基於細胞（膜和核酸）的計算模型和算法研究

《基於細胞（膜和核酸）的計算模型和算法研究》是依託華中科技大學，由潘林強擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：基於細胞（膜和核酸）的計算模型和算法研究
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：潘林強
• 依託單位：華中科技大學

項目摘要

膜和DNA（核酸）是細胞的重要組成部分。經過10多年的研究，無論是理論還是套用，基於膜的膜計算和基於DNA分子的DNA計算都分別取得了長足進展，尤其是兩類模型有其各自的優勢。本項目擬在膜計算框架基礎上，研究基於細胞的分散式並行計算模型和算法，研究內容包括：（1）綜合利用膜的結構和DNA分子，建立新型高性能計算模型，融合膜計算和DNA計算的各自優勢；（2）研究基於細胞的膜算法，特別是研究基於細胞分裂和膜生長的計算空間生成方法，基於遺忘機制的計算空間多次使用方法等；（3）研究膜計算的電子實現，為生物系統建模、最佳化計算等提供新方法和軟體工具；用DNA生物操作技術實現膜計算的原理性生物實驗，探索在生物介質上實現非傳統計算。（4）作為套用示範，研究膜計算在生物學中的套用。研究成果將不僅為高性能計算提供新計算模型和算法，還將為系統生物學建模提供新方法和工具，而且在細胞內分子診斷和治療方面具有套用前景。

結題摘要

生物計算是以生物分子為信息載體，用生物技術實現信息處理，探索新型計算技術的研究領域。已有理論和實驗表明生物計算具有信息存儲容量大，並行性高等優點。雖然，技術上，已能用大腸桿菌求解組合最佳化問題，用DNA分子存儲5萬多字的書本、音頻、圖像等，但高效利用生物資源的計算模型、計算誤差控制方法、計算模型的生物實現技術等仍然有待發展和解決。本項目解決：如何利用細胞膜和核酸分子建立分散式並行計算模型、如何高效利用生物材料實現計算、如何控制化學反應時長和化學反應程度對計算結果的影響、信息編碼生物分子設計和製備、計算單元設計和級聯、以及把計算系統作為檢測工具在生物醫藥等領域的套用。 在生物計算理論方面，建立了以DNA分子為信息載體、用膜分割計算區域的分散式並行計算模型。發現了細胞間通訊規則長度對計算能力的影響，當通訊規則長度不小於三的時候，模型能有效求解NP-完全問題，通訊規則長度小於等於二的時候，模型只能求解P類問題。針對生物資源高效利用問題，建立了由36個神經元細胞、或5個體細胞組成的Turing等價計算模型；建立了只需一類功能非常簡單的神經元組成的Turing等價計算模型。針對計算誤差控制問題，建立了對化學反應時長、化學反應程度具有容錯性的計算模型，回答了生物計算誤差是否可控的重要科學問題。 在生物計算技術方面，設計和製備了信息編碼基元DNA分子，組裝了文獻中使用過的2、3、4、5、6臂信息編碼DNA分子，驗證了該基元DNA分子的可程式性。設計了多值輸入邏輯門，用DNA鏈置換技術實現了生物計算單元的級聯。設計並組裝出了尺寸可控DNA納米管，該DNA納米管具有抗酸鹼變化、抗酶降解等特性，短管可用於藥物運載，長管可套用於納米導線的製備，為進一步實現穩定的生物計算系統提供技術支持。 在生物醫藥等領域的套用方面，把計算系統作為檢測工具，建立了基於納米金和DNA分子置換技術的B肝病毒可視化快速檢測方法; 把膜計算模型套用於生物系統建模，並開發了相關仿真軟體。 項目組在Nanotechnology，IEEE Transactions on Nanobioscience等國際期刊上發表論文66篇，其中SCI收錄60篇。軟體著作權3項。培養博士後2名，博士10名（其中與國外大學聯合培養2名），碩士21名。舉辦國際會議2次，協辦國際會議2次。獲教育部高等學校科學技術獎自然科學一等獎1項。