基于DNA计算的遗传算法及应用研究

浙江大学

博士学位论文

基于DNA计算的遗传算法及应用研究

姓名：陶吉利

申请学位级别：博士

专业：控制科学与工程

指导教师：王宁

20070401

浙江大学博士学位论文

１．２ＤＮＡ计算的生物基础

１．２．１ＤＮＡ分子结构

ＤＮＡ是ＤＮＡ计算中起中心作用的分子，携带着生物的遗传信息。ＤＮＡ分子是一种高分子化合物，组成它的基本单位是脱氧核苷酸。四种核苷酸或脱氧核苷酸按照一定的排列顺序以３，和５’磷酸二酯键相连形成的多聚核苷酸或脱氧核苷酸，称为核苷酸序列，也称为碱基序列。核苷酸的区别仅在于碱基，腺嘌呤（ａｄｅｎｉｎｅ）和鸟嘌呤（ｇｕａｎｉｎｅ），记为Ａ和Ｇ；胞嘧啶（ｃｙｔｏｓｉｎｅ）和胸腺嘧啶（ｔｈｙｍｉｎｅ），记为Ｃ和Ｔ。脱氧核许酸或核苷酸的连接具有严格的方向性，前一核苷酸的３，－ＯＨ与下一核苷酸的５’磷酸间形成３，－５７磷酸二酯键，构成一个没有分支的线性大分子，如图１－１所示。ＤＮＡ书写方向从５’到３，。方向性是了解ＤＮＡ功能和操作的关键，同时也是建立ＤＮＡ计算模型的关键。ＲＮＡ是另一种对活性细胞起重要作用的聚合物，其结构与ＤＮＡ的结构非常接近。在ＲＮＡ中嘧啶为胞嘧啶和尿嘧啶，Ｕ代替了ＤＮＡ的Ｔ。

图１－１ＤＮＡ生物结构图ｌ－２ＤＮＡ双螺旋结构

一个核苷酸的羟基可与另一个核苷酸的羟基相互作用可形成一种较弱的氢键，键的形成遵从如下配对原则：Ａ和Ｔ配对，Ｃ和Ｇ配对。这种配对原则称为Ｗａｔｓｏｎ－Ｃｒｉｃｋ互补性原则。从图１－１可以看出，ＤＮＡ通过磷酸二酯键，可组成ＤＮＡ单链，利用互补性原则，单链很容易形成双链分子。两条极长的核苷酸利用碱基之间的氢键结合在一起，形成一条双股的螺旋结构，如图ｌ－２所示。事实上，将ＤＮＡ双链分子表示为以Ｗａｔｓｏｎ－Ｃｒｉｃｋ互补性原则结合在一起的两条线性链已经是对现实情况的一大简化了。

１．２．２ＤＮＡ计算生物操作

ＤＮＡ计算是通过结合各种生物操作来实现的。对ＤＮＡ分子的操作，既有物理的也有化学的。物理操作实质上是调控生化反应的外部条件，例如温度、酸碱度等等。而各种生化操作主要是通过各种酶的操作。下面介绍一些ＤＮＡ计算中的重要操作【…。

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