dna分子与生物计算

dna分子与生物计算

1关于dna计算的研究子生物计算主要分为三种类型：蛋白质计算、钠计算和dna计算。蛋白质计算模型的研究始于20世纪80年代中期。科拉德首次提出了使用蛋白质作为计算装置的生物计算机模型。1995年，bir利用信息的紫红质蛋白分子具有良好的“二元性”。bir的同事和其他研究人员已经准备好了用原始蛋白质制作的光学装置。存储信息的能力比现有计算机存储设备高300倍。该装置包含了以薄紫色蛋白质为特征的计算机模型，并使用激光束进行信息输入和读取。然而，蛋白质计算机是考虑利用蛋白质的二元性研究模拟图灵机意义上的计算机模型。它属于纳米计算机家族。椰子分子的异质化反应是由不同的蛋白质计算机算法机和生化反应引起的。更准确地说，这是一个基于核酸分子之间的特异性混合而不同蛋白质计算机机的计算模型。由于dna分子不仅易于实验操作中使用dna分子，而且分子量中也不如dna分子，因此目前的钠计算研究相对较少。对于读者来说，请参考文献。相对而言,由于Adleman所建立的基于生化反应机理的DNA计算模型在运行速度和信息的存储上业已引起许多不同学科的学者们的关注与兴趣,使得关于DNA计算的研究发展很快.目前人们在诸如模型、编码、运算系统、解的检测、生物操作技术以及应用等很多方面都有了深入的研究.关于DNA计算的模型,从DNA分子特性与生物酶的功能机理角度来分,可分为粘贴模型、剪接模型、自动机模型、自组装模型、发夹DNA计算模型、质粒DNA计算模型、k-臂DNA计算模型以及RNA计算模型等;从生化操作角度来分,可分为试管型、表面计算模型、芯片计算模型以及凝胶电泳计算模型以及PCR-DNA计算机模型等;从应用方面看,有基因表达分析的DNA计算模型;从模拟图灵机方面看,已有图灵机-DNA计算机模型、布尔DNA计算机模型(或称为分子纳米计算机模型)和有穷自动机模型等.编码问题是DNA计算机研究中的一个关键问题,在此方面,Baum等人首先注意到编码的重要性,并给出了降低DNA序列间的相似度的算法;随后,Feldkamp等也研究了降低DNA序列间相似度的算法;Garzon给出了DNA计算编码问题定义;Deaton等人认为DNA计算中的编码问题是一个困难的NP-完全问题,并首次将遗传算法应用于DNA计算中的编码搜索和优化;Frutos等提出了模板编码的思想;Hartemink等建立了一个基于热力学DNA杂交反应的模拟软件;Deaton首次将信息论中熵的概念引入DNA计算;Garzon则提出了一个基于4个编码字母的超立方体的概念,试图借鉴二进制超立方体的理论对编码进行研究.2005年,Tanaka等人给出了设计具有统一解链温度的多重核酸序列的一种新的算法,并且在基于最小自由能量的情况下,不和非特定的物质进行杂交.我们课题组最近几年来也对DNA计算编码问题进行了研究,得到了基于遗传算法与常规算法的一些结果,特别是对DNA计算机的编码问题进行了较为系统的研究.通过近几年的研究,我们逐渐地认识到,DNA计算的编码可分为两种类型,一类是所谓的基本型编码,另一类是所谓的综合型编码.我们对这两类编码进行了较为详细、系统的研究,成果另文讨论.DNA计算中的检测问题是当前DNA计算机研究中最困难的问题之一.目前在DNA计算研究中,关于检测问题一直是困惑DNA计算发展的一个障碍,基本上是采用常规的生物检测方法,这些方法主要有电泳技术、毛细管电泳技术、PCR扩增方法、层析技术、磁珠分离、AcryditeTM技术、DNA传感技术、荧光标记方法、分子信标方法、测序技术以及生物酶技术等.在已有的研究中,大多是采用这些检测技术来寻找问题的解.我们最近的研究结果表明:将DNA计算解的检测问题与诸如编码问题、“解空间大小”等问题结合起来综合处理,并将诸如生物酶、DNA分子的发夹构型以及荧光标记,特别是分子信标技术有机地结合起来,是当前DNA计算机研究中关于解的检测问题的一条较好的解决途径.2dna计算中的应用DNA计算是以DNA分子作为数据,以生物酶和生化操作作为信息处理“工具”的一种新的计算模式.众所周知,电子计算机是依靠电位的高低产生“二态”,其中一种状态用0来表示,另一种状态用1来表示,由此产生0-1序列来进行信息处理;而DNA计算则是对DNA序列通过可控的生化反应来进行信息处理.更确切地讲,DNA计算机的基本原理是DNA序列之间通过可控的“特异性杂交”来进行信息处理.因此,要研制出具有实用性的DNA计算机,需要克服当前DNA计算研制中所遇到的种种困难,特别是“解空间指数爆炸问题”(即随着问题规模的增大,所序列的DNA分子量呈指数上升)、解的检测问题等.最近的研究表明,要克服这些困难必须将优化算法(而不是枚举法)、DNA序列的编码、种种生化操作、解的检测问题与解空间大小等有机地结合起来.这就要求我们必须非常熟悉DNA分子的特性与结构.将DNA分子乃至核酸的结构与特性融入DNA计算研究之中来进行讨论是有意义的,也是必须的.核酸分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),业已证实,所有生物细胞都含有这两类核酸.其中DNA主要集中在细胞核内的染色质中,但细胞核外的线粒体和叶绿体等也含有DNA,此外,还有质粒DNA等.核酸最早是瑞士的F·Miescher于1870年从外科绷带上的脓细胞中分离出来的,由于它们是酸性的,并且最先是从细胞核中分离的,故称为核酸.1944年美国科学家Avery证明了DNA是遗传物质,从而大大地推动力核酸结构及其功能的研究;20世纪50年代原苏联科学家Chargaff发现了DNA的组成规律:A的数目=T的数目,G的数目=C的数目;A+G的数目=T+C的数目,称为Chargaff规则;1953年,Watson和Crick提出了著名的DNA双螺旋结构模型,从此拉开了分子生物学的序幕.科学家已经探索出了DNA分子的许多特性,并得到了广泛的应用,特别是基因工程方面.2.1戊糖及磷糖分子的结构和组成核酸是核苷酸的聚合物,即核酸是以核苷酸单位组成的生物高分子.核苷酸是由一分子磷酸,一分子戊糖和一分子有机碱缩合生成,其中RNA中的戊糖为核糖,而DNA中的戊糖为2-脱氧核糖,即核糖2-位上的羟基被氢取代(见图1).在图1中,我们分别给出了核糖和2-脱氧核糖的分子结构.核酸中的有机碱(基)分为两类:嘌呤和嘧啶,其中嘌呤是双环分子,而嘧啶是单环分子.嘌呤一般分为腺嘌呤(adenine,A)和鸟嘌呤(guanine,G)2种;嘧啶分为胸腺嘧啶(thymine,T)、胞嘧啶(cytosine,C)和尿嘧啶(uracil,U)3种,他们的名称和分子结构如图2所示.其中,腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶存在于RNA和DNA中,尿嘧啶只存在于RNA中,而胸腺嘧啶只存在于DNA之中.戊糖分子上的第1位C原子与嘌呤上的第9位N原子,或嘧啶上的第1位N原子,以β型C-N糖苷键连接而成为核苷.如果戊糖是脱氧核糖,形成的核苷就是脱氧核苷;如果戊糖是核糖,则形成的就是核糖核苷.核糖核苷共有4个:腺嘌呤核苷(腺苷)、鸟嘌呤核苷(鸟苷)、尿嘧啶核苷(尿苷)、胞嘧啶核苷(胞苷);脱氧核苷有4个,它们是:腺嘌呤脱氧核苷(脱氧腺苷)、鸟嘌呤脱氧核苷(脱氧鸟苷)、胸腺嘧啶脱氧核苷(胸苷)和胞嘧啶脱氧核苷(脱氧胞苷).如图3给出了全部4个核糖核苷和全部4脱氧核苷.核苷分子中的戊糖环上的羟基磷酸化,形成核苷酸,有时也称为磷酸核苷.从结构上讲,核苷与磷酸通过酯健结合即构成核苷酸或者脱氧核苷酸.更确切地讲,一个核苷分子或一个脱氧核苷分子中的戊糖C5′或C3′原子上的羟基与一个磷酸分子结合,就形成一个核苷酸(或脱氧核苷酸),有时也称为磷酸核苷.如一磷酸腺苷(AMP)和一磷酸脱氧腺苷(dAMP),这里“d”表示脱氧(deoxy-)之意.磷酸与核糖或脱氧核糖结合的部位通常是核糖或脱氧核糖的第3′位或第5′位碳原子.如图4给出了5′-腺嘌呤核苷酸(5′-AMP)和3′-胞嘧啶脱氧核苷酸(3′-dCMP).这里要说明的是:在戊糖上的所有的游离羟基(如核糖上的第2′位、第3′位及第5′位;脱氧核糖上的第3′位及第5′位)都可以与磷酸发生酯化反应,但生物体内多数核苷酸都是5′核苷酸.一般代号可略去5′,如5′-腺嘌呤核苷酸简称腺苷酸,其它类推.2.2-末端333我们把含有一个磷酸基的核苷酸称为一磷酸核苷.多个核苷酸以磷酸与戊糖相连顺序而成长链的多核苷酸分子,即成核酸的基本结构.所以,核酸的一级结构是指:核酸分子中核苷酸的排序(又称碱基顺序)以及核苷酸之间的连接方式.DNA分子的多核苷酸链是以数量不等的4种脱氧核苷酸通过3′～5′磷酸二酯键连接起来.所以,DNA分子的主链骨架是磷酸和脱氧核糖相间排列成的长链.线形DNA分子有两个游离的末端:脱氧核糖5′-OH末端,称5′-末端,以及脱氧核糖的3′-OH末端,称为3′-末端.一级结构的书写方向规定为5′-末端→3′-末端,如图5(a)所示.DNA分子的二级结构,通常又称为空间结构,是由Watson和Crick在1953年提出来的双螺旋结构模型(如图5(b)所示).其主要结构特点如下:(1)DNA分子是两条反向平行的多聚脱氧核苷酸链,围绕着同一中心轴盘旋而形成右手双螺旋结构;(2)每条主链由磷酸和脱氧核糖相间连接而成,位于螺旋外侧,碱基位于螺旋的内侧.碱基平面与螺旋的中心轴垂直,螺旋表面有两条螺旋型的凹槽:大沟和小沟;(3)双螺旋的直径是2nm,沿着中心轴每个螺旋周期有10个核苷酸对,螺距为3.4nm,碱对之间的距离为0.34nm;(4)两个键之间的碱基以氢键相互配对.A与T配,有2个氢键;G与C配,有3个氢键,如图5所示.DNA分子的三级结构是指双螺旋DNA分子的扭曲或再螺旋.超螺旋是DNA三级结构的一种重要的存在形式,如图5(c)所示.一般细胞线粒体内的DNA大多以这种形式存在.碱基配对是DNA分子很重要的一个性质,无论是在自然界还是基于人工技术的基因工程等,特别是在本文所言的DNA计算机,这个性质是最基本最重要的.故我们在图6中给出了碱基配对之间的示意图.DNA分子的双链通过碱基配对形成氢键进而形成双螺旋结构.因为几何形状等原因,A只与T配对,G只与C配对.A与T之间可形成2个氢键,G与C之间可形成3个氢键.配对的碱基在同一个平面上.3在计算dna时，dna分子的类型被选为在DNA计算研究中,几乎涉及到所有的DNA分子类型,诸如单链DNA分子、双链DNA分子、发卡DNA分子、环状DNA分子等.3.1以单链dna分子为数据的dna计算所谓单链DNA分子,实际上就是DNA分子的一级结构,即不同的核苷酸之间通过磷酸二酯键连接起来的一个核苷酸序列.由上一节已经知道,DNA分子的一级结构中磷酸与脱氧核糖的结构是不变的,而只有不同的核苷酸中的碱基序列在变化,故通过把核苷酸序列简称为碱基序列.并通常用A,C,G和T这四个字母来表示.如图5(a)中的核苷酸序列可表示为5′ACTG3′.在DNA计算中,已有不少学者以单链DNA分子作为信息处理的数据.如Adleman在文献中所建立的求解有向图的Hamiltion有向路DNA计算模型,利用单链DNA分子表示图的顶点,而构造图的边时则以边相邻的两个顶点的各一半序列构成.通过边的补链为模板进行杂交反应来获得所需要的有向路径.以单链DNA分子为数据的DNA计算模型已经不少,可参见文献.3.2单链dna分子还是双链dna分子在DNA计算中,有些模型是以双链DNA分子作为数据直接进行编码的.其实,对于DNA计算而言,双链与单链编码没有本质性区别,原因是单链的DNA分子在整个DNA计算中一般通过杂交反应变成双链.这是其一;其二,知道单链DNA分子,通过Waston-Crick互补关系实际上就等于知道了该单链DNA分子所对应的双链DNA分子,反过来,知道了一个双链DNA分子,同样通过Waston-Crick互补关系,自然等于知道了单链DNA分子.所以,在DNA计算中,应根据具体问题,可灵活采用单链还是双链DNA分子.这里,我们只给出本文对双链DNA分子的一些记号.对于一个给定的双链DNA分子,如5′ACΤGΤΤAAGA3′3′ΤGACAAΤΤCΤ5′5′ACTGTTAAGA3′3′TGACAATTCT5′我们通常用英文大写字母来表示,如用X来表示上述双链DNA分子,即X=5′ACΤGΤΤAAGA3′3′ΤGACAAΤΤCΤ5′X=5′ACTGTTAAGA3′3′TGACAATTCT5′我们通常用对应的英文小写字母来表示双链DNA分子中5′→3′的单链DNA分子,即双链的上半部分,而用小写英文字母来表示双链DNA分子中3′→5′的单链DNA分子,即双链的下半部分.于是,对于上例有:x=5′ACTGTTAAGA3′;ˉx=3′ΤGACAAΤΤCΤ5′.x¯=3′TGACAATTCT5′.有时在不致混淆的情况下,略去5′-端和3′-端.如对上例有x=ACTGTTAAGA.我们把x称为X的上链,而把ˉx称为X的下链.把x与ˉx称为互补链.通常将双链DNA分子X简记为X=σ(x)‚即表示由单链DNA分子x可生成双链DNA分子X.3.3发夹dna分子一些长的单链DNA分子在一定的条件下,通过氢键引力,按照Waston-Crick碱基配对原则,使得A与T、G与C之间形成氢键,从而导致部分单链DNA分子之间通过杂交形成双链,而部分没有杂交.例如,对于单链DNA分子x=5′ACTGTTAAGAGGGGATTATTCTTAACAGT3′容易看出前10个与后10个碱基序列对应Waston-Crick匹配,且在一定的条件下形成的结构如图7所示.我们把如图7所示的这种一端是双链,另一端是环状的DNA分子称为发夹DNA分子构型,或简称为发夹DNA分子.我们把发夹DNA分子中的双链部分称为它的径,把环状部分称为环.这方面进一步的讨论见第4.5节.发夹DNA分子在DNA计算与DNA计算机的研究中占有很重要的地位:(1)利用发夹DNA分子制作成分子信标,分子信标的基本结构如图8所示.分子信标技术在DNA计算中主要用于解的检测.这方面的研究已经不少,有关这方面更深入的讨论可参见本文中后面的有关章节;(2)将发夹DNA分子直接用于DNA计算,如文献中利用发夹DNA分子建立了用于求解可满足性问题的DNA计算模型;(3)将发夹DNA分子应用于疾病诊、疗DNA计算机模型的研究,其中在径部为诊断部分,而环部则为抑制疾病发展的一段DNA序列.这方面开拓性的工作是以色列学者EhudShapiro领导的研究组首先给出的.进一步的工作见文献.3.4环形双链质粒的结构质粒是基因工程中常用的载体之一,它具备作为基因工程的载体所具备的条件.质粒是一种亚细胞有机体,没有蛋白质外壳,没有细胞外的生命周期,它只能在寄主细胞内独立地增殖,并随着寄主细胞的分裂而被遗传下去,但它离开寄主的细胞就不能存活,它控制的许多生物学功能也是对寄主细胞的补偿.质粒具有自主复制和转录能力,能使子代细胞保持它们恒定的拷贝数,可表达它携带的遗传信息.质粒可独立地游离在细胞质内,也可以整合到细菌染色体中.业已发现,质粒分子存在于诸如原核生物细胞、真核生物细胞、格兰氏阳性细菌、格兰氏阴性细菌、真菌的线粒体、大肠杆菌等细胞和菌体中.质粒是一种染色体外的稳定遗传因子,大小在1～200kb,具有双链闭合环状结构的DNA分子,质粒的结构是比较简单的,它比病毒的结构还要简单.在大肠杆菌的菌株中,科学家们已经寻找到了多种不同类型的质粒,其中比较熟悉的有三种:F质粒、R质粒和Col质粒.其中的F质粒(又称F因子,或者性质粒)能够使寄主染色体上的基因和它们一道转移到原先不存在该质粒的受体细胞中去;R质粒通称抗药性因子,它们的编码有一种或多种抗菌素抗性基因,并且在通常能够将此种抗性转移到缺乏该质粒的适宜的受体细胞,使得该受体细胞也获得同样的抗菌素抗性能力;Col质粒,即所谓的产生大肠杆菌素因子.它们编码有控制大肠杆菌素合成的基因.大肠杆菌素是一类可以使不带有Col质粒的亲缘关系密切的细菌菌株致死的蛋白质.细菌质粒有线性质粒、杀伤质粒和环形双链质粒DNA.目前发现的质粒的绝大多数是后者.环形双链的DNA分子具有三种不同的构型:共价闭合环形DNA(SC构型,cccDNA)、开环DNA(通常称为OC构型,即ocDNA)以及线性L构型.现简述如下:①共价闭合环形,是指两条多核苷酸链都保持完整的环形结构,这样的DNA通常呈现超螺旋的SC型;②开环,是指另一条链出现有至少一个缺口;③线性,是指当质粒DNA分子经过适当的核酸内切限制酶切开之后,发生双链断裂而形成线性分子.由于目前DNA计算中主要采用环状双链的质粒DNA分子,故下面介绍一下环状双链质粒DNA分子的基本特性.质粒DNA的编码中,适用于作为基因克隆载体的所有质粒DNA分子,都必定包含下面三种共同的组成部分,即复制子结构(replicon)、选择性记号和克隆位点.其中,复制子结构包括一个复制起始位点(origin,简称ori),控制复制频率的调控基因以及一些复制子编码基因.对这里的克隆位点,我们主要强调MCS(多克隆位点),包含若干单一限制性酶切位点,可供外源DNA定点插入.图9中给出了一个质粒DNA分子的基本结构.在质粒DNA分子的基本结构中,我们对应于外源核苷酸序列的插入和删除采用的基本上是Ⅱ型核酸内切限制酶.Ⅱ型核酸内切限制酶只有一种多肽,并通常以同源二聚体形式存在,其特点是:(i)在DNA分子双链的特异性识别序列部位,切割DNA分子产生链的断裂;(ii)2个单链断裂部位在DNA分子上的分布通常不是彼此直接相对的;(iii)断裂的结果形成的DNA片断,也往往具有互补的单链延伸末端.正是由于质粒DNA分子的上述特性,才使得DNA计算得以实施.其质粒DNA计算模型是充分利用质粒DNA分子上的基因位,通过核酸内切酶与连接酶的作用,可产生两种状态,分别用0和1来表示这两种状态,这样,每个质粒体与传统计算机中k-位数据寄存器作用相同.这就是质粒DNA计算的基本思想.Head等人在1999年首先建立了基于质粒DNA分子的、用于求解图的顶点的最大独立集问题的质粒DNA计算模型,其后在这方面进一步的研究见文献.3.5含含含dna分子的dna计算我们把形如图10中所示的DNA分子称为具有粘性末端的DNA分子.显然,在DNA计算中,这种类型的DNA分子是人工合成的.作为信息处理的数据,这种类型的分子在DNA计算中具有广泛的应用.如应用于所谓的粘贴DNA计算模型.应用于图顶点着色DNA计算机模型,更一般地讲,几乎可应用于图论中的所有问题的研究之中.在文献中,我们可以看到关于具有粘性末端DNA分子在DNA计算中更为深入的应用.4dna计算中的应用本节将与DNA计算有关的DNA分子中的一些性质介绍给读者.这些性质在DNA计算研究中是基本的,是作为DNA计算乃至一般基因工程学者应该掌握的.本节的内容是为非生物学专业的学者而引入的,但这些内容是很不够的,在对DNA计算进行深入研究时需进一步掌握有关DNA分子的特性与结果.4.1dna分子的变性与复性核酸的变性是指核酸分子中双螺旋区内的碱基对之间的氢键受到某些物理的,或者化学的因素作用而断开,变成单链的过程.变性后的核酸将失去其部分或全部的生物活性.需要注意的是:核酸在变性过程中仅仅是碱基之间氢键的断开,而磷酸二酯键并未受影响,所以它的一级结构保持不变.更确切地讲,双链DNA分子(特别是DNA分子的双螺旋)结构的氢键能够在诸如温度升高,介质PH值<4或>10,变性剂(如有机试剂甲醇、乙醇、尿素及甲酰胺等)能够发生断裂,当所有的氢键都被破坏时,双链DNA分子多核苷酸链就完全分开,这一过程就称为DNA分子的变性或解链.一般变性分为两类:由温度的升高而引起的变性称为热变性;由酸碱度的改变而引起的变性称为酸碱变性.变性过程实际上只发生在一个较狭窄的温度范围,同时伴有物理性状的改变,其中最有意义的是吸光度的改变.双链DNA的吸光度(A260)比同量单链DNA碱基的吸光度要低,所以可用吸光度的增加来表示DNA的变性过程(如图11所示).所谓复性(renaturation)是变性过程的逆过程,即对于变性后的二条完全互补的单链DNA分子,在适当的条件下恢复到双链、甚至天然双螺旋结构的过程.热变性的DNA分子一般经过冷却后即可复性,因此,此过程有时也称退火(annealing).关于DNA分子的变性与复性的过程示意图见图12.复性温度一般比该DNA分子的解链温度Tm值(此概念下小节中给予介绍)低25℃.复性后的DNA在某些理化性质及生物活性也可得到部分和全部的恢复.复性过程中,紫外吸收值降低,此现象称为减色效应.复性反映与许多因素有关,其主要的如下:(1)复性时的降温速度必须缓慢,否则,复性过程不可能完成.我们把从高温缓慢冷却使DNA变性的过程称为退火;而把从高温迅速冷却至低温(4℃以下)的过程称为淬火.淬火后的DNA不能复性.(2)DNA的浓度越大,互补的DNA片段碰撞的机会越多,当然易于变性;(3)DNA片段越长,DNA分子的排列越复杂,互补碱基相遇的机会也越小,复性越困难.4.2dna解链温度tm的计算解链温度Tm,定义为使得双链DNA分子在变性过程中,有50%的碱基对变成单链时的温度.它是评价DNA分子的热力学稳定性的另一个重要的参数.一个DNA分子的Tm值不仅与浓度、溶液的PH值有关,而且与其分子大小及所含碱基中的GC含量有关,并且与碱基序列的排列有关.由于解链温度Tm在DNA计算中占有很重要的位置,故我们在此专门作为一个小节给予介绍.DNA计算中的一个主要的生化操作是双链DNA分子的解链问题.由于一般参与生化反应的DNA分子是巨量的,并要求在一个很短的时间段内对所需要的DNA分子全部进行解链,即就是要求作为数据的DNA分子具有尽可能相同或者相近的解链温度Tm.为了达到这个目的,首先,我们在设计DNA序列时必须要求所有的双链DNA分子具有相同的氢键数目,原因是DNA分子双链的解链实际上就是将双链中的氢键打开;其次,考虑到碱基堆积力的影响,我们在设计DNA序列时,还应该考虑DNA序列的次序,即如何针对DNA计算问题,设计DNA序列来控制解链温度Tm值,以保持所有作为数据的DNA分子的解链温度尽可能相近.在考虑DNA序列次序的研究方面,其方法已经不少,我们将在另文较为详细地讨论.4.3碱基双链dna分子上面我们已经讲过,DNA分子能够形成双链的重要原因是氢键之间的引力,更确切地讲,是指碱基A与T、碱基之间的氢键作用力.由于G与C之间存在3个氢键,而A与T之间存在2个氢键,故G与C之间的引力大于A与T之间的引力.因而,同样等长度的双链DNA分子,由于GC含量的不同导致双链的稳定性不同,GC含量越多,稳定性越好;GC含量越少,稳定性越差.DNA分子内部中的另外一个主要的作用力是碱基之间的堆积力.由于这两种主要力的作用,给DNA计算带来一些麻烦与困难:其一、单链DNA分子在一定的温度与环境下容易形成发夹分子构型,给特异性杂交带来困难;其二、在设计作为信息处理的数据DNA分子的编码时至少带来两个困难的约束条件.4.4组成互补链,形成互补链DNA分子可以进行复制,在DNA聚合酶的作用下,一个DNA分子可复制成两个在结构上完全相同的DNA分子.在DNA分子进行自我复制时,复制的两条互补链分开,然后在每条链上按碱基配对规律形成互补的新链,以组成新的DNA分子.每个DNA分子的二条链都可以作为形成互补链的模板.复制的结果是:形成了与原来DNA分子完全相同的2个子代DNA分子,如图13所示.4.5dna分子杂交DNA计算中的信息处理手段就是DNA分子间的所谓的“特异性杂交”.DNA计算实际上就是针对DNA分子的间的特异性杂交展开一系列的工作,诸如编码设计问题、解空间的设计问题、解的检测问题等.正因为DNA分子在DNA计算中的关键而重要的作用,我们在这一小节里专门就DNA分子杂交的有关概念、基本性质等给予介绍.在4.1节中我们讨论了DNA分子的变性与复性问题.DNA分子的变形使得双链DNA分子间的氢键断开,而复性则恰恰相反,是将一对被断开的哪两条互补的单链DNA分子在一定的温度、一定的环境等条件下通过退火等手段使得它们对应的氢键完全对接上,形成原来的双链DNA分子的过程.但是,所谓的DNA分子的杂交则是将来源不同的DNA片段,按碱基互补关系形成杂交双链分子或者部分双链的过程.杂交的类型主要有如下几种:(1)完全性杂交分析所谓完全性杂交,是指按照Wa