دانلود رایگان ترجمه مقاله محاسبه DNA و کاربرد آن (نشریه اسپرینگر 2008) (ترجمه رایگان – برنزی ⭐️)

محاسبه DNA و کاربرد آن

DNA Computing and its Application

1 مقدمه
2 محاسبات DNA
2-1 نقشه کدگذاری
بستن و هیبریداسیون
واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR)
عوض شدن ماهيت PCR گرادیان دما
PCR کمی
جدایی کشش
الکتروفورز ژل
3 مقایسه با محاسبات متعارف
4 کاربردهاي محاسبات DNA
5 رویکردهايي براي بهینه سازی و زمانبندی
الگوریتم ژنتیک
شبکه های عصبی
محاسبات منطقی فازی و دیگران
تقاضاهای جدید
6 سیستم مدیریت آسانسور
9 نتیجه گیری

1- مقدمه
اهداف این فصل شامل دو بخش مي شود: در ابتدا معرفی محاسبات DNA، و مرحله دوم نشان دادن چگونگی کاربرد محاسبات DNA براي حل مسائل بزرگ، پیچیده ترکیبی، مانند برنامه ریزی بهینه یک گروه از سرويس دهي آسانسور تعدادي از طبقات در يک ساختمان چندطبقه.
به تازگی، محاسبات مولکولی (یا مرطوب) نه تنها به طور گسترده ای در چارچوب حل مشکلات NP-کامل/ NP-سخت مورد تحقیق قرار گرفته است که سخت ترین مشکلات در NP هستند، اما توسط روش (مبتنی بر سیلیکون) کامپیوترهای دیجیتال پیاده سازی شده اند [21]. ما با شرح مفاهیم اساسی ‘محاسبات مرطوب، و سپس نتایج حاضر اخیر برای مدیریت کارآمد از گروهی از آسانسور آغاز.
.
2- محاسبات DNA
ایده اصلی در پشت محاسبات DNA، اتخاذ یک روش بیولوژیک (مرطوب) به عنوان یک وسیله محاسباتي کارآمد است که در آن داده ها با استفاده از رشته های DNA نشان داده مي شوند. حتی اگر یک واکنش DNA بسیار کندتر از زمان چرخه یک کامپیوتر مبتنی بر سیلیکون باشد، پردازش ذاتا موازی ارائه شده توسط فرایند DNA نقش مهمی را ایفا می کند. این همسانی عظیم پردازش DNA در حل مسائل NP-کامل و یا NP-سخت مورد علاقه خاص است.
مواجهه با آزمایش های بیولوژیکی مولکولی که شامل 6 × 1016/ml از مولکول های DNA مي شود غیر معمول نيست. این به این معنی است که ما به طور موثر می توانيم به 60،000 ترا بایت از حافظه تحقق ببخشیم، با فرض اينکه هر رشته از مولکول DNA بیانگر یکی از کاراکترها است. سرعت اجرای کل یک کامپیوتر DNA می تواند تحت الشعاع سرعت يک یک کامپیوتر معمولی الکترونیکی باشد، حتی اگر زمان اجرای یک واکنش تک مولکول DNA نسبتا آهسته باشد. در نتیجه يک کامپیوتر DNA براي مشکلاتی از قبیل تجزیه و تحلیل اطلاعات مربوط به ژنوم، و طراحی عملکردی مولکول (که در آن مولکول ها، داده های ورودی را تشکیل می دهند) مناسب است.
DNA شامل چهار پايه ساختار مولکول، به نام آدنین (A)، گوانین (G)، سیتوزین (C) و تیمین (T) مي شود. علاوه بر این، محدودیت ها براي ارتباطات بین این پايه ها اعمال مي شود: به طور خاص، A می تواند تنها به T متصل شود، و G با C – این قاعده اتصال به عنوان «متمم واتسون و کریک ‘ناميده مي شود. این ویژگی برای تحقق بخشیدن به عملیات جداگانه (که بعدا مورد بحث قرار مي گيرد) ضروری است. به عبارت دیگر، جدا کردن یک رشته جزئی از آگهی کاراکترها ممکن است به طوری که یک دنباله DNA مکمل دلالت DNA مشخص شده است، ورودی براي داخل یک لوله آزمایش، هيبريد شده براي تشکيل یک مارپیچ دو رشته اي DNA، و سپس چکيده شده. علاوه بر این، این ویژگی ما را قادر ایجاد تصادفی یک مجموعه از رشته های کاراکتر با توجه به برخی از قاعده ها خواهد ساخت.
از آنجا که [1] یک روش برای حل مسئله مسیر هامیلتونی جهتدار را با 7 شهر با استفاده از مولکول های DNA توصیف نمود، محققان مطالعات نظری را براي تحقق بخشیدن به محاسبات کلی با استفاده از مولکول های DNA دنبال نمودند (به عنوان مثال، [23]. [2] یک مدل محاسباتی را برای تحقق بخشیدن – از طریق پرداخت تجربی مولکول های DNA – عملیات بر روی مجموعه های متعددی از رشته های کاراکتری، پس از رمزگذاری کاراکتر الفبای محدود بر روی مولکول های DNA توسعه داده است.
همانطور که قبلا ذکر شد، مولکول های DNA می توانند به عنوان رسانه های ذخیره سازی اطلاعات استفاده شوند. معمولا دنباله هاي DNA از حدود 8-20 جفت پایه برای نشان دادن بیت ها استفاده می شود و روش های متعددی براي دستکاری و ارزیابی اینها توسعه یافته اند. به منظور دستکاری فن آوری مرطوب برای انجام محاسبات، یک یا تعداد بیشتر از روش های زیر به عنوان اپراتورهای محاسباتی برای کپی کردن، طبقه بندی، تقسیم یا الحاق اطلاعات موجود در مولکول های DNA استفاده می شود:
• بستن،
• هیبریداسیون،
• واکنش زنجیره ای پلی مراز (PCR)،
• ژل الکتروفورز، و
• واکنش آنزیم.
در زيربخش زیر به طور خلاصه فرآیند بیو شیمیایی خاص را توصيف مي کنيم که به عنوان اساس روش محاسبات DNA ما به کار گرفته مي شود.
يک کامپیوتر DNA، محاسبات مرطوب را بر اساس توانایی بالایی از تشخیص مولکول خاص در واکنش ها در میان مولکول های DNA انجام مي دهد. محاسبه مولکولی برای اولین بار در [1] گزارش شد، که در آن مشخص شد که یک پلیمراز DNA – که شامل يک تابع آنزیم براي کپی کردن DNA مي شود- در عملکرد بسیار شبیه به یک ماشین Turing است. DNA پلیمراز شامل مولکول DNA مکمل آن با استفاده از یک مارپیچ تک رشته مولکول DNA به عنوان يک قالب مي شود. بر اساس این ویژگی، اگر مقدار زیادی از مولکول های DNA در یک لوله آزمایش مخلوط شوند، آنگاه واکنش در میان آنها به طور همزمان رخ می دهد. بنابراین، هنگامی که یک مولکول DNA به نمایندگی از داده ها و یا کدها با سایر مولکول DNA واکنش نشان می دهد، این مربوط به پردازش موازی فوق العاده و / یا مقدار زیادی از حافظه در مقایسه با یک کامپیوتر معمولی (الکترونیکی) است.

1 Introduction

The objectives of this chapter are twofold: firstly to introduce DNA computation, and secondly to demonstrate how DNA computing can be applied to solve large, complex combinatorial problems, such as the optimal scheduling of a group of elevators servicing a number of floors in a multi-storey building.

Recently, molecular (or wet) computing has been widely researched not only within the context of solving NP-complete/NP-hard problems that are the most difficult problems in NP, but also implementation by way of digital (silicon-based) computers [21]. We commence with a description of the basic concepts of ‘wet computation’, then present recent results for the efficient management of a group of elevators.

2 DNA Computing

The main idea behind DNA computing is to adopt a biological (wet) technique as an efficient computing vehicle, where data are represented using strands of DNA. Even though a DNA reaction is much slower than the cycle time of a silicon-based computer, the inherently parallel processing offered by the DNA process plays an important role. This massive parallelism of DNA processing is of particular interest in solving NP-complete or NP-hard problems.

It is not uncommon to encounter molecular biological experiments which involve 6 × 1016/ml of DNA molecules. This means that we can effectively realize 60,000 TeraBytes of memory, assuming that each string of a DNA molecule expresses one character. The total execution speed of a DNA computer can outshine that of a conventional electronic computer, even though the execution time of a single DNA molecule reaction is relatively slow. A DNA computer is thus suited to problems such as the analysis of genome information, and the functional design of molecules (where molecules constitute the input data).

DNA consists of four bases of molecule structure, named adenine (A), guanine (G), cytosine (C) and thymine (T). Moreover, constraints apply to connections between these bases: more specifically, A can connect only with T, and G only with C – this connecting rule is referred to as ‘Watson-Crick complementarity’. This property is essential to realize the separate operation (discussed later). In other words, it is possible to separate a partial string of characters ‘ad’ so that a DNA sequence complementary to the DNA denoting ‘ad’ is marked, input into a test tube, hybridized to form a double strand helix of DNA, then abstracted. Further, this property enables us to randomly create a set of character strings according to some rule.

Since [1] described a method for solving a directed Hamiltonian path problem with 7 cities using DNA molecules, researchers have pursued theoretical studies to realize general computation using DNA molecules [for example, [23]. [2] has developed a computational model to realize – via experimental treatment of DNA molecules – operations on multiple sets of character strings, following the encoding of finite alphabet characters onto DNA molecules.

As previously mentioned, DNA molecules can be used as information storage media. Usually, DNA sequences of around 8-20 base-pairs are used to represent bits, and numerous methods have been developed to manipulate and evaluate these. In order to manipulate a wet technology to perform computations, one or more of the following techniques are used as computational operators for copying, sorting, splitting or concatenating the information contained within DNA molecules:

• ligation,

• hybridization,

• polymerase chain reaction (PCR),

• gel electrophoresis, and

• enzyme reaction.

In the following subsection we briefly describe the specific bio-chemical process which serves as the basis of our DNA computing approach.

A DNA computer performs wet computation based on the high ability of special molecule recognition executed in reactions among DNA molecules. Molecular computation was first reported in [1], where it was found that a DNA polymerase – which incorporates an enzyme function for copying DNA – is very similar in function to that of a Turing machine. DNA polymerase composes its complementary DNA molecule using a single strand helix of a DNA molecule as a mold. On the basis of this characteristic, if a large amount of DNA molecules are mixed in a test tube, then reactions among them occur simultaneously. Therefore, when a DNA molecule representing data or code reacts with other DNA molecules, this corresponds to superparallel processing and/or a huge amount of memory in comparison with a conventional (electronic) computer.

محاسبه DNA و کاربرد آن

DNA Computing and its Application