高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于DNA域编码的余三码四位减法器的设计

黄春 郭毅飞 张新雅 孙军伟 王英聪 李盼龙 王延峰

黄春, 郭毅飞, 张新雅, 孙军伟, 王英聪, 李盼龙, 王延峰. 基于DNA域编码的余三码四位减法器的设计[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(6): 2110-2118. doi: 10.11999/JEIT210216
引用本文: 黄春, 郭毅飞, 张新雅, 孙军伟, 王英聪, 李盼龙, 王延峰. 基于DNA域编码的余三码四位减法器的设计[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(6): 2110-2118. doi: 10.11999/JEIT210216
HUANG Chun, GUO Yifei, ZHANG Xinya, SUN Junwei, WANG Yingcong, LI Panlong, WANG Yanfeng. Design of Four-bit Subtracter Using Excess-3 Code Rules Based on DNA Domain Coding[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(6): 2110-2118. doi: 10.11999/JEIT210216
Citation: HUANG Chun, GUO Yifei, ZHANG Xinya, SUN Junwei, WANG Yingcong, LI Panlong, WANG Yanfeng. Design of Four-bit Subtracter Using Excess-3 Code Rules Based on DNA Domain Coding[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(6): 2110-2118. doi: 10.11999/JEIT210216

基于DNA域编码的余三码四位减法器的设计

doi: 10.11999/JEIT210216
基金项目: 国家重点研发项目(2017YFE0103900),国家自然科学基金(U1804262, 61603348, 61632002, 61702463),中原千人计划(204200510003),食管癌防治国家重点实验室开放基金(K2020-0010, K2020-0011),河南省科技攻关项目(202102310202)
详细信息
    作者简介:

    黄春:女,1979年生,副教授,研究方向为生物信息处理

    郭毅飞:女,1985年生,硕士生,研究方向为生物信息处理

    张新雅:女,1997年生,硕士生,研究方向为生物信息处理

    孙军伟:男,1984年生,副教授,研究方向为生物信息处理

    王英聪:男,1987年生,博士,研究方向为生物信息处理

    李盼龙:男,1989年生,博士,研究方向为生物信息处理

    王延峰:男,1973年生,教授,研究方向为生物信息处理

    通讯作者:

    王延峰 yanfengwang@yeah.net

  • 中图分类号: TN791; TP301

Design of Four-bit Subtracter Using Excess-3 Code Rules Based on DNA Domain Coding

Funds: The National Key R & D Program of China (2017YFE0103900), The National Natural Science Foundation of China (U1804262, 61603348, 61632002, 61702463), The Zhongyuan Thousand Talents Program (204200510003), The Open Fund of State Key Laboratory of Esophageal Cancer Prevention and Treatment (K2020-0010, K2020-0011), The Technology Program of Henan Province (202102310202)
  • 摘要: DNA分子逻辑电路的设计是DNA计算领域的重要研究方向。该文针对当前双轨分子逻辑电路复杂度高、响应时间慢的问题,提出一种基于域编码策略的DNA逻辑电路设计的新方法。该文设计了“多输入1输出”逻辑运算模块,构建了扇出门和放大器,并利用所构建的电路模块搭建了4位平方根分子逻辑电路,与经典的双轨策略下的4位平方根电路相比,反应物的数量由双轨的130种降低为61种,系统响应时间缩减为双轨的1/24,大大简化了电路的复杂度,提高了系统的响应速度,进一步验证了域编码策略在分子逻辑电路设计中的有效性。为了深度解析基于域编码策略的大规模复杂分子逻辑电路的设计思想,该文构造了“余三码四位减法器”,为设计大规模功能性DNA逻辑电路提供了更多的解决方案。
  • 图  1  域编码DNA信号链逻辑值的定义

    图  2  1输入逻辑运算模块、域编码荧光报告门的信号链及非门功能的实现

    图  3  2输入逻辑运算模块的组成及与门功能的实现

    图  4  3输入逻辑运算模块

    图  5  域编码2-扇出门信号链及反应过程

    图  6  域编码放大器信号链及反应过程

    图  7  求取4位平方根的逻辑原理图

    图  8  基于域编码逻辑运算模块设计的4位平方根仿真图

    图  9  余三码4位二进制减法器逻辑图

    图  10  余三码4位二进制减法器仿真图

    表  1  DNA信号链及逻辑值

    DNA信号链输入/输出逻辑值
    <j1L^ b j1R^ T^ u1L^ a u1R^>A00
    <j3L^ b j3R^ T^ u3L^ a u3R^>A10
    <j5L^ b j5R^ T^ u5L^ a u5R^>A20
    <j7L^ b j7R^ T^ u7L^ b u7R^>A31
    <j2L^ b j2R^ T^ u2L^ b u2R^>B01
    <j4L^ b j4R^ T^ u4L^ a u4R^>B10
    <j6L^ b j6R^ T^ u6L^ b u6R^>B21
    <j8L^ b j8R^ T^ u8L^ a u8R^>B30
    <j0L^ b j0R^ T^ u0L^ a u0R^>H00
    <j9L^ b j9R^ T^ u9L^ a u9R^>I00
    <j10L^ b j10R^ T^ u10L^ b u10R^>D01
    <j11L^ b j11R^ T^ u11L^ b u11R^>D11
    <j12L^ b j12R^ T^ u12L^ a u12R^>D20
    <j13L^ b j13R^ T^ u13L^ a u13R^>D30
    <wL^ a wR^ fluor01>Y000
    <pL^ b pR^ fluor12>Y111
    <qL^ b qR^ fluor22>Y211
    <mL^ a mR^ fluor31>Y300
    <nL^ a nR^ fluor33>I400
    下载: 导出CSV
  • [1] LLOYD S. Ultimate physical limits to computation[J]. Nature, 2000, 406(6799): 1047–1054. doi: 10.1038/35023282
    [2] 杨姗, 李金玉, 崔玉军, 等. DNA计算的发展现状及未来展望[J]. 生物工程学报, 2021, 37(4): 1120–1130. doi: 10.13345/J.cjb.200408

    YANG Shan, LI Jinyu, CUI Yujun, et al. The current status and future prospects of DNA computing[J]. Chinese Journal of Biotechnology, 2021, 37(4): 1120–1130. doi: 10.13345/J.cjb.200408
    [3] 赵云彬, 周士华. DNA逻辑计算模型的研究现状与展望[J]. 计算机应用研究, 2019, 36(11): 3201–3209. doi: 10.19734/j.issn.1001-3695.2018.07.0512

    ZHAO Yunbin and ZHOU Shihua. Research status and prospect of DNA-based logic computing models[J]. Application Research of Computers, 2019, 36(11): 3201–3209. doi: 10.19734/j.issn.1001-3695.2018.07.0512
    [4] ADLEMAN L M. Molecular computation of solutions to combinatorial problems[J]. Science, 1994, 266(5187): 1021–1024. doi: 10.1126/science.7973651
    [5] WANG Yanfeng, WANG Panru, HUANG Chun, et al. Five-input cube-root logical operation based on DNA strand displacement[J]. Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics, 2018, 13(6): 831–838. doi: 10.1166/jno.2018.2324
    [6] WANG Yanfeng, LI Zhi, and SUN Junwei. Three-variable chaotic oscillatory system based on DNA strand displacement and its coupling combination synchronization[J]. IEEE Transactions on NanoBioscience, 2020, 19(3): 434–445. doi: 10.1109/TNB.2020.2989577
    [7] 周万琦, 仇虎, 郭宇锋, 等. 基于二维材料纳米孔的生物传感器: 计算和模拟研究进展[J]. 科学通报, 2021, 66(6): 657–673. doi: 10.1360/TB-2020-1051

    ZHOU Wanqi, QIU Hu, GUO Yufeng, et al. Two-dimensional material nanopores as biosensors: Recent progress based on computations and simulations[J]. Chinese Science Bulletin, 2021, 66(6): 657–673. doi: 10.1360/TB-2020-1051
    [8] 王君珂, 印珏, 牛人杰, 等. DNA计算与DNA纳米技术[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(6): 1313–1325. doi: 10.11999/JEIT190826

    WANG Junke, YIN Yu, NIU Renjie, et al. DNA computing and DNA nanotechnology[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2020, 42(6): 1313–1325. doi: 10.11999/JEIT190826
    [9] 张文彬. DNA纳米机器: 梦想照进现实[J]. 高分子学报, 2021, 52(4): 335–338. doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2020.20275

    ZHANG Wenbin. DNA Nano-robot: What dreams may come[J]. Acta Polymerica Sinica, 2021, 52(4): 335–338. doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2020.20275
    [10] 赵彦, 郭琳洁, 代江兵, 等. DNA纳米结构在药物转运载体和智能载药中的应用进展[J]. 分析化学, 2017, 45(7): 1078–1087. doi: 10.11895/j.issn.0253-3820.170157

    ZHAO Yan, GUO Linjie, DAI Jiangbing, et al. Application progress of DNA nanostructures in drug delivery and smart drug carriers[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2017, 45(7): 1078–1087. doi: 10.11895/j.issn.0253-3820.170157
    [11] TASCIOTTI E. Smart cancer therapy with DNA origami[J]. Nature Biotechnology, 2018, 36(3): 234–235. doi: 10.1038/nbt.4095
    [12] 斯燕方, 殷志祥, 崔建中, 等. 简单0-1规划问题的动态DNA折纸计算模型[J]. 计算机工程与应用, 2020, 56(4): 168–174. doi: 10.3778/j.issn.1002-8331.1812-0293

    SI Yanfang, YIN Zhixiang, CUI Jianzhong, et al. Dynamic DNA origami computing model for simple 0-1 programming problem[J]. Computer Engineering and Applications, 2020, 56(4): 168–174. doi: 10.3778/j.issn.1002-8331.1812-0293
    [13] 李伟哲, 刘露, 张辉, 等. PCR技术在水产动物疾病检测中的应用[J]. 水产科学, 2019, 38(5): 726–733. doi: 10.16378/j.cnki.1003-1111.2019.05.021

    LI Weizhe, LIU Lu, ZHANG Hui, et al. Applications of PCR technology in diseases diagnosis in aquaculture animals[J]. Fisheries Science, 2019, 38(5): 726–733. doi: 10.16378/j.cnki.1003-1111.2019.05.021
    [14] SU Haomiao, XU Jinglei, WANG Qi, et al. High-efficiency and integrable DNA arithmetic and logic system based on strand displacement synthesis[J]. Nature Communications, 2019, 10(1): 5390. doi: 10.1038/S41467-019-13310-2
    [15] ZOU Chengye, WEI Xiaopeng, ZHANG Qiang, et al. Four-analog computation based on DNA strand displacement[J]. ACS Omega, 2017, 2(8): 4143–4160. doi: 10.1021/acsomega.7b00572
    [16] LIU Na, XU Kai, LIU Liquan, et al. A star-shaped DNA probe based on strand displacement for universal and multiplexed fluorometric detection of genetic variations[J]. Microchimica Acta, 2018, 185(9): 413. doi: 10.1007/s00604-018-2941-0
    [17] YAN Shankai and WONG K C. Future DNA computing device and accompanied tool stack: Towards high-throughput computation[J]. Future Generation Computer Systems, 2021, 117: 111–124. doi: 10.1016/j.future.2020.10.038
    [18] QIAN Lulu and WINFREE E. Scaling up digital circuit computation with DNA strand displacement cascades[J]. Science, 2011, 332(6034): 1196–1201. doi: 10.1126/science.1200520
    [19] SONG Tianqi, ESHRA A, SHAH S, et al. Fast and compact DNA logic circuits based on single-stranded gates using strand-displacing polymerase[J]. Nature Nanotechnology, 2019, 14(11): 1075–1081. doi: 10.1038/s41565-019-0544-5
    [20] WANG Fei, LV Hui, LI Qian, et al. Implementing digital computing with DNA-based switching circuits[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 121. doi: 10.1038/s41467-019-13980-y
    [21] CARDELLI L. Strand algebras for DNA computing[J]. Natural Computing, 2011, 10(1): 407–428. doi: 10.1007/s11047-010-9236-7
    [22] LAKIN M R, YOUSSEF S, POLO F, et al. Visual DSD: A design and analysis tool for DNA strand displacement systems[J]. Bioinformatics, 2011, 27(22): 3211–3213. doi: 10.1093/bioinformatics/btr543
  • 加载中
图(10) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  852
  • HTML全文浏览量:  411
  • PDF下载量:  63
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-15
  • 修回日期:  2021-07-18
  • 网络出版日期:  2021-07-27
  • 刊出日期:  2022-06-21

目录

    /

    返回文章
    返回