分子为2n个，只含14N的分子有14n个，则它们呈现的比例为D图所示。

答案：D

类型三：考查基因的表达相关计算

例3 已知一段mRNA含有30个碱基，其中A和G有12个，转录该段mRNA的DNA分子中应有C和T的个数是（ ） A. 12B. 24C. 18D. 30

思路解析：mRNA是以DNA的一条链为模板转录而成的单链。mRNA中C+U=30-12=18；转录mRNA的DNA片段应为双链结构，且A=T，G=C；DNA一条链上C+T=18，另一条链上C+T=12，所以转录的DNA片段中C+T=30。

答案：D

绿色通道：本题可用另一种方法解决：mRNA有30个碱基，转录形成mRNA的DNA分子应有60个碱基。碱基配对原则为A=T，G=C即A+G=T+C。所以该DNA分子中应有C和T的个数是30个。

变式训练1某蛋白质由n条肽链组成，氨基酸的平均相对分子质量为a，控制该蛋白质合成的基因含b个碱基对，则该蛋白质的相对分子质量是（ ）

A. ab-6b+18nB. ab-6b

C. （b-a）×18D. ab-（b-n）18

思路解析：因为控制该蛋白质合成的基因含b个碱基对，所以，依此基因转录出的mRNA有b/3个密码子，也就是有b/3个氨基酸。根据蛋白质相对分子质量的计算公式，则该蛋白质的相对分子质量为：ab/3-（b/3- n）×18。

答案：D

变式训练2 若一段信使RNA有60个碱基，其中A有a个，G有b个，那么，转录这段信使RNA分子的DNA分子片段中，A和C的个数一共有（ ）

A. a+b个B. （a+b）/2个

C. 40个D. 60个

思路解析：转录含有60个碱基的信使RNA分子的DNA分子片段中含有120个碱基，而在一段双链DNA中，嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数，据此可知A和C的个数一共有60个。

答案：D

变式训练 3 双链DNA分子中，C占38%，其中一条链中的T占5%，那么另一条链中T占该单链的（ ）

A. 76%B. 5%C. 19%D. 38%

思路解析：假设DNA分子每条链中含有100个碱基，则此双链DNA分子中共有76（38%×200）个C总，则C总+G总=76+76=152。又由于T1=5%×100=5。则T1+A2（因为T1=A2）=5+5=10，则T2+A1=200-152-10=38，又由于T2=A1，则T2=19，占此链的19/100=19%。

DNA在金薄膜表面上的拉直研究 篇4

关键词：DNA,金薄膜,APS,拉直

需要拉直DNA的原因有许多。用拉直反转录DNA制备芯片标记, 可以增强吸附序列的接近和提高它们的密度。在基因组分析中, 将DNA样品拉直在固体表面后, 由于可以准确的获知探针结合的空间位置, 己经被广泛地应用于限制性内切酶图谱的光学绘图[1]和各种杂交研究[2], 在DNA复制与转录、基因组的缺失与重排、疾病基因的定位等方面显示了巨大的应用价值[3]。拉直的DNA还可以用于单分子测序, 一种策略是用外切酶从拉直的DNA分子一端依次切下单个碱基[4], 另一种设想就是用扫描探针技术, AFM或STM来直接读取测序[5], 这样就需要将DNA梳直在薄膜电极的表面, 金薄膜就是很好的导电电极, 本文主要研究了将DNA拉直在金薄膜电极上的实验方法, 为用扫描探针技术进行DNA单分子测序提供参考和借鉴。

1 实验材料和仪器

小牛胸腺DNA纤维、3-氨基丙基三乙氧基硅烷 (a-aminopropyl trie th oxy silane, APS) 购自SIGMA公司;云母为国产褐云母;Parafilm膜购自美国American National Can公司;实验用水为四次蒸馏水;TE缓冲液为40m Mol/L Tris-Hcl和5m Mol/L EDTA混合溶液其PH值为8.0。

AFM为俄罗斯NT-MDT公司产品 (P47-Ⅲ) ;针尖购自俄罗斯Silicon MDT公司。

利用沈阳科仪公司生产的激光分子束外延 (L-MBE) 系统, 使用Kr F准分子激光, 脉冲能量为110m J, 频率为8Hz, 制备了金薄膜, 其AFM形貌如图1所示。实验所用靶材为99.999%的Au靶, 真空为1.2×10-7Pa。为了保证薄膜的均匀性, 在制备过程中衬底与靶材保持同速旋转。为了得到粗糙度较小薄膜, 薄膜衬底选用新解理的云母片, 薄膜厚度约为70nm。

2 实验结果与分析

2.1 在APS-Au膜上拉直DNA

Au膜本身不能吸附DNA分子。新鲜的云母表面也不能吸附DNA, 但用APS处理后, 云母表面可以吸附DNA。我们用类似的方法处理Au膜。Au膜用10%的APS溶液浸泡3分钟, 用四次蒸馏水充分冲洗后, 吹干形成APS-金膜。处理后的Au膜表面可以吸附个别的DNA分子。将10ng/μl DNA按照“动态分子梳”Dynamic Molecular C ombing, D MC) 方法[6]的方法铺在APS-金膜上, 图2为吸附了DNA的Au表面的AFM图像, 可见DNA极为稀少, 但是舒展的很直。

APS处理的Au表面之所以能够吸附DNA分子, 事实上仍然是APS本身的作用。APS不能和Au结合, Au膜是由纳米颗粒组成的疏松薄膜, 当Au薄膜上的APS溶液被洗净吹干后, 最表层的APS虽然被去除, 但在由于APS溶液的表面张力较水要小, 颗粒缝隙之间仍然残留少量APS。对于粗糙的表面, 缝隙中的APS离表面较远, DNA分子与表面接触时, 不能与APS接触, 因而不能被吸附。但表面较平整的Au膜上, APS可以与溶液中的DNA分子接触, 因而可以吸附DNA。实验发现这种方法虽然能拉直DNA, 但是不同Au薄膜的粗糙度不同, 就是同一薄膜不同宏观点粗糙度也不同, 因此扫描到DNA的概率小于10%;若采用高浓度的DNA溶液, 发现DNA的概率几乎没有提高。

2.2 直接拉直沉积

基于以上的分析, 尝试将DNA在Au薄膜表面直接拉直沉积。根据分子梳方法的原理[6], 只要将DNA溶液降低到合适的浓度, 然后将10μl DNA溶液滴在Au薄膜表面则随着液滴的干燥, DNA就被自然拉直在Au薄膜表面。实验发现DNA浓度在0.1-0.2 ng/μl之间较为合适, 其AFM形貌图如图3所示。

3 结束语

实验研究了DNA分子在金薄膜表面的拉直方法。结果表明, 将10ng/μl DNA拉直在APS-金膜上, DNA条数极为稀少, 若采用高浓度的DNA溶液, 但发现DNA的概率几乎没有提高;将DNA在Au薄膜表面直接拉直沉积, 其浓度在0.1-0.2 ng/μl之间较为合适。此结果为用扫描探针技术进行DNA单分子测序提供参考和借鉴。

参考文献

[1]Schwartz D C, Li X, H ernandezL I, etc.Ordered restriction maps of Saccharomyces cerevisiae chromosomes Constructed by op-tical mapping[J].Science, 1993, 262:110-114.

[2]Schena M, Shalon D, Davis R W, etc.Quantitative monitoring of gene expression paterns with acomplementary DNA microarray[J].Science, 1995, 270:467-470.

[3]Hdrrick J, Michalet X, Conti C, ect.Quantifying single gene copy number by measuring fluoerscent probe lengths on combed genomic DNA[J].Proc Nad Acad Sci, USA2000, 97:222-227.

[4]Brakmann S, Lobermann S.A further step towards single-molecule sequencing:Escherichia coli exonuclease III degrades DNA that is fluorescently labeled at each base pair[J].Angew Chem Int Ed., 2002, 41:3215-3217.

[5]Michalet X.Stretching single-stranded DNA on a surface[J].Nano Leters2001, 1:341-343.