專利名稱：基于dna的數(shù)字系統(tǒng)及算術(shù)運(yùn)算的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)及算術(shù)運(yùn)算。更具體地，本發(fā)明涉及一種基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)及算術(shù)運(yùn)算，包括將任意數(shù)值分配給所有DNA堿基；任意分配DNA堿基的互補(bǔ)堿基；以DNA堿基表示整數(shù)和實(shí)數(shù)；以及在基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)上執(zhí)行基本算術(shù)分配。
背景技術(shù)：
在上百萬年的時間內(nèi)，自然界形成了創(chuàng)造具有不同形狀、大小和特征的豐富有生物種的完美技術(shù)。脫氧核糖核酸(DNA)，基因信息的載體，可以看作強(qiáng)大而復(fù)雜的分子電子器件。問題是如何利用這種奇妙的分子器件DNA來制造電子器件。DNA具有存儲和保持基因信息的能力，可以根據(jù)需要獲得，來進(jìn)行生物過程，并維持所有有生生物體，從最小的微生物到巨大的鯨魚。所有有生生物體均通過在繁殖過程期間形成的、被稱為受精卵的單細(xì)胞分化形成。此細(xì)胞并不包含任何身體部件，即受精卵并不包含骨頭或牙齒，但受精卵的DNA具有形成生命系統(tǒng)的所有組織的全部規(guī)定。只有當(dāng)DNA能夠通過電荷傳送傳達(dá)其整個長度上的信息時，這一切將成為可能。
今天的計算機(jī)可以由任何雙穩(wěn)態(tài)器件構(gòu)建，這意味著計算機(jī)的元件必須具有兩個穩(wěn)定的位置或狀態(tài)。這兩個穩(wěn)定的狀態(tài)是通和斷，分別表示1和0。今天，大多數(shù)計算機(jī)的基本構(gòu)建模塊是由半導(dǎo)體制成的晶體管。從電學(xué)上完成向通或斷的轉(zhuǎn)變，所以速度非?？?。粗略地講，晶體管能夠每秒鐘改變狀態(tài)30億次，而且可以將大約1000萬個晶體管安裝在基于硅或砷化鎵的集成電路上1cm2的空間內(nèi)。
由于在速度和小型化方面，半導(dǎo)體器件已經(jīng)接近極限，正在進(jìn)行大量的研究，以期設(shè)計出基于DNA的計算方法和分子電子替代品。DNA被認(rèn)為是一種用于設(shè)計和制造高密度存儲器件和超高速電子器件的有前途的材料。在最近幾年里，越來越重視研究DNA中的電荷傳送，因?yàn)镈NA可以用作納米器件；根據(jù)堿基序列、長度和朝向，可以用作絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體/鄰近感生超導(dǎo)體[1，2，3，4]?？梢园凑辗肿蛹壍木?，將DNA有選擇地涂覆在金屬上[1，5]，從而提供設(shè)計如二極管、三極管、晶體管等分子電子器件的能力。DNA還能夠進(jìn)行海量并行處理[6，7，8]，非常的能量有效，大小和特征是可控的，具有存儲信息的巨大能力，易于獲得；合成任何可想象的序列；并且是環(huán)境友好的。此外，DNA擁有四個堿基(AGTC)，而不是0和1。
重要的是設(shè)計出基于由DNA構(gòu)成的四態(tài)器件的計算機(jī)。這四個狀態(tài)將以0、1、2和3表示。可以通過測量電流電平或通過測量光學(xué)差別來區(qū)分這些狀態(tài)。在將四個DNA堿基(ATGC)放在一起，并看作用于基于DNA的計算的單一單元時，可以將大約3×1013個這種單元放在1cm2的面積內(nèi)。但是，為了逐步建立基于DNA的器件，重要的是提供合適的基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)來進(jìn)行基于DNA的算術(shù)運(yùn)算。因此，開發(fā)并公開了基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)和用于翻譯此系統(tǒng)的軟件，也使得創(chuàng)建基于DNA的四態(tài)器件成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是開發(fā)基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)，并執(zhí)行基于DNA的算術(shù)運(yùn)算，以及用于編碼基于DNA的數(shù)字的軟件，并以DNA編碼數(shù)字進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算。
本發(fā)明的另一目的是以DNA堿基定義正整數(shù)和負(fù)整數(shù)的編碼。
本發(fā)明的另一目的是以DNA堿基定義正實(shí)數(shù)和負(fù)實(shí)數(shù)的編碼。
本發(fā)明的另一目的是定義DNA編碼整數(shù)和實(shí)數(shù)的基本算術(shù)運(yùn)算。
本發(fā)明涉及一種基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)和算術(shù)運(yùn)算。更具體地，本發(fā)明涉及一種基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)和算術(shù)運(yùn)算，包括將任意數(shù)值分配給所有DNA堿基；任意分配DNA堿基的互補(bǔ)堿基；以DNA堿基表示整數(shù)和實(shí)數(shù)；以及在基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)上執(zhí)行基本算術(shù)分配。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，在基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)中有4個元件。這些元件是“A”、“T”、“C”、“G”。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，分配給基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)的每個元件的任意數(shù)字是A＝0，T＝1，C＝2，G＝3。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，將整數(shù)表示為8堿基/單元(8base/cell)?；パa(bǔ)堿基表示用于表示整數(shù)。正整數(shù)不具有互補(bǔ)堿基。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)的元件的分配互補(bǔ)堿基是A的互補(bǔ)堿基＝G，T的互補(bǔ)堿基＝C，反之亦然。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)中的堿基的數(shù)值是正的。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，如下進(jìn)行正整數(shù)到基于DNA的數(shù)字的轉(zhuǎn)換將數(shù)字除以4，并提取出余數(shù)，繼續(xù)此過程，直到商為零。提取第一個余數(shù)數(shù)字，作為最低有效堿基(LSB)，將最后提取出的數(shù)字標(biāo)記為最高有效堿基(MSB)，通過將提取出的堿基從左到右、從MSB到LSB寫出，得到基于DNA的數(shù)字，通過將額外的填充A添加到左邊，并將最左側(cè)的堿基作為符號堿基，即“A”表示正整數(shù)，完成單元(8堿基/單元或其倍數(shù))。最左側(cè)的堿基表示數(shù)字的符號。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，如下進(jìn)行負(fù)數(shù)到基于DNA的數(shù)字的轉(zhuǎn)換將該數(shù)字作為正整數(shù)；將其轉(zhuǎn)換到基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)；通過將A變?yōu)镚，將T變?yōu)镃，反之亦然，產(chǎn)生其互補(bǔ)堿基；將堿基T(＝1)添加到互補(bǔ)堿基上；通過將額外的填充G添加到左邊，并將最左側(cè)的堿基作為符號堿基，即“G”表示負(fù)整數(shù)，完成單元(8堿基/單元或其倍數(shù))。最左側(cè)的堿基表示數(shù)字的符號。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，將實(shí)數(shù)表示為32堿基的浮點(diǎn)表示。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，針對正實(shí)數(shù)到基于DNA的數(shù)字的轉(zhuǎn)換，首先，通過右移小數(shù)點(diǎn)，將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)，然后，與正整數(shù)到基于DNA的數(shù)字的轉(zhuǎn)換的情況一樣，將此整數(shù)轉(zhuǎn)換為基于DNA的數(shù)字。記錄移動小數(shù)點(diǎn)的位數(shù)，并表示為指數(shù)(利用上述整數(shù)到基于DNA的轉(zhuǎn)換方案)，最左側(cè)的堿基表示數(shù)字的符號堿基，接下來的23個堿基表示量值，以及其余的8個堿基表示指數(shù)。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，正實(shí)數(shù)情況下的符號堿基是“T”，而負(fù)實(shí)數(shù)情況下的符號堿基是“C”。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，針對負(fù)實(shí)數(shù)到基于DNA的數(shù)字的轉(zhuǎn)換，將實(shí)數(shù)看作正實(shí)數(shù)，然后，通過右移小數(shù)點(diǎn)，將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)，然后，與正整數(shù)到基于DNA的數(shù)字的轉(zhuǎn)換的情況一樣，將此整數(shù)轉(zhuǎn)換為基于DNA的數(shù)字，然后，通過將A變?yōu)镚，將T變?yōu)镃，反之亦然，產(chǎn)生所得到的基于DNA的數(shù)字的互補(bǔ)堿基，將堿基T(＝1)添加到互補(bǔ)堿基上。記錄移動小數(shù)點(diǎn)的位數(shù)，并表示為指數(shù)(利用上述整數(shù)到基于DNA的轉(zhuǎn)換方案)，最左側(cè)的堿基表示數(shù)字的符號堿基，接下來的23個堿基表示量值，以及其余的8個堿基表示指數(shù)。


圖1是以DNA堿基進(jìn)行整數(shù)表示和算術(shù)運(yùn)算的過程圖；圖2是以DNA堿基進(jìn)行實(shí)數(shù)表示和算術(shù)運(yùn)算的過程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)和算術(shù)運(yùn)算。更具體地，本發(fā)明涉及基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)和算術(shù)運(yùn)算，包括將任意數(shù)值分配給所有DNA堿基；任意分配DNA堿基的互補(bǔ)堿基；以DNA堿基表示整數(shù)和實(shí)數(shù)；以及在基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)上進(jìn)行基本算術(shù)分配。在本發(fā)明的系統(tǒng)中，在基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)中有4個元件。這些元件是“A”、“T”、“C”、“G”。分配給基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)的每個元件的任意數(shù)字是A＝0，T＝1，C＝2，G＝3?？梢詫⒄麛?shù)表示為8堿基/單元?；贒NA的數(shù)字系統(tǒng)中的堿基的數(shù)值是正的。
互補(bǔ)堿基表示用于表示整數(shù)。但是，正整數(shù)不具有互補(bǔ)堿基?；贒NA的數(shù)字系統(tǒng)的元件的分配互補(bǔ)堿基是A的互補(bǔ)堿基＝G，T的互補(bǔ)堿基＝C，反之亦然。
如下進(jìn)行正整數(shù)到基于DNA的數(shù)字的轉(zhuǎn)換將數(shù)字除以4，并提取出余數(shù)，繼續(xù)此過程，直到商為零。提取第一個余數(shù)數(shù)字，作為最低有效堿基(LSB)，將最后提取出的數(shù)字標(biāo)記為最高有效堿基(MSB)，通過將提取出的堿基從左到右、從MSB到LSB寫出，得到基于DNA的數(shù)字。然后，通過將額外的填充A添加到左邊，并將最左側(cè)的堿基作為符號堿基，即“A”表示正整數(shù)，完成單元(8堿基/單元或其倍數(shù))。最左側(cè)的堿基表示數(shù)字的符號。
如下進(jìn)行負(fù)數(shù)到基于DNA的數(shù)字的轉(zhuǎn)換首先將該數(shù)字作為正整數(shù)；如上所述，將其轉(zhuǎn)換到基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)；通過將A變?yōu)镚，將T變?yōu)镃，反之亦然，產(chǎn)生其互補(bǔ)堿基；將堿基T(＝1)添加到互補(bǔ)堿基上；通過將額外的填充G添加到左邊，并將最左側(cè)的堿基作為符號堿基，即“G”表示負(fù)整數(shù)，完成單元(8堿基/單元或其倍數(shù))。最左側(cè)的堿基表示數(shù)字的符號。
將實(shí)數(shù)表示為32堿基的浮點(diǎn)表示。
如下進(jìn)行正實(shí)數(shù)到基于DNA的數(shù)字的轉(zhuǎn)換首先，通過右移小數(shù)點(diǎn)，將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)。然后，與針對正整數(shù)的上述討論一樣，將此整數(shù)轉(zhuǎn)換為基于DNA的數(shù)字。記錄移動小數(shù)點(diǎn)的位數(shù)，并表示為指數(shù)(利用上述整數(shù)到基于DNA的轉(zhuǎn)換方案)。最左側(cè)的堿基表示數(shù)字的符號堿基，接下來的23個堿基表示量值，以及其余的8個堿基表示指數(shù)。
在本發(fā)明的方法中，正實(shí)數(shù)情況下的符號堿基是“T”，而負(fù)實(shí)數(shù)情況下的符號堿基是“C”。
針對負(fù)實(shí)數(shù)到基于DNA的數(shù)字的轉(zhuǎn)換，首先，將實(shí)數(shù)看作正實(shí)數(shù)，然后，通過右移小數(shù)點(diǎn)，將該實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)。然后，與上述正整數(shù)到基于DNA的數(shù)字轉(zhuǎn)換的情況一樣，將此整數(shù)轉(zhuǎn)換為基于DNA的數(shù)字，通過將A變?yōu)镚，將T變?yōu)镃，反之亦然，產(chǎn)生所得到的基于DNA的數(shù)字的互補(bǔ)堿基，然后，將堿基T(＝1)添加到互補(bǔ)堿基上。記錄移動小數(shù)點(diǎn)的位數(shù)，并表示為指數(shù)(利用上述整數(shù)到基于DNA的轉(zhuǎn)換方案)。最左側(cè)的堿基表示數(shù)字的符號堿基，接下來的23個堿基表示量值，以及其余的8個堿基表示指數(shù)。
本發(fā)明的數(shù)字系統(tǒng)對于創(chuàng)建四態(tài)計算器件是有用的，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)具有四個元件，并不局限于二進(jìn)制系統(tǒng)的兩個元件。因此，與傳統(tǒng)的二進(jìn)制系統(tǒng)相比，這使得表示較大的數(shù)字成為可能，并因而使得強(qiáng)大的基于DNA的計算器件的設(shè)計和制造成為可能。
現(xiàn)在，將參照以下示例，對本發(fā)明進(jìn)行描述，所述示例是示意性的，不應(yīng)當(dāng)將其理解為以任何方式對本發(fā)明范圍的限制。
示例



參考文獻(xiàn)1.Braun，E.，Eichen，Y.，Sivan，U.& Ben-Yoseph，GDNA-templated assembly and electrode attachment of aconducting silver wire，Nature.391，775-778(1998).
2.Kasumov，A.Y.，Kociak，M.，Gueron，B.，Reulet，B.，Volkov，V.T.，Klinov，D.V & Bouchiat，H.Proximity-inducedsuperconductivity in DNA，Science.291，280-282(2001).
3.Porath，D.，Bezryadin，A.，De Vries，S.& Dekker，C.Directmeasurement of electrical transport through DNA molecules，Nature.403，635-638(2000).
4.Fink，H.W.& Schonenberger，C.Electrical Conduction throughDNA Molecules.Nature.398，407-410(1999).
5.Winfree，E.，Liu，F(xiàn).，Wenzler，L.A.and Seeman，N.C.Designand self-assembly of two-dimensional DNA crystals.Nature.394，539-544(1998).
6.Adleman，L.M.Computing with DNA，Sci.Am.54-61(August1998).
7.Adleman，L.M.Molecular computation of solutions tocombinatorial problems.Science.266，1021-1024(1994).
8.Benenson，Y.，Elizur，T.P.，Adar，R.，Keinan，E.，Livneh，Z.andShapiro，E.Programmable and autonomous computing machinesmade of biomolecules.Nature.414，430-434(2001).
權(quán)利要求
1.一種基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)具有四個堿基，包括A、T、C和G，并且為每個堿基分配任意數(shù)值，包括A＝0，T＝1，C＝2，G＝3，并且以DNA堿基的形式表示整數(shù)和實(shí)數(shù)，所述系統(tǒng)中的堿基的數(shù)值是正的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于將實(shí)數(shù)表示為32堿基的浮點(diǎn)表示。
3.一種以DNA堿基(A、T、C、G)的形式表示數(shù)字的方法，包括a)將任意數(shù)值分配給每個DNA堿基，其中A＝0，T＝1，C-2，G＝3；b)將任意互補(bǔ)堿基值分配給每個堿基，從而使A的互補(bǔ)堿基＝G，T的互補(bǔ)堿基＝C，反之亦然。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述數(shù)字是從由正整數(shù)、負(fù)整數(shù)、正實(shí)數(shù)和負(fù)實(shí)數(shù)構(gòu)成的組中選擇的。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)的元件的分配互補(bǔ)堿基是A的互補(bǔ)堿基＝G，T的互補(bǔ)堿基＝C，反之亦然。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)中的堿基的數(shù)值是正的。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于如下將正整數(shù)轉(zhuǎn)換為DNA堿基表示(a)將所得到的正整數(shù)除以4，并提取出余數(shù)；(b)重復(fù)步驟(a)，直到商為0；(c)將第一個余數(shù)數(shù)字標(biāo)記為最低有效數(shù)位(LSD)；(d)將最后提取出的數(shù)字標(biāo)記為最高有效數(shù)位(MSD)；(e)將提取出的數(shù)字從左到右、從MSD到LSD寫出；以及(f)通過將可能需要的填充和符號堿基添加到左側(cè)，完成單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于如下將負(fù)整數(shù)轉(zhuǎn)換為DNA堿基表示(a)首先，將負(fù)整數(shù)變?yōu)檎麛?shù)；(b)將所得到的正整數(shù)除以4，并提取出余數(shù)；(c)重復(fù)步驟(b)，直到商為0；(d)將第一個余數(shù)數(shù)字標(biāo)記為最低有效數(shù)位(LSD)；(e)將最后提取出的數(shù)字標(biāo)記為最高有效數(shù)位(MSD)；(f)將提取出的數(shù)字從左到右、從MSD到LSD寫出；以及(g)通過將可能需要的填充和符號堿基添加到左側(cè)，完成單元；(h)通過將A變?yōu)镚，將T變?yōu)镃，反之亦然，產(chǎn)生互補(bǔ)堿基；(i)將堿基T(＝1)添加到互補(bǔ)堿基上；其中完成的字節(jié)/單元的最左側(cè)堿基表示整數(shù)的符號。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于如下將正實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為DNA堿基表示(a)首先，通過右移小數(shù)點(diǎn)，將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)；(b)將所得到的正整數(shù)除以4，并提取出余數(shù)；(c)重復(fù)步驟(b)，直到商為0；(d)將第一個余數(shù)數(shù)字標(biāo)記為最低有效數(shù)位(LSD)；(e)將最后提取出的數(shù)字標(biāo)記為最高有效數(shù)位(MSD)；(f)將提取出的數(shù)字從左到右、從MSD到LSD寫出；以及(g)通過將可能需要的填充和符號堿基添加到左側(cè)，完成單元；(h)記錄移動小數(shù)點(diǎn)的位數(shù)，并將其表示為指數(shù)；其中最左側(cè)的堿基表示數(shù)字的符號堿基，接下來的23個堿基表示量值，以及其余的8個堿基表示指數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于正實(shí)數(shù)情況下的符號堿基是“T”，而負(fù)實(shí)數(shù)情況下的符號堿基是“C”。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于如下將負(fù)實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為DNA堿基表示，所述方法包括(a)將實(shí)數(shù)看作正實(shí)數(shù)；(b)通過右移小數(shù)點(diǎn)，將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)；(c)將所得到的正整數(shù)除以4，并提取出余數(shù)；(d)重復(fù)步驟(b)，直到商為0；(e)將第一個余數(shù)數(shù)字標(biāo)記為最低有效數(shù)位(LSD)；(f)將最后提取出的數(shù)字標(biāo)記為最高有效數(shù)位(MSD)；(g)將提取出的數(shù)字從左到右、從MSD到LSD寫出；以及(h)通過將可能需要的填充和符號堿基添加到左側(cè)，完成單元；(i)記錄移動小數(shù)點(diǎn)的位數(shù)，并將其表示為指數(shù)；其中最左側(cè)的堿基表示數(shù)字的符號堿基，接下來的23個堿基表示量值，以及其余的8個堿基表示指數(shù)。
12.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)的軟件，其中a)將整數(shù)表示為8堿基/單元，并利用互補(bǔ)堿基表示來表示整數(shù)，其中正整數(shù)不具有互補(bǔ)堿基，并且最左側(cè)堿基表示整數(shù)的符號；b)利用浮點(diǎn)表示方案，將實(shí)數(shù)表示為32堿基/單元，其中最左側(cè)的堿基表示數(shù)字的符號，接下來的23個堿基表示數(shù)字的量值，以及其余的8個堿基表示指數(shù)，即為了將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)、將小數(shù)點(diǎn)向右移動的位數(shù)。
全文摘要
提出了一種基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)，在DNA或其他分子計算器件和處理器領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，并提出了針對此系統(tǒng)的基本算術(shù)運(yùn)算，即加法和減法，其中所述方法包括將任意整數(shù)值分配給所有DNA堿基(A＝0、T＝1、C＝2、G＝3)；任意分配DNA堿基的互補(bǔ)堿基(A的互補(bǔ)堿基＝G，T的互補(bǔ)堿基＝C，反之亦然)；以DNA堿基表示整數(shù)和實(shí)數(shù)；以及在基于DNA的數(shù)字系統(tǒng)上執(zhí)行基本算術(shù)分配。
文檔編號G06F7/49GK1820277SQ200480018367
公開日2006年8月16日 申請日期2004年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月20日
發(fā)明者拉爾特·M·巴拉德瓦杰, 奧德赫什·庫穆爾·舒克拉, 阿莫爾·P·邦德卡爾, 拉凱什·庫馬爾, 拉姆·普拉卡什·巴杰帕依 申請人:科學(xué)與工業(yè)研究委員會