基于DNA Tile的多维分子计算研究
批准号:
62072129
项目类别:
面上项目
资助金额:
57.0 万元
负责人:
石晓龙
依托单位:
学科分类:
生物信息计算与数字健康
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
石晓龙
中文摘要
以DNA计算为基础的生物计算是目前非传统计算领域的主要研究方向之一。目前DNA Tile自组装运算规模已经达到百万个逻辑单元组装,计算误差可控制在千分之一以内,可对6位2进制数进行整除判断,其计算能力已经超过现有其他的非传统计算模型。但是,当前的DNA计算研究主要通过模仿半导体逻辑单元的功能进行算法自组装,无法超越现有电子计算机或者对电子计算机计算能力形成有效的补充。本项目拟基于全新的探针计算模型,充分利用DNA计算的底层全并行特点,从DNA计算的基本单元Tile的编码设计与三维空间结构设计入手,构建可在三维空间进行可靠探针运算的DNA Tile单元,并用于解决诸如图的着色问题等NP完全问题的研究。通过热力学仿真与DNA Tile自组装实验构建求解图计算问题的多维并行分子计算模型,为DNA计算的发展提供理论与实验基础。
英文摘要
Biological computing based on DNA Computing is one of the main research directions in the field of non-traditional computing..At present, the scale of DNA Computing has reached millions of logical unit, and the calculation error can be controlled within one thousandth, and judge the division of 6-digit binary numbers as well. The calculation capacity of DNA Computing has exceeded other existing non-traditional calculation models..However, the current research of DNA computing is mainly based on the simulation of the function of semiconductor logic unit for algorithm self-assembly, which cannot surpass the existing electronic computers or supplement the computing power of electronic computers effectively..Based on a new Probe Machine model, this project will make use of the full parallelism characteristic of DNA computing. Starting from the coding design and three-dimensional spatial structure design of the basic DNA computing unit, we will design DNA Tiles that can perform reliable probe computing in three-dimensional space. Research on solving NP complete problems such as coloring of Graphs based on Probe Machine DNA Tiles. .Through thermodynamic simulations and DNA tile self-assembly experiments, a multi-dimensional parallel molecular computing model will be constructed to solve graph computing, which can provide theoretical and experimental basis for the development of DNA computing.
DNA计算凭借其高度并行性和巨大的信息存储能力,已成为当前非传统计算领域的主要研究方向之一。项目旨在通过全新的探针计算模型,充分利用DNA计算的底层全并行特点,构建可在三维空间进行可靠探针运算的DNA Tile单元,解决诸如图的着色问题等NP完全问题,为DNA计算的发展提供理论与实验基础。主要研究内容包括:1)DNA Tile编码设计与三维空间结构设计;2)探针计算模型开发;3)热力学仿真与实验验证。.项目取得的主要结果如下:.1..DNA折纸探针计算平台:成功设计并实现了基于DNA折纸结构的探针计算平台,能够进行八位累加异或运算,并通过实验验证了其可靠性和高效性。相关成果发表在Nanoscale期刊上。.2..六个顶点三着色问题的探针计算:通过DNA折纸和单链DNA探针库的设计,成功解决了六个顶点三着色问题,展示了探针计算机的优越性。相关成果发表在ACS Synthetic Biology期刊上。.3..DNA分子Tile与DNA折纸基底的组装研究:利用深度学习技术(YOLOv5框架)对DNA折纸结构进行目标检测,显著提高了检测精度。相关成果发表在ACS Synth. Biol.期刊上。.4..基于DNA分子序列的存算一体化数据编码存储:设计了DNA随机码编码器,实现了1.78 Bit/nt的存储密度,显著提升了编码纠错能力和信息度分布值。相关成果发表在Frontiers in Genetic和Frontiers in Bioinformatics期刊上。.5..单链DNA编码数据的DNA链置换计算系统:研究了DNA链置换(DSD)的计算系统及其应用,开发了相关工具,解决了反应速率、泄漏、稳定性和可扩展性等问题。相关成果发表在Frontiers in Genetics期刊上。.6..指令响应型可编程计算系统:设计并实现了具有八个相互独立可编程边缘的DNA折纸构建模块(DOBPs),能够根据指令集组装成多种二维阵列,展示了布尔逻辑门“与”和“异或”计算的示例。相关成果发表在Nucleic Acids Research期刊上。. 本项目通过全新的探针计算模型和三维空间DNA Tile设计,显著提升了DNA计算的能力和效率,为解决复杂问题提供了新的思路和方法。通过本项目的研究,我们期望为DNA计算领域带来新的突破,推动其在非传统计算中的应用和发展。
基于脑神经连接模型的并行DNA计算系统
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批准号:62332006
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项目类别:重点项目
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资助金额:229万元
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批准年份:2023
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负责人:石晓龙
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依托单位:
国内基金
海外基金