[發(fā)明專(zhuān)利]基于DNA鏈置換的四位超前進(jìn)位加法器電路的實(shí)現(xiàn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910845537.0
• 申請(qǐng)日: 2019-09-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110569975B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-02-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫軍偉;凌丹;姜素霞;呂傲龍;王延峰;王英聰;黃春;方潔;張勛才;王妍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 鄭州輕工業(yè)學(xué)院
• 主分類(lèi)號(hào): G06N3/12
• 分類(lèi)號(hào): G06N3/12;G06F7/50
• 代理公司: 鄭州優(yōu)盾知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 41125
• 代理人: 栗改

本發(fā)明提出了一種基于DNA鏈置換的四位超前進(jìn)位加法器電路的實(shí)現(xiàn)方法，其步驟為：基于DNA鏈置換反應(yīng)研究DNA鏈置換反應(yīng)原理，設(shè)計(jì)出一種基于DNA鏈置換的模型，實(shí)現(xiàn)邏輯異或運(yùn)算，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出生化電路模型；基于生化邏輯門(mén)設(shè)計(jì)出四位超前進(jìn)位加法器的生化電路，使用Visual DSD軟件對(duì)邏輯電路進(jìn)行仿真分析。本發(fā)明在四位超前進(jìn)位加法器中所有位數(shù)的進(jìn)位是同時(shí)產(chǎn)生，并且相互之間不影響，雖然電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但運(yùn)算速度更快。本發(fā)明驗(yàn)證了四位超前進(jìn)位加法器邏輯電路的動(dòng)力學(xué)行為，證明電路的合理性及有效性；對(duì)以后構(gòu)建更復(fù)雜的邏輯運(yùn)算電路提供了基本的理論基礎(chǔ)，促進(jìn)了生物計(jì)算機(jī)的發(fā)展，從而提高生物計(jì)算機(jī)邏輯電路的可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及DNA鏈置換的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于DNA鏈置換的四位超前進(jìn)位加法器電路的實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)

在當(dāng)前快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)時(shí)代，結(jié)合計(jì)算機(jī)和分子生物學(xué)科的DNA計(jì)算是一個(gè)新的研究領(lǐng)域。自然界中有很多包含著非常豐富信息處理機(jī)制的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和物理反應(yīng)過(guò)程，考慮到生物分子不僅具有良好的可操作性還有納米級(jí)的空間尺寸等這些優(yōu)勢(shì)，發(fā)現(xiàn)這種生物分子為利用生物分子元件組裝集成的生物計(jì)算機(jī)提供了更大的可能性，而生物計(jì)算一個(gè)重要的發(fā)展方向就是頗受關(guān)注的DNA計(jì)算，DNA計(jì)算也是將要進(jìn)行詳細(xì)研究和不斷探索的一個(gè)重要方向。1994年美國(guó)科學(xué)家Adleman在一支裝有特定DNA的試管中巧妙的解決了旅行商N(yùn)P問(wèn)題，僅僅用了7天時(shí)間，但是以當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)水平來(lái)看所需要至少大約兩年以上的時(shí)間，因此這個(gè)問(wèn)題的解決開(kāi)創(chuàng)了DNA計(jì)算機(jī)的新紀(jì)元。DNA計(jì)算還衍生出了DNA自組裝、DNA折紙術(shù)、DNA單鏈自組裝、DNA鏈置換等技術(shù)。本發(fā)明主要利用的是DNA鏈置換相關(guān)原理和技術(shù)。

DNA計(jì)算已經(jīng)處理了大量的分子操作，如自組裝、熒光標(biāo)記、鏈置換和探針機(jī)等。DNA鏈置換技術(shù)是在DNA自組裝技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，因此，DNA自組裝技術(shù)和DNA鏈置換技術(shù)是DNA納米技術(shù)研究的兩大重要支撐技術(shù)。利用DNA鏈置換反應(yīng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字計(jì)算而且能夠?qū)崿F(xiàn)模擬計(jì)算，構(gòu)造DNA分子電路不僅能夠?qū)崿F(xiàn)加、減、乘、除模擬算術(shù)運(yùn)算，而且還能夠解決方程的根的求解問(wèn)題。DNA鏈置換與DNA折紙術(shù)結(jié)合構(gòu)建的DNA納米結(jié)構(gòu)可用于智能藥物的載體，可特異性的與靶細(xì)胞結(jié)合釋放藥物起到靶向治療的目的，避免損害正常的細(xì)胞。DNA生物傳感器可用于檢測(cè)有毒的生物分子如致癌的黃曲霉素分子和HIV分子，發(fā)揮快速檢測(cè)以及方便實(shí)用的特點(diǎn)。此外，DNA鏈置換技術(shù)憑借高容量信息積累、高性能并行計(jì)算、編程以及仿真的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在分子計(jì)算、納米機(jī)器、診斷和疾病治療領(lǐng)域得到了深入的研究。DNA鏈置換技術(shù)在解決數(shù)學(xué)問(wèn)題、管理納米機(jī)器和討論生命歷程方面也具有很大的研究意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有的串行進(jìn)位加法器是由低級(jí)到高級(jí)逐級(jí)產(chǎn)生進(jìn)位，運(yùn)算速度慢的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于DNA鏈置換的四位超前進(jìn)位加法器電路的實(shí)現(xiàn)方法，基于復(fù)合鏈置換原理設(shè)計(jì)了十六輸入十輸出的四位超前進(jìn)位加法器的生化邏輯電路，利用Visual DSD仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證，闡明了其DNA鏈置換反應(yīng)的工作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的加法器運(yùn)算功能，且實(shí)現(xiàn)了4個(gè)互不影響的進(jìn)位計(jì)算結(jié)果，較一般加法器更快更準(zhǔn)確。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于DNA鏈置換的四位超前進(jìn)位加法器電路的實(shí)現(xiàn)方法，其步驟如下：

步驟一：基于DNA鏈置換反應(yīng)研究DNA鏈置換的反應(yīng)原理：具有小支點(diǎn)域的DNA單鏈與相匹配的DNA雙鏈發(fā)生小支點(diǎn)域堿基互補(bǔ)配對(duì)反應(yīng)，置換出輸出鏈，小支點(diǎn)域堿基互補(bǔ)配對(duì)反應(yīng)是可逆且可級(jí)聯(lián)的；

步驟二：采用雙軌的思想將四位超前進(jìn)位加法器的邏輯電路轉(zhuǎn)化為雙軌電路，并設(shè)計(jì)分子組合邏輯門(mén)，利用DNA單鏈設(shè)計(jì)輸入信號(hào)鏈、輸出信號(hào)鏈及對(duì)應(yīng)的報(bào)道門(mén)DNA鏈；

步驟三：將步驟二中雙軌電路的與、或邏輯門(mén)轉(zhuǎn)化為蹺蹺板門(mén)，使用Visual DSD進(jìn)行對(duì)隨機(jī)抽取的異或邏輯門(mén)的邏輯功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證；通過(guò)蹺蹺板門(mén)級(jí)聯(lián)步驟二設(shè)計(jì)的分子組合邏輯邏輯門(mén)得到超前進(jìn)位加法器分子組合生化電路；